简单高效的自制新风 |
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很久以来,苦于苍穹之下肆虐的雾霾,为了保护被空气污染所困扰的家人,当了很多年电信攻城狮的我,被逼无奈迷上了新风DIY。 苍天不负有心人,花了两年多的时间,终于超额完成当初的计划目标:以简单和低成本的解决方案,做到无论室外空气污染程度如何(当初领取任务时,是室外重度污染以下),家里的空气质量永远为优! 在此将DIY之路与爱好DIY的网友分享,希望能对你有所帮助,也祝愿你和你的家人,能摆脱雾霾的困扰。 (一)设计思路: 新风系统的一般工作原理(风机滤芯位置可能有差异): 图1 新风工作原理从实用主义的角度来看,至少有两个可以改进的地方: 1. 既然新风是从室外引入新鲜的空气,那么活性炭是用来吸收什么味道? 如果你家房子外面的空气。都到了需要吸附异味才能呼吸的地步。 那么给你的建议一定不是装新风,而是直接搬家! 2. 传统新风设置初滤中滤合理的解释,只是保护价格昂贵的HEPA滤芯,延长其使用寿命,但同时增加了系统风阻(串联)和使结构变得更复杂(多滤芯)。 如果有一款不用考虑成本的HEPA滤芯,同时面积达到超过初+中+HEPA滤芯,那么新风机的结构可以省掉初中级滤芯,简化结构、同时性能上得到大幅的提升。 当HEPA滤芯的有效过滤面积足够大,过滤的风速就会变低,粗大的颗粒物就不会嵌入或者附着在滤网上,而是会沉积在滤网外面的空间,这样HEPA滤网的负荷反倒会降低,所以在这样的条件下,不用初中滤网是完全可行的。 遵循这个原则,我计划中的新风机最核心的结构变成了如下图所示: 图2 简新风结构即是: HEPA滤芯+风机+机箱! 风机相对比较成熟,可以根据具体的需求采购符合要求的风机,一次可以用好多年;机箱是纯机械部件,按需设计加工就行了。 我们DIY的首要任务,是制作一款既便宜又高效的HEPA滤芯。 之所以将滤芯作为攻关的重点,在我看来,一个优秀的滤芯,就是新风整机成功的大半;而且,滤芯是耗材,它的价格对于后期的使用成本影响巨大。 我所了解的空气净化行业有一个很大的误区,就是HEPA滤网的等级越高,过滤效果越好。 理论上讲,这种说法也没有错,但所有滤材定义的“过滤等级”,都是在一定的过滤风速下测得的。 就是如果过滤时的风速不一样,同样“等级”的滤纸,其过滤效果是不一样的!也可以说,滤网的等级是随设计的过滤风速而变化的。 这样的认识,最初来源于制作豆腐(花)时,过滤豆浆的灵感,我们给过滤袋揉搓的压力不一样,挤出来的豆浆浓度(实际的过滤效果)是不一样的! 从实践到理论,那么过滤风速对于过滤效果的影响究竟有多大? 风速每降低一半,滤纸的过滤效率增加十倍(惊不惊喜,意不意外?),就是平常所说的,提高了一个过滤等级,反之亦然。 那么。如果滤网面积增加一倍,同样风量条件下,风速就降低了一半,滤纸过滤等级就自动提高了一级! 同时风阻降低了,风机功率就可以降低、噪音就减少了; 滤网面积增加了,容尘量增加、滤芯使用寿命也就增加了… 真是好处多多…… 有了性能良好的大滤芯,新风性能想不好都难! 那么,怎样增加滤网面积,提升过滤效果、又能降低成本呢? 一个典型的滤芯如下图: 图3 商用HEPA滤芯滤纸设计成带褶皱,是为了增加滤纸的过滤面积,但同时给固定和封装带来挑战。业界一般用热熔胶来固定和密封滤纸,并进行封边处理,目的是提高滤芯整体的密封性。 由于热熔胶等的存在,所以很多滤芯在开始使用的时候,会有异味。同时这些固定和密封所用的胶,大都是不可降解的污染物。而且,正是这些污染物,把滤芯整体成本提高了不止一个台阶。 这对于我这样的一个严重环保主义患者来说,简直是无法容忍的。
一个传统滤芯的成本构成: 带褶皱的滤纸+热溶胶固定+封边工艺 滤纸本身的成本占比很小,更多的成本,来源于滤纸固定和滤芯整体的密封。 如何对现有工艺进行简单实用化处理,是降低成本的关键。 经过无数次的摸索和实验,终于敲定了一种独特的褶皱滤纸固定和密封方式:用锯齿型的齿板,逐一咬合带褶皱滤纸的波浪边,采用可以重复使用的滤芯框来固定链接这些板件和滤纸,用全机械密封的方式来完成固定和密封。 这个全机械密封的新型滤芯,其原理细节及单层滤芯制成品展示如下图: 图4 自制的全机械密封的HEPA单层滤芯为了应对更大风量的场景,需要增加滤芯的过滤面积,还专门设计了双层滤芯,并用双层褶皱滤纸,形成完整的风道,不仅节约了面积和空间,使得整体的密封性得到提升。 图 5 全机械密封双层滤芯封装示意图图6 双层滤芯工作气流方向(气流方向可以相反设计使用)双层滤芯制成品: 图7 自制的全机械密封的双层HEPA滤芯这样做的好处有: 1. 全机械密封,不含热熔胶等不可降解物质,实现了环保封装; 2. 运用锯齿咬合,密封性好。滤纸对外接口平整结实,便于安装在不同的接口和场景; 3. 去掉了打胶和封边工序,成本大幅降低; 4. 滤纸框是可以通过更换滤纸重复使用。这是该滤芯最大的特点,也极大幅降低了滤芯单次的使用成本。 特别是双层滤芯的设计,双层滤纸参与形成完整的风道,提升了整体的气密性,同时节约了体积,同样尺寸的滤芯可以得到更大的有效过滤面积,为整机优秀的性能打下了坚实的基础。 总结: 这个拥有2项国家专利授权(DIY也要有核心技术)、自制的HEPA滤芯的好处: 采用全机械密封,密封性是最好的,没有之一; 滤芯框可以通过更换滤纸重复使用,滤芯使用成本最低,没有之一。
