（动力工程及工程热物理专业论文）一种新型空气净化器的技术与开发.pdf

重庆大学硕十学位论文 中文摘要 摘要 近年来，随着人民生活水平的稳步提高，空调的广泛使用，装饰大量使用以 及房间的密闭性加强，室内环境污染急剧增加，对人体产生严重危害，随之而来 的室内健康问题也变的突出，室内空气质量问题已经成为环境领域质量的一个热 点问题。传统方法通过继续增大新风量改善室内空气品质，虽然提高了空气质量， 但经济性和舒适性都很差，已经无法满足越来越高的生活品质需求。 本文在介绍等离子空气净化器的基础上，重点介绍了实际应用，针对空气净 化器系统非线性、大迟延、大惯性等特点，分析了现有的控制方法在控制中存在 的问题，将神经网络与预测控制相结合直接应用于空气净化控制系统，其中预测 部分采用在工程上易于实现，算法简单，计算量较少，鲁棒性强的动态矩阵控制 ( d m c ) 。神经网络选择误差反向传播神经网络( b p ) 。该方法克服了传统控制方法 控制对大迟延大惯性对象调节品质差、抗干扰性弱的缺点，有效的补偿了传统预 测控制基于线性模型的局限性。工程实例表明，该算法具有优良的控制性能，有 利于工程实现，节能效果显著。采用面向对象的编程语言v i s u a lb a s i c 混合m a t l a b 开发了系统管理应用软件，实现了数据的存储和历史数据的查询以及报表的预览 和打印，并通过历史数据的对比实现了报警功能。通过试用，极大的提高管理效 率和排查故障的能力，为运行管理中的节能奠定了基础。 关键词：空气净化，神经网络，预测控制，室内空气质量 重盎奎堂硕主堂垡笙窒 茎茎垫鐾 _-_-_-_l_-_i-_i_-_-。_-i_-_-_。一一。 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hp e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n gr i s i n gs t e a d i l y , r e q u i r e m e n t so ft h e s e r v i c el e v e lo fb u i l d i n g sh a v ea l s ob e e nf o c u s e do n p e o p l ea r en o to n l ys a t i s f i e dw i t h t h el e a s tf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fa i r - c o n d i t i o n ，b u ta l s og i v em o r es i g h tt ot h ei n d o o r a i rq u a l i t y t h ei m p o r t a n c ea n du r g e n c yh a sb e e nr e c o g n i z e d ，i n d o o ra i rq u a l i t y p r o b l e mh a sn o wb e c o m eah o t s p o t i nt h ea r e ao fb u i l d i n ge n v i r o n m e n t i na c c o r d a n c ew i t ht h ef e a t u r e so fa q u e o u ss y s t e mo fo z o n eg e n e r a t o ra i rc o n d i t i o n ， e gn o n l i n e a r i t y , l a r g et i m ed e l a ya n dl a r g ei n e r t i a ，w ea n a l y z et h e e x i s t i n gc o n t r o l m e t h o do ft h eq u e s t i o n sw h i c he x i s ti nt h ec e n t r a la i rc o n d i t i o n i n ga q u e o u ss y s t e m c o n t r 0 1 w i t hf a s tr e s p o n s i b i l i t y , s i m p l ea r i t h m e t i c ，l e s sc a l c u l a t e ，b e t t e rr o b u s t ，d m ci s as m a r tc h o i c e t h i sp a p e ru n i f i e st h en e u r a ln e t w o r ka n dt h ep r e d i c t i v ec o n t r o la p p l i e s d i r e c t l yi nt h en o n 1 i n e a rb i gd e t e n t i o nc e n t r a l a i rc o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m t h e d i s