Recherche expérimentale et analyse économique de la durée de vie des filtres à air

Abstraction

Des tests ont été effectués sur la résistance et l'efficacité pondérale du filtre, et les règles de changement de la résistance et de l'efficacité de rétention de poussière du filtre ont été explorées, la consommation d'énergie du filtre a été calculée selon la méthode de calcul de l'efficacité énergétique proposée par Eurovent 4/11.

Il s'avère que les coûts d'électricité du filtre augmentent avec la durée d'utilisation et la résistance.

Sur la base de l'analyse du coût de remplacement du filtre, du coût d'exploitation et du coût global, une méthode permettant de déterminer le moment opportun pour remplacer le filtre est proposée.

Les résultats ont montré que la durée de vie réelle du filtre est supérieure à celle spécifiée dans la norme GB/T 14295-2008.

Le moment du remplacement des filtres dans les bâtiments civils en général doit être décidé en fonction des coûts de remplacement du volume d'air et des coûts de consommation d'énergie de fonctionnement.

Présentations

L'influence de la qualité de l'air sur la santé humaine est devenue l'une des questions les plus importantes qui préoccupent la société.

Actuellement, la pollution de l'air extérieur, notamment par les particules fines PM2.5, est très préoccupante en Chine. Par conséquent, le secteur de la purification de l'air connaît un développement rapide et les équipements de purification d'air sont largement utilisés.

En 2017, environ 860 000 systèmes de ventilation et 7 millions de purificateurs d'air ont été vendus en Chine. Avec une meilleure sensibilisation aux PM2.5, le taux d'utilisation de ces équipements de purification devrait encore augmenter, et ils deviendront bientôt indispensables au quotidien. La popularité de ce type d'équipement étant directement liée à son coût d'achat et à son coût d'utilisation, il est essentiel d'en étudier la rentabilité.

Les principaux paramètres du filtre comprennent la perte de charge, la quantité de particules collectées, l'efficacité de filtration et la durée de fonctionnement. Trois méthodes permettent de déterminer le moment opportun pour remplacer le filtre d'un purificateur d'air. La première consiste à mesurer la variation de résistance avant et après le filtre à l'aide d'un capteur de pression. La deuxième consiste à mesurer la concentration de particules à la sortie à l'aide d'un capteur de particules. La troisième méthode repose sur la durée de fonctionnement de l'appareil.

La théorie traditionnelle du remplacement des filtres consiste à équilibrer le coût d'achat et le coût d'exploitation en fonction de leur efficacité. Autrement dit, l'augmentation de la consommation d'énergie est due à l'augmentation de la résistance et du coût d'achat.

comme le montre la figure 1

Figure 1 : courbe de la résistance du filtre et du coût

L'objectif de cet article est d'explorer la fréquence de remplacement des filtres et son influence sur la conception de tels équipements et systèmes en analysant l'équilibre entre le coût énergétique de fonctionnement causé par l'augmentation de la résistance du filtre et le coût d'achat engendré par le remplacement fréquent du filtre, dans des conditions de fonctionnement à faible volume d'air.

1. Tests d'efficacité et de résistance des filtres

1.1 Installation d'essai

La plateforme de test de filtre est principalement composée des éléments suivants : système de conduits d'air, dispositif de génération de poussière artificielle, équipement de mesure, etc., comme illustré sur la figure 2.

Figure 2. Installation d'essai

L'utilisation d'un ventilateur à fréquence variable dans le système de conduits d'air du laboratoire permet d'ajuster le volume d'air de fonctionnement du filtre et ainsi de tester les performances de ce dernier sous différents volumes d'air.

1.2 Échantillon d'essai

Afin d'améliorer la reproductibilité de l'expérience, trois filtres à air du même fabricant ont été sélectionnés. Les filtres de type H11, H12 et H13 étant largement utilisés sur le marché, le filtre H11 a été choisi pour cette expérience. Il s'agit d'un filtre en fibre chimique de type V, à pliage dense, de dimensions 560 mm × 560 mm × 60 mm, comme illustré sur la figure 3.