(二)制作步骤
1. 设计、CAD制图(此处省略50000字……)。 用激光切割机将椴木切割设计的各个原件。之所以用木板,不但易于加工,还因为从小就有一个做木匠的愿望。 图8 加工好的滤芯框材料2. 按设计依次组装,用不锈钢自攻螺丝加固,装上吊环等紧固件,就是完整的一个滤芯框: 图9 组装完成的滤芯框3. 安装上裁剪好的带褶皱的HEPA滤纸,紧固螺栓以加固和密封,就得到完整的滤芯。前面的两个方形口就是风机吸风的通道,设计使用双风机,可根据不同的风量及噪音要求,选择不同型号的风机。 图10 自制的双层滤芯4 机箱制作。 同样设计并画好CAD图后,用激光切割成部件。最上一块板件上很多的方形孔,是机器的出风口,分布在机箱左右的上部。 图11 自制新风机箱材料5. 按照设计要求组装,得到机箱的雏形: 图11 新风机箱图中上方的小隔断空间,是安放2个风机的地方,上图是已经装入风机的图片。隔板上的2个圆孔,就是风机进风口,使用工字硅胶密封圈来密封滤芯和风机间的缝隙。风机的出风口在上部腔体的左右边,顶部小圆孔为辅助出风口。 风机选择:目前采用两个12厘米风机,提供最大风量150立方米/小时,可以通过可调直流电源提供无极调速控制风量及噪音。 为保证实际使用的安全,风机金属壳上连接了温度开关,当风机或者风机腔体内温度超过一定值时,会自动掉电,待温度恢复后再自动恢复供电。 图12 新风机采用的双风机6. 将滤芯装入机箱 图13 新风机工作气流示意图中标识了工作时气流的流向,室外空气从机箱底部的开孔进入,一部分直接到达下层滤纸;一部风绕过滤芯底部的空间,到达上层滤纸。它们在风机吸力的作用下,被过滤进入滤芯中部的风道,并经风机-排风口进入室内(蓝色为室外气流,绿色为经过过滤的洁净空气)。 7. 在机箱盖板上装好密封条,同时机箱底部也要安装密封条,以在墙上安装时,密封墙面和机箱的缝隙,一个完整的壁挂新风机就制成了。 图13 完整的新风机(三) 安装示例 从最早的构想,到现在的状况,前后经历了4年的时间,下面按照时间线,分享不同时期、不同的自制新风的安装方式,希望对广大DIY网友能有所帮助。 1. 单层滤芯+外开窗户 这是我自制的第一个真正叫得上新风的东东,最简单也最实用。尽管经历了好几年和好几代的更迭,一直舍不得淘汰。 图14 外开窗户图14是厨房通往生活阳台的外开窗户。当初的设计思路是利用玻璃、窗框和单层滤芯,形成一个闭合的风道,在玻璃上开孔,安装风机。室外空气在风机作用下,经过单层滤芯来过滤有害颗粒物。 将单层滤芯框固定在窗框上,装上滤纸,从外面看是这样的: 图15 单层滤芯+外开窗户-室外部分从室内看是这样的: 图16 单层滤芯+外开窗户-室内部分2. 挂墙安装 这是最典型的安装方式,在墙上开孔通向室外,室内墙面安装新风机箱。 (某人又找到了涂鸦的好地方…) 这也是用木板来制造的好处,每一个新风机都可以是独一无二的 图17 挂墙安装
3. 纱窗框安装 为了弥补因为各种原因,墙上不能开孔的缺憾,经过实验找到了一种在纱窗框上安装机箱的方法。这种方法对于原有物品和结构不做丝毫的改动。 方法是利用原有纱窗框,或者新做一个合适的纱窗框,将机箱固定在纱窗框上,剩余部分用透明亚克力板封住,并做好纱窗框和窗户间缝隙的密封。 图18 在纱窗框上固定机箱将纱窗框安装在窗户导轨上: 图19 纱窗框安装4. 骑窗式安装 楼上小书房,只有一扇小窗,由于室外没有遮雨措施,加上房间狭小,不便墙上开孔。经过冥思苦想,终于找到一种骑窗安装的方式。 图中蓝色虚线为窗户位置,机箱占用小部分,剩余部分用魔术贴+透明PVC布进行密封,以保证书房的采光。使用魔术贴是为了很方便的开关外面的外开窗,同时外开窗可以很好的防雨。 图20 骑窗式安装方式(四) 实际使用效果 前面讲过,有一款密封良好、超大过滤面积的HEPA滤芯,新风机性能想不好都难! 下图是前几天本市遭遇严重雾霾时,测试室外和室内(室内!不是新风出口)空气质量数据的对比。 顺便说说,出风口PM2.5值都不能达到0的新风,绝对不能叫做好的新风。 图21 严重雾霾时室外室内空气质量对比 关键是,通过自己的双手,使家人能健康的呼吸,那种快乐,就是DIY的快乐! |
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