a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a lm e t h o d sf o ro b je c t sw i t hl a r g et i m ed e l a ya n dl a r g ei n e r t i a ，i e p o o rc o n t r o lq u a l i t y , w e a kc a p a b i l i t yo f a n t i i n t e r f e r e n c ea r eo v e r c o m eb yt h i sm e t h o d t h en e u r a ln e t w o r kf o r e c a s tc o n t r o la l s oe f f e c t i v ec o m p e n s a t i o nt r a d i t i o n f o r e c a s t c o n t r o lb a s e do nt h el i n e a rm o d e ll i m i t a t i o n t h ep r o j e c te x a m p l ei n d i c a t e dt h a tt h i s a l g o r i t h mw h i c hh a st h ef i n ec o n t r o lp e r f o r m a n c ei ss i m p l ea n da d v a n t a g e o u s t ot h e p r o j e c tr e a l i z a t i o n t h i sp a p e rh a su s e dv i s u a lb a s i co b j e c to r i e n t e dp r o g r a ml a n g u a g e t oe x p l o i tt h es o f t w a r eo fe n e r g ym a n a g e m e n t t h es o f t w a r ec o m b i n e st h ev i s u a lb a s i c a n dm a t l a ba n dc a nb ep r e v i e wa n dp r i n tt h ee x p e r i m e n t a t i o nr e p o r t sa n dr e a l i z et h e s t o r a g eo fr e a l t i m ea n dh i s t o r i c a ld a t aa n dc a ng i v ea a l a r mw h e ns o m e t h i n gi sw r o n g t h i sc a nb eg r e a t l yi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h em a n a g e m e n to fa i r - p u r i t ya n dt h e a b i l i t yt oe x a m i n et h ef a u l t so ft h es y s t e mu n i tw h i c he s t a b l i s h e daf o u n d a t i o no n e n e r g y - s a v i n g o fo p e r a t i o nm a n a g e m e n ti nr e a l i t y k e yw o r d s ：a i rp u r i t y , n e u r a ln e t w o r k ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ，i n d o o r a i rq u a l i t y i i 学位论文独创性声明 本人声明 所 呈 交的丝 士 学位论文 盈差型堕笠鲤! 丝丝型：篁亟丝 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，i 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 导师签名： 签字日期：( i e f 辩醐：唧。夕厂 学位论文使用授权书 本入完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的益耻学位论文二建生超型堡玺兰i i 国墨驵救翱钞 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c 胍i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 导师 备注：审核通过的涉密论文不得签署口授权书詹，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 隧装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 本课题研究的背景意义 自2 0 世纪9 0 年代以来，我国人民的物质文化生活水平普遍得以大幅度提高， 生活质量和健康水平日益成为人们关注的大事。