Figure 2. TestÉchantillon

1.3 Exigences de test

Conformément aux dispositions pertinentes de la norme GB/T 14295-2008 « Filtre à air », outre les conditions d’essai requises par les normes d’essai, les conditions suivantes doivent être incluses :

1) Pendant le test, la température et l'humidité de l'air propre envoyé dans le système de conduits doivent être similaires ;

2) La source de poussière utilisée pour tester tous les échantillons doit rester la même.

3) Avant que chaque échantillon ne soit testé, les particules de poussière déposées dans le système de conduits doivent être nettoyées à l'aide d'une brosse ;

4) Enregistrement des heures de fonctionnement du filtre pendant le test, y compris le temps d'émission et de suspension de la poussière ;

2. Résultats et analyse des tests

2.1 Variation de la résistance initiale en fonction du volume d'air

Le test de résistance initial a été réalisé avec un volume d'air de 80, 140, 220, 300, 380, 460, 540, 600, 711, 948 m3/h.

La variation de la résistance initiale en fonction du volume d'air est illustrée sur la figure 4.

Figure 4.La variation de la résistance initiale du filtre en fonction du volume d'air

2.2 La variation de l'efficacité pondérale en fonction de la quantité de poussière accumulée.

Ce passage étudie principalement l'efficacité de filtration des PM2,5 selon les normes de test des fabricants de filtres. Le débit d'air nominal du filtre est de 508 m³/h. Les valeurs d'efficacité pondérale mesurées pour les trois filtres, sous différentes quantités de dépôt de poussière, sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1. Évolution de l'efficacité d'arrêt en fonction de la quantité de poussière déposée

L'indice d'efficacité pondérale (d'arrêt) mesuré de trois filtres sous différentes quantités de dépôt de poussière est présenté dans le tableau 1.

2.3Relation entre la résistance et l'accumulation de poussière

Chaque filtre a été utilisé pour 9 cycles d'émission de poussière. Les 7 premiers cycles ont été effectués avec une quantité de poussière d'environ 15,0 g, et les 2 derniers avec une quantité d'environ 30,0 g.

La variation de la résistance à la rétention de poussière en fonction de la quantité de poussière accumulée dans les trois filtres sous le débit d'air nominal est illustrée sur la figure 5.

FIG.5

3. Analyse économique de l'utilisation des filtres

3.1 Durée de vie nominale

La norme GB/T 14295-2008 « Filtre à air » stipule que lorsque le filtre fonctionne à sa capacité nominale et que sa résistance finale atteint le double de sa résistance initiale, il est considéré comme ayant atteint sa durée de vie utile et doit être remplacé. Après avoir calculé la durée de vie des filtres dans les conditions de fonctionnement nominales lors de cette expérience, les résultats montrent que la durée de vie de ces trois filtres a été estimée respectivement à 1 674 h, 1 650 h et 1 518 h, soit respectivement 3,4 mois, 3,3 mois et 1 mois.

3.2 Analyse de la consommation de poudre

Le test répété ci-dessus montre que les performances des trois filtres sont cohérentes, le filtre 1 est donc pris comme exemple pour l'analyse de la consommation d'énergie.

FIG. 6 Relation entre la charge électrique et les jours d'utilisation du filtre (volume d'air 508 m3/h)

Comme le coût de remplacement du volume d'air varie considérablement, la somme du coût de remplacement du filtre et de la consommation d'énergie varie également considérablement, en raison du fonctionnement du filtre, comme le montre la figure 7. Sur la figure, le coût global = coût de l'électricité de fonctionnement + coût de remplacement unitaire du volume d'air.

FIG. 7

Conclusions

1) La durée de vie réelle des filtres à faible volume d'air utilisés dans les bâtiments civils est généralement bien supérieure à celle stipulée dans la norme GB/T 14295-2008 « Filtres à air » et recommandée par les fabricants. Cette durée de vie réelle peut être estimée en fonction de l'évolution de la consommation électrique du filtre et du coût de son remplacement.

2) La méthode d'évaluation du remplacement du filtre basée sur des considérations économiques est proposée, c'est-à-dire que le coût de remplacement par unité de volume d'air et la consommation d'énergie de fonctionnement doivent être considérés de manière globale pour déterminer le moment du remplacement du filtre.

(Le texte intégral a été publié dans HVAC, vol. 50, n° 5, pp. 102-106, 2020)