随着空调的广泛使用，随之而来 的室内健康问题也越来越引起关注。经过s a r s 危机以及2 0 0 7 年中国体育训练中 心集体感冒事件，影响健康的室内问题越来越受到人们的重视。室内空气污染是 室内空气环境安全的头号隐患，也是导致事故发生的根源所在。由于建筑材料的 围隔作用，使得室内空气有别于室外，特别是随着节能和温度舒适要求的提高， 建筑物密闭程度不断增大。相应室内与室外空气交换量减小，这使得室内与室外 的环境差异更加明显。大量研究表明，室内空气的污染程度大多高于室外。所以， 加强改善室内空气质量尤其迫切。室内空气中的污染物主要分为霉菌、粉尘和室 内散发的可挥发有机物。人们在遭到污染的室内环境中停留以后，表现出困倦， 头痛，恶心，头晕，皮肤瘙痒等病态建筑综合症，长期呆在空气污染的室内还将 引起更严重的疾病。当前，室内空气污染被认为是继煤烟型，光化学烟雾型污染 后的第三大类污染【l j 。 在美国进行的一项调查表吲2 1 ，人们平均每天在室内度过的时间为总时间的 8 8 ，在汽车内为7 ，只有5 的时间是在室外度过的。这样，在室内环境中， 人们可能短时间、问歇地处于较高浓度的多种污染物之中，或长期、持续地处于 低浓度的多种污染物之中，相对于室外污染，室内污染将对人们的健康产生更大 的损害。室内环境中污染源有很多，室内装饰材料及家具的污染是目前造成室内 空气污染的主要方面，油漆、胶合板、刨花板、泡沫填料、内墙涂料、塑料贴面 等材料均含有甲醛、苯、甲苯、氯仿等有机挥发物，这些污染物不断从装修材料 中释放出来，造成室内空气污染。此外空调通风系统的污染也不容忽视，美国、 欧洲等许多国家对集中空调系统造成的室内污染进行了大量的调查研究工作，对 室内空气品质进行理论研究、实际分析和大量的试验和研究。美国在2 0 世纪9 0 年代对4 5 0 座办公楼的调查显示，5 0 的空调房间室内空气质量恶化，证实来自空 调通风系统的污染占室内空气总污染程度的一半以上。 室内空气污染严重影响人们的生活质量，与室内空气污染有直接关系的各种 疾病不仅给患者本人和家庭造成巨大痛苦和负担，也给国家社会造成很大的负担 和巨大经济损失。几乎我们每一个人都是室内污染的受害者，所以室内空气质量 不仅是环境专家们研讨的焦点，也已经成为社会普遍关注的热点。 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 1 2 国内外空气净化系统现状 随着环境保护工作的开展和环境科学的发展，人们的环境意识不断的加强， 控制空气污染的方法和措施也在不断的完善。2 0 世纪6 0 年代末期出现了关于室内 空气质量问题的报道。国际学术团体从7 0 年代末就经常性召开室内空气品质的国 际学术会议。许多学者就室内空气品质对人体健康、舒适性、行为功能和效率等 方面的影响、建筑物与空调系统对室内空气品质作用的评价进行了多学科、全方 位的深入研究。 经过多年的研究对空气污染的成因、影响因素和代表性危害都有了全面地认 识。围绕室内空气质量的系统研究最初主要着眼于室内与室外空气质量的关系， 以及室内空气污染物对人体健康的影响。1 9 6 5 年，荷兰学者b i e r s t e k e r 等进行了世 界上第一个系统的、大规模的室内与室外空气质量的关系研究，揭示了室内空气 质量对人体健康的影响可能超过室外【3 】。随着对室内空气污染问题认识的不断深 化，室内环境作为卫生和环境科学的重要组成部分越来越受到重视。一批专门从 事室内环境检测、宣传教育、学术研究和学术交流、咨询和评估的机构开始形成。 上世纪7 0 年代美国、丹麦、日本、英国等有关科研人员开始对公共建筑物室内空 气品质的调节控制问题进行深入的研究。对室内空气品质的定义、问题的起因、 评价及改善的对策等问题，经过大量的研究编制了相应的国家标准。最初更偏重 于继续增大新风量改善室内空气品质，继续增大新风量的国家标准相继出现，我 国政府于1 9 9 6 年发布并实施了公共场所卫生标准( g b 9 6 6 3 9 6 7 3 1 9 9 6 、 g b l 6 1 5 3 1 9 9 6 ) ，标准中规定了室内空气品质等级( 表1 1 ) 。当认识到提高新j x l 使 用率可以改善室内空气品质之后，变风量空调送风型式空气品质控制装置的研究 相继展开，然而增加新风使用量的同时，也带来其他方面的问题。 表1 1 室内空气品质等级 ! 垒垒! 皇! ：! 垦垒! i 坠g ! 曼垒! 曼q ! i 望垒q 旦! 垒堑g 旦垒! i 堕 室内空气品质等级等级评语特征 2 重庆人学硕士学位论文i 绪论 置换通风系统送入房间的风量保持不变，既要完全排除室内的污浊空气，同 时又不使送风温度过低，这时就要求系统有较大的循环通风量。大风量往往造成 室内过大的空气流动和噪声，影响人体的舒适感。为减少吹风感对人体造成的不 舒适，需要通过改进送风口的位置和形式来改善室内气流组织，需要布置较大管 径的风道，同时能耗增大，造成浪费。置换通风空调系统对室内空气的污染主要 在于空调系统收集室内的空气，经处理后又把空气送回到室内，在这个过程中有 可能把个别空调房问及空调系统本身的污染物迅速地扩散到其它房间，从而使空 调系统成为传播、扩散污染物的媒介( 表1 2 ) 。 表1 2 混合通风与置换通风的比较 ! ! 垒! ! ! ：兰堡旦坐p ! 堡旦! 垒! q 塑垒! 璺! i q 望坐呈! 塾殳鱼! 通风方式混合通风置换通风 空调系统除了带来室内空气质量恶化外，节能问题也受到越来越多的关注。 据统计我国建筑能耗约占全国总能耗的3 5 ，空调能耗又约占建筑能耗5 0 6 0 左右，暖通空调( h e a t i n gv e n t i l a t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n g ) 系统能耗占总能耗的比例可 高达2 0 【3 】。如何降低能耗的同时又能兼顾空气质量成为迫切需要解决的重大课 题之一。 近年来，随着电力电子技术、热力学优化技术、集成制造等领域的进步，空 气调节技术朝向智能化、信息化、更加节能的方向快速发展。在控制系统方面， 功率驱动器件、微控制器等核心器件的技术进步，极大地提升了系统的调控品质， 也为空气调节技术系统应用复杂控制方法提供了良好的平台。安装空气净化器是 去除气态污染物，净化空气，改善空气质量，创建健康舒适的办公室和住宅环境 十分有效的办法，在冬季供暖、夏季使用空调期间效果更为显著，也是最节约能 源的空气净化方法之一。 我国市场上有各种各样的空气净化器，依据目前已有的净化器的净化对象、 净化方法。主要有静电式室内空气净化器、机械式室内空气净化器、物理吸附式 净化器、化学吸附式净化器等一些类型。静电式室内空气净化器是主要是通过放 电使空气中尘埃带正电荷，利用集尘装置捕集带电粒子，达到净化空气的目的， 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 因其只能除去较大的颗粒污染物，正被逐步淘汰。机械式室内空气净化器则是以 多孔性、表面积大的活性碳、硅胶、氧化铝和分子筛等作为有害气体吸附剂。气 体与固体吸附剂依靠范德华力的吸引作用而被吸附，主要用来去除空气中的氨气， 二氧化硫、硫化氢和挥发性有机化合物。通过将普通空气过滤技术与活性炭吸附 技术结合起来，总体上改善了净化性能，但活性炭存在吸附饱和状态，比较麻烦， 因而没有得到广泛应用。 目前，在世界范围内室内净化技术发展较迅速的同本生产的净化器大都采用 采用复合式，常用的技术由过滤、静电、吸附、催化、等离子体、负离子、增湿 等。针对所需去除污染物的种类，将各种技术进行了优化组合，从而达到良好的 效果【5 1 。 1 3 预测控制发展及应用现状 6 0 年代初，现代控制理论的研究取得了长足的进展，基于性能指标的优化控 制理论也同趋成熟，这大大提高了人们对被控对象的认识。在控制实践中，许多 复杂的工业系统的数学模型很难精确建立，而且对象的结构和参数往往具有一定 的不确定性。从工程应用的角度，人们希望对象的模型尽量简化，系统在不确定 性因素的影响下能保持良好的性能，且要求控制算法简单，易于实现，以满足时 控制的需要。同时计算机的飞速发展为各种新型控制算法的发展提供了物质保障， 预测控铝) j ( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 就是在这种背景下产生的一种新型计算机控制 方法。由于其对模型的依赖性弱、易于实现、控制的综合效果好等诸多优点，在 工业过程控制中得到了广泛的应用。1 9 7 8 年r i c h a l e t 、c u t l e r 首次阐明建立在脉冲 响应基础上的模型预测启发控制( m o d e lp r e d i c t i v eh e u r i s t i cc o n t r 0 1 ) 产生的动因、 机理及其在工业过程中的应用，就在电力、炼油、化工等领域获得了广泛的应用。 模型预测启发控制的问世，一方面是受到计算机技术发展的推动，另一方面也来 自复杂工业实践向高层优化与控制提出的挑战。c m l e r 于1 9 8 0 年提出了建立在阶 跃响应基础上的动态矩阵控制( d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ，简称d m c ) ，它应用具 有积分性能的增量模型，引入控制时域的概念。1 9 8 2 年g a r i c r a 等研究了内模控制 ( i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ，简称i m c ) ，从结构的角度对预测控制作深入研究。经过 二十年的发展，理论上各种预测控制方法已是层出不穷，而且在许多应用领域预 测控制成功应用的报道也是异彩纷呈。预测控制成为控制领域尤其是过程控制领 域关注的热点。近年来，国内外对预测控制的研究同趋广泛，美国控制年会( a c c ) 、 i e e e 控制与决策( c d c ) 会议和国际自动控制联合会( i f a c ) 世界大会和各种专门学 术会议几乎都有关于预测控制的专题讨论，国内许多学者也展开了预测控制的研 4 重庆人学硕士学位论文1 绪论 究，取得了许多研究成果，发表了不少文献和专著，并在多种复杂的工业过程控 制中获得了成功的应用。预测控制己经成为当前过程控制的发展方向之一【6 1 。 1 4 神经网络技术的应用现状 人工神经网络理论是8 0 年代中后期世界范围内迅速发展的一个前沿研究领 域。它的研究和发展涉及神经生理科学、数理科学、信息科学和计算机科学等众 多领域，是一种新的信息处理理论，是一门高度综合的交叉学科。作为人工智能 的一个最活跃的分支，通过模拟人脑的工作方式，为解决复杂的非线性，不确定 性问题开创了一个崭新的途径【6 】。1 9 8 7 年6 月，首届国际神经网络学术会议在美 国加利佛尼亚州召开，会上成立了国际神经网络学会( i n t e r n a t i o n a ln e u r a ln e t w o r k s s o c i e t y ) 。1 9 8 8 年，日本东京大学的s h u n i c h ia m a r i 教授，美国波士顿大学的s t e p h e n g r o s s b e r g 教授和芬兰赫尔辛基技术大学的t e u v ok o h o n e n 教授主持创办了世界第 一份神经网络杂志( ( n e u r a ln e t w o r k s ) ) 。随后国际电气工程师与电子工程师学会 ( i e e e ) 也成立了神经网络协会并出版神经网络刊物。我国1 9 8 9 年l o 月和1 1 月， 分别在北京和广州召开了神经元网络及其应用学术讨论会和第一届全国信息处理 神经网络学术会议。1 9 9 0 年1 2 月，在北京召开中国神经网络首届学术大会，收到 了来自各方面的论文3 0 0 余篇，从而开创了我国神经网络及神经计算机方面科学 研究的新纪元【，j 。 1 5 国内外神经网络和预测控制在空气调节系统中的应用 国内神经网络和预测控制在空气调节系统中单独有许多成功的应用。杨自强、 陆亚俊于2 0 0 0 年在利用神经网络对大连某办公楼的冷负荷进行逐时预测，得到了 比较满意的结果【8 】。郑慧凡、范晓伟、李安桂、高龙等采用理论分析的方法，通过 分析国内外在该方面的研究成果，剖析了人工神经网络在空调系统负荷预测中的 应用，指出了利用人工神经网络( a n n ) 具有的高度的并行处理和可完成复杂的输入 输出的非线性映射能力，进行空调系统负荷预测精度高、准确度好，是一种有效 的空调负荷预测手段【9 】。曹双华、曹家枞于2 0 0 5 年在基于小波变换的思想建立了 递归b p 网络模型来预测空调负荷，改进了网络权值、阈值的修改算法，引入了折 扣系数法以提高近期预测精度，结合实例进行了空调冷负荷预测，结果表明该方 法预测精度高，适用于空调负荷预测【1 0 】。 国外方面，k a w a s h i m a 推荐用于空调负荷预测的神经网络模型采用一个输出 神经元和有神经元的隐含层。虽然训练速度比较快，但在负荷剧烈变化时，预测 精度较差【l 。s a k a w a 等提出了采用简化的鲁棒滤波器预处理历史冷负荷数据的方 法，从而提高了预测精度【l 2 1 。 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 6 论文研究的目的和内容 在空调系统中安装空气净化装置可降低回风率，大大降低能耗，在保证空调 房间的温、湿度在要求的范围内的同时尽可能提高空气质量，从而营造出舒适的 生活环境。通过空调系统调节的自动化，不仅可以提高系统调节效率，同时还可 以减轻劳动强度，减少运行人员，提高劳动生产率和技术管理水平。 在现代工业日趋大型、连续、综合化的形势要求下，随着计算机硬、软件技 术的成熟，控制策略从传统的向现代和智能控制策略发展产生了一系列新型控制 理论。各种控制策略互相渗透，取长补短，结合成复合的控制策略，是获得更优 越的控制策略的有效途径，也是当前控制策略的研究方向。预测控制和神经网络 控制在其中表现了很强的渗透和结合能力，将具有将大泛化功能的人工神经网络 与预测控制技术相结合，作为一种新的控制策略，在沙区某商场中央空调改造的 基础上，对空气净化系统进行具体的研究和尝试，借此为研究空气调节系统的工 作者提供一些有益的经验。 6 重庆大学硕十学位论文2 空气净化系统 2 空气净化系统 2 1 空气调节的基本概念 空气调节就是指在某一特定空间内，对空气的温度、湿度、气流速度及均匀 性，洁净度进行人工调节，以满足工艺生产过程和人体舒适的要求【l3 1 。1 9 0 2 年， 美国的开利( w i l l i sh a v i l a n dc a r r i e r ) 博士发明了世界上第一部真正意义上的空调， 从此，技术的进步与需求的增加相互促进，不断提升空调的性能。随着经济同益 腾飞发展和人民的生活质量迅速的提高和改善，物质生活的不断丰富，人们对自 己日常生活和工作的室内空气环境质量的要求和期望也不断提高。无论是在生活 领域对舒适性的追求，还是在生产领域为满足工艺过程或设备运行的需要，空气 调节的应用越来越普遍。如何既提高空调系统的调节品质，又能控制其能源的消 耗，成为发展空调技术的重要课趔1 4 】。 2 2 空气污染主要构成 空气污染主要由挥发性有机物( v o c ) ，可吸入悬浮微粒和微生物构成。挥发性 有机物是室内一种特殊的空气污染物，它主要有甲醛、丙酮、苯系物等组成。甲 醛是室内装修材料及人类活动释放量最大的v o c 之一。甲醛为无色微带特殊刺激 性气体，在室外浓度很低。甲醛在常温常压下可燃，通常浓度在l p p m 时即可嗅出。 如人体暴露在0 0 5 0 5 p p m 浓度之下，即会造成不舒适感，同时会引起上呼吸道过 敏。长期暴露在0 1 p p m 甲醛浓度之下还易导致癌症【”】。 室内的悬浮微粒除部分是通过通风系统管道从外界逸入外，大多是源于室内 环境清扫、扬尘，燃烧与抽烟等行为。悬浮微粒因粒子的直径不同，在呼吸道内 滞留的位置不同，对人体的伤害也不同。大多数微小粒子都可进入呼吸道，对局 部粘膜产生刺激作用，可引起慢性鼻炎、咽炎，也会沉积在肺中，造成肺部硬化【l 6 1 。 悬浮微粒的危害性还与其可溶性有关。很多污染物会溶解在液滴中或吸附在尘粒 上。但微粒伴同其他气体如二氧化硫吸入人体时，其危害性更为严重。 室内微生物污染程度与周围环境、居住密度和室内空气温度、湿度、尘埃及 采光通风等因素有关。室内密闭，通风不良，湿气积累，微生物污染加剧。微生 物除能传播疾病外，某些微生物在繁殖过程中还能引起人的过敏反应。许多微生 物还能合成毒素，或在消化过程中向环境释放代谢产物。这些代谢产物中，有的 是一些陈腐的碳化物，有的还会对被接触的人们产生毒性反应。在温度高、湿度 大，通风不良，日光不足的情况下，微生物的生存时间和致病性对人体健康影响 很大【1 7 】。所以微生物也是影响室内空气品质的重要因素。 7 重庆大学硕十学位论文2 空气净化系统 建筑物中释放的污染物量主要是通过空间决定，单位排放量按下式计算 职= ( c c o ) xq a = ( c c o ) x n l ( 2 1 ) 式中：c 一小空间中污染物浓度 ， 。o 一空建筑时小空间内有机污染物的浓度 q 一换气量，m 3 h a 一建材表面积，m 。 n 一换气次数，h v - 一空间容积，m 卜建材负荷因子，m 。m 。 近年来，因建筑和装修活动使得室内空气污染越来越严重。针对这一现状， 我国卫生部于2 0 0 1 年9 月正式颁布了室内空气质量规范，该规范综合了单项 标准的数据，比较全面地规定了有关室内空气质量的污染物、环境参数适宜值和 卫生要求( 表2 1 和表2 2 ) 。 表2 1 室内空气污染浓度限值 ! 垫坠! 旦三：! 坠旦! i 坐i ! q ! 璺坠巳竺! ! 坠! i 竺里i 望堡q q ! 污染物名称单位浓度 2 3 空气污染处理 对室内空气污染物的治理，人们早就有研究，而且已经开发出一些卓有成效 的控制技术，近年来又形成了许多新技术。在处理有机废气的方法中，吸附法应 用极为广泛，与其它方法相比具有去除效率高、净化彻底、能耗低、工艺成熟和 易于推广实用的优点，具有很好的环境和经济效益。决定吸附法处理废气效率的 关键是吸附剂，常用的有活性炭、活性氧化铝、硅胶、人工沸石等。进行处理空 型一i ：一l 三一 一 = 蛐面止 一一一一一 雠堂 一 一 一一一一一一一一 室堡 一 一 勉望 一 一 表一 一籼埘一 重庆人学硕士学位论文 2 空气净化系统 气中有机废气的吸附剂以活性炭居多。吸附法分为物理吸附法、浸渍吸附剂吸附 法等。物理吸附法是用活性炭或分子筛做吸附剂，在常温下进行吸附，将废气浓 集后再脱附，适用于能回收利用废气物质的场合。浸渍吸附剂吸附法是将活性炭 等吸附剂浸渍特定的物质后，用提高对某种特定物质的吸附能力。吸附分离过程 适宜于低浓度高要求的混合物的分离。吸附法的缺点是处理设备庞大，流程复杂， 当废气中有胶粒物质或其他杂质时，吸附剂易失效。吸附法主要用于低浓度高通 量废气净化。 吸收法是利用物质溶解度的不同来分离气态污染物的方法。该法不仅能消除 气态污染物而且往往能将污染物转化为有用产品。由于吸收法治理气态污染物技 术成熟，设计及操作经验丰富，适用性强，因而在大气污染物治理中得广泛应用， 特别对无机污染物。但对有机废气，由于其水溶性一般不好，因而应用不太普遍。 吸收法虽然设备简单、一次性投资费用低，但吸收净化需对吸收后的液体进行处 理，设备易受腐蚀。 光催化氧化法使用二氧化钛催化剂在紫外光的照射下氧化气相有机物，在正 常环境条件下( 常温、常压) 能将有机废气分解为二氧化碳、水和无机物质，包 括烷烃、烯烃、醇类等。近年来，有关光催化氧化用于气相有机污染物治理的研 究报道也见于各类文献中。与常用的处理方法比较，光催化氧化方法具有氧化处 理低浓度废气，不受周围环境温度和压力的影响。但是回收困难，光源利用率低， 催化效果不高，应用很少。 综上所述，目前对颗粒污染物的净化方法较成熟，但对气态污染物还缺乏实 用高效的净化手段。因此，室内空气净化器的改进应以改善气态污染物的净化效 果为重点， 2 4 等离子体空气净化器 2 4 1 等离子体空气净化器工作原理 随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态液态气态三种物态的 转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质，温度升 至几千度时，由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离， 这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物。我们把物 质的这种存在状态称为物质的第四态，它与固态、液态和气态物质比较有不同的 物理和化学性质。等离子体按等离子体焰温度分为高温等离子体和低温等离子体 其中，按重粒子温度水平还可以分为热等离子体和冷等离子体。 非平衡等离子体产生方法主要有低气压辉光放电法、电子束照射法、介质阻 挡放电法和电晕放电法等，本论文选择电晕放电法，作为非平衡态等离子体处理 9 重庆人学硕士学位论文2 空气净化系统 废气技术的具体实现方法中的一种，脉冲电晕放电激发等离子体化学反应过程， 目前被认为是去除气相有害物质的很有前途的方法。其基本原理是在室温、常压 条件下，由前沿陡峭、脉宽窄的脉冲高压，在电晕线极附近产生激烈的脉冲电晕 放电，利用脉冲电晕放电产生的高能电子同废气中气体分子作用而产生丰富的离 子和自由基等活性粒子，这些活性粒子再同污染物分子发生氧化或还原反应生成 低毒性的无机小分子化合物。由于脉冲上升时间短，只能使电子能量剧烈增加， 而离子和原子之类的重粒子其温度可降低至3 0 0 k ，形成低温等离子体。因为电子 与电子之间处于同一热力学平衡态，这就意味着电子具有足够高的能量以使反应 物分子激发、离解、电离，反应体系又得以保持低温，这样设备投资少，节省能 源。 表2 3 低温等离子体粒子能量 ! ! 垒! 皇2 ：i ! ! 坚! 里璺! ! 翌宝! g y 也坠q 望：! 塾里望里垒! 巳! 垒! 堡垒 活性粒子能量( e v ) 电子 离子 激发态离子 光子 0 2 0 0 2 0 2 0 3 4 0 等离子体空气净化器工作原理分为三个部分： 预荷电集尘 其基本原理是利用极不均匀电场，形成电晕放电，产生等离子体，其中包含 的大量电子和正负离子在电场梯度的作用下，与空气中的颗粒污染物发生非弹性 碰撞，从而附着在上面，使之成为荷电离子，在外加电场力的作用下，被集尘极 所收集。静电集尘是一个物理过程，在这个过程中，对悬浮在空气中直径小于 1 0 0um 的总悬浮颗粒和直径小于l oum 的可吸入颗粒有较高的清除效率。 催化净化 以高能电子与气体分子碰撞反应为基础，利用前后沿陡峭的脉冲高电压，形 成高频脉冲电晕放电，在一定空间产生非平衡态低温等离子体。其催化净化机理 包括两个方面，在产生等离子体的过程中，高频放电产生的瞬时高能量，打开某 些有害气体分子的化学键，使其分解成单质原子或无害分子。等离子体中包含了 大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子的 平均能量高于气体分子的键能，它们和有害气体分子发生频繁的碰撞，打开气体 1 0 重庆人学硕士学位论文2 空气净化系统 分子的化学键生成单原子分子和固体颗粒，同时产生的大量自由基和氧化性极强 臭氧与有害气体分子发生化学反应生成无害产物。 图2 1n o 转化过程示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec o n v e r s i o no ft h en o 催化净化可以清除空气中绝大部分碳氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和其他 一些有害气体分子。 q + e 一一2 0 + e h 、o 专h o _ + h 2 (1 ) 负离子发生 在产生等离子体的同时，也会产生大量的负离子。利用放电的方法，产生负 离子，在风力驱动下，将其扩散到室内空间。负离子一方面调节了空气中的离子 平衡，另一方面，它还能有效地清除空气中的污染物。高浓度的负离子同空气中 的有毒化学物质和病菌悬浮颗粒物相碰撞使其带负电。则这些带负电的颗粒物就 会吸引其周围带正电的颗粒物。这种积聚过程一直持续到颗粒物的重量足以使它 降落在地面为止。除了积聚过程外，在有限的空间里空气中带负电的颗粒物还被 吸附到带f 电的表面上，而通常情况下，房问里面大多数物体的表面( 包括墙壁、 地面、家具、电器等) 都是带正电的。 d 3 专q + d。- f ，) ，) 、 e 以+ ( ，z + m 4 ) d 2 专n c o z + ( m 2 ) 4 d 7 由前述可知，负氧离子能够破坏甲醛、苯、氨等有毒气体的分子结构，与之 结合积聚沉淀；同时借助凝结和吸附作用，负离子能附着在固相或液相污染物微 粒上，从而形成大离子并沉降下来。在污染物浓度高的室内，若清除污染物所损 失的负离子得不到及时补偿，则会出现j 下负离子浓度不平衡状态，存在高浓度的 空气正离子现象，结果使人产生不适感。j 下因为如此，在室内以人造负离子来补 重庆大学硕+ 学位论文2 空气净化系统 偿不断被污染物消耗掉的负离子，一方面能维持正负离子的平衡，另一方面可以 不断清除污染物，从而达到改善空气质量的目的。 2 4 2 等离子空气；争化器结构 等离子空气净化器既是负离子产生源又是空气净化装置。主要构件是负电晕 放电区和通风风扇。电晕线上加有负高压，形成负电晕放电，在其周围形成空间 电荷区，产生大量的负离子，负离子随着气流进入室内，起着空气质量调节和净 化作用，负直流高压电源接到电晕线上，对地线开始电晕放电，脉冲电源图如2 2 所示。 图2 2 脉冲电源电路 f i g 2 2t h ec i r c u i to ft h ep u l s ep o w e r 电晕线周围的空气在高压下电离，其中，正离子在强大的负电压电场下，被 吸引至电晕线上，负离子则向正极方向移动，在j x l 机的作用下，进入到外部空气， 部分与空气中的粉尘结合，迅速下降，起到净化空气的作用。在负电晕放电过程 中除产生负离子外同时产生臭氧，从而影响了室内负离子空气净化器的推广使用。 + 0 + k - i & m 一一一- 。 j p 一- 一一_- 一一- +4 - - 图2 3 线脉冲电晕放电电场示意路 f i g 2 3d i a g r a mo ft h ep u l s er e a c t o ra n dt h ei n t e n s i t yo ft h ee l e c t r i cf i e l d 1 2 重庆大学硕十学位论文2 空气净化系统 本文使用电晕线加热的方法抑制负电晕放电过程中臭氧产生和降低负离子发 生器的臭氧浓度，其原理是：电晕线加热，使电晕线温度升高，降低电晕线内金属 原子与表面的势能差，减小电子从原子外层脱出的逸出功，使外层电子在较低能 量作用下，就从原子中脱出，飞出电晕线表面 1 8 1 【2 0 1 。 图2 4 产品结构图 f i g 2 4s t r u c t u r eo fa i rp u r i t y 等离子发生器的两个主要性能参数是负离子浓度和臭氧浓度。负离子浓度决 定着净化效率，负离子浓度、臭氧浓度、电晕电流随着放电电压的升高增加，加 热可以提高负离子浓度、增加电晕电流，而降低臭氧浓度。 2 5 空气；争化器的优点 等离子体是一种聚集态物质，其所拥有的高能电子同空气中的分子碰撞时会 发生一系列基元物化反应，并在反应过程中产生多种活性自由基和生态氧，即臭 氧分解而产生的原子氧。活性自由基可以有效地破坏各种病毒、细菌中的核酸， 蛋白质，使其不能进行正常的代谢和生物合成，从而致其死亡；而生态氧能迅速 将多种高分子异味气体分解或还原为低分子无害物质【2 0 】。另外，借助等离子体中 的离子与物体的凝并作用，可以对小至亚微米级的细微颗粒物进行有效的收集。 空气中负离子的含量是空气质量好坏的关键。负离子不仅可高效杀灭家居空气中 因长期密闭而日趋增多的烟雾、灰尘、细菌，更可中和空气中的正离子，活化空 气，改善肺功能，改善心肌功能，改善睡眠，促进新陈代谢，增强人体抗病能【2 。 基于分子重组原理的新一代的空气净化器，利用等离子体技术，不仅具有对室内 1 3 重庆人学硕十学位论文2 空气净化系统 颗粒污染物的一个净化功能，而且对于气态污染物，通过破坏分子间的键能，有 效地分解气态污染物，从而达到了净化空气的作用。 2 6 控制部分 2 6 1 控制对象特点 空气净化系统中的控制对象多属热工对象，从控制角度分析，具有以下特点： 参数分布且多干扰 在中央空调系统中，要求根据室内、外工作条件的变化，不断调整空调设备 的运行工况，外部气象条件如气温、太阳辐射、风力与风向等，和内部条件如空 调房间内的设备、照明的启、停，门窗开闭，人员流动等的变化，都将对运行中 的空调系统形成干扰。如此之多的干扰，形成空调负荷在较大范围内变化，而它 们进入系统的位置、形式、幅值大小和频率程度等，均随建筑的构造、用途的不 同而异，更与空调技术本身有关【2 2 1 。在设计空调系统时应考虑到尽量减少干扰或 采取抗干扰措施。 运行工况多任务 空调技术中对空气的处理过程具有很强的季节性。分为冬季、过渡季和夏季。 近年来，由于集散型系统在空调系统中的应用，为多工况的空调应用创造了较好 的条件。同时，在室内外条件发生显著变化是要适时地改变运行调节方式，也有 根据室内外的条件及运行状态进行人工手动切换【2 3 1 。由于多工况运行及相互转换 方式的调节，使全年运行的空调系统处理更合理、更方便，充分发挥空气处理设 备的能力，也可以节约一定的能量。 运行参数耦合 描述空气状态的两个主要参数温度和湿度，并不是完全独立的两个变量。当 相对湿度发生变化时要引起加湿或减湿动作，其结果将引起室温的波动；而室温 变化时，时室内空气中水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不便的情况下，就 直接改变了相对湿度 2 4 】。显然，在温、湿度都有要求的空调系统中，组成自控系 统时应该充分注意这一特性。 大滞后 分布参数及变量关联耦合的非线性时变决定了空调系统受到突发的干扰作用 后，调节参数( 如温度) 并不能立即发生变化，而需要经过一段时间才开始变化，这 段时间称为滞后时间【2 5 】。对象的滞后时间对调节过程将产生不利的影响，它降低 了调节系统的稳定性，增加了调节参数的偏差，延长了调节时间。 1 4 重庆大学硕十学位论文2 空气净化系统 2 6 2 控制对象影响因素 室内污染源会增大室内污染物浓度，恶化室内空气质量，引入洁净的室外空 气能改善室内空气质量，室外空气与室内空气的交换率、混合模式、污染物的特 性都影响着室内空气质量。由于室内空气质量是多个因素相互作用的结果，因而 各单一因素对室内空气质量的影响不易辨别。影响降解污染物程度的参数主要包 括温度，流速，空气湿度，电极电压，环境污染程度等【2 6 1 。一般认为污染物浓度 与其释放速率正相关( 图2 5 是浓度对甲醛排放速率的影响) 。温度会影响颗粒污 染物分子热运动，和微生物的生长发育也有密切关系，微生物的生长发育是一个 极其复杂的生物化学反应，这种反应需要在一定温度范围内进行，绝大多数微生 物属于适温性微生物，比如夏季就比较有利于微生物的生长和繁殖。流速会加快 污染物扩散。空气湿度就是指空气中台有的水蒸气量的多少，室内湿空气中水蒸 气的含量虽少，但其