Investigación experimental y análisis económico de la vida útil de los filtros de aire

Abstracción

Se realizaron pruebas sobre la resistencia y la eficiencia de peso del filtro, y se exploraron las reglas de cambio de la resistencia y la eficiencia de retención de polvo del filtro; el consumo de energía del filtro se calculó de acuerdo con el método de cálculo de eficiencia energética propuesto por Eurovent 4/11.

Se ha comprobado que los costes de electricidad del filtro aumentan con el incremento del tiempo de uso y la resistencia.

Basándose en el análisis del coste de sustitución del filtro, el coste operativo y el coste total, se propone un método para determinar cuándo debe sustituirse el filtro.

Los resultados mostraron que la vida útil real del filtro es superior a la especificada en GB/T 14295-2008.

El momento de la sustitución de los filtros en edificios civiles en general debe decidirse en función de los costes de sustitución del volumen de aire y los costes de consumo energético del funcionamiento.

Introducciones

La influencia de la calidad del aire en la salud humana se ha convertido en uno de los temas más importantes que preocupan a la sociedad.

Actualmente, la contaminación atmosférica exterior, representada por las PM2.5, es muy grave en China. Por consiguiente, la industria de la purificación del aire se desarrolla rápidamente y los equipos y purificadores de aire se utilizan ampliamente.

En 2017, se vendieron en China aproximadamente 860 000 sistemas de ventilación y 7 millones de purificadores de aire. Con una mayor concienciación sobre las PM2.5, se prevé que el uso de equipos de purificación aumente aún más, convirtiéndose pronto en un elemento indispensable en la vida cotidiana. La popularidad de este tipo de equipos está directamente relacionada con su precio de compra y su coste de funcionamiento, por lo que resulta fundamental analizar su rentabilidad.

Los parámetros principales del filtro incluyen la caída de presión, la cantidad de partículas recolectadas, la eficiencia de recolección y el tiempo de funcionamiento. Se pueden emplear tres métodos para determinar el momento óptimo para el reemplazo del filtro del purificador de aire. El primero consiste en medir el cambio de resistencia antes y después del filtro mediante un sensor de presión; el segundo, en medir la densidad de partículas en la salida mediante un sensor de partículas; y el tercero, en medir el tiempo de funcionamiento del equipo.

La teoría tradicional sobre la sustitución de filtros busca un equilibrio entre el coste de adquisición y el coste de funcionamiento en función de la eficiencia. En otras palabras, el aumento del consumo energético se debe al incremento de la resistencia y del coste de adquisición.

como se muestra en la Figura 1

Figura 1: Curva de resistencia del filtro y costo

El objetivo de este artículo es explorar la frecuencia de reemplazo de filtros y su influencia en el diseño de dichos equipos y sistemas, analizando el equilibrio entre el costo de energía operativa causado por el aumento de la resistencia del filtro y el costo de adquisición producido por el reemplazo frecuente del filtro, bajo la condición de operación de un volumen de aire pequeño.

1. Pruebas de eficiencia y resistencia del filtro

1.1 Instalación de pruebas

La plataforma de prueba de filtros se compone principalmente de las siguientes partes: sistema de conductos de aire, dispositivo generador de polvo artificial, equipo de medición, etc., como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Instalación de pruebas

Se adoptó un ventilador con convertidor de frecuencia en el sistema de conductos de aire del laboratorio para ajustar el volumen de aire operativo del filtro y, de este modo, probar el rendimiento del filtro con diferentes volúmenes de aire.

1.2 Muestra de prueba

Para mejorar la reproducibilidad del experimento, se seleccionaron tres filtros de aire del mismo fabricante. Dado que los filtros de tipo H11, H12 y H13 son ampliamente utilizados en el mercado, en este experimento se empleó un filtro de grado H11, con dimensiones de 560 mm × 560 mm × 60 mm, de fibra química tipo V de plegado denso, como se muestra en la Figura 3.

Figura 2. PruebasMuestra

1.3 Requisitos de prueba

De conformidad con las disposiciones pertinentes de la norma GB/T 14295-2008 “Filtro de aire”, además de las condiciones de ensayo requeridas en las normas de ensayo, se deben incluir las siguientes condiciones:

1) Durante la prueba, la temperatura y la humedad del aire limpio enviado al sistema de conductos deben ser similares;

2) La fuente de polvo utilizada para probar todas las muestras debe seguir siendo la misma.

3) Antes de analizar cada muestra, se deben limpiar con un cepillo las partículas de polvo depositadas en el sistema de conductos;

4) Registrar las horas de funcionamiento del filtro durante la prueba, incluyendo el tiempo de emisión y suspensión del polvo;

2. Resultados y análisis de la prueba

2.1 Variación de la resistencia inicial con el volumen de aire

La prueba de resistencia inicial se llevó a cabo con un volumen de aire de 80, 140, 220, 300, 380, 460, 540, 600, 711, 948 m3/h.

La variación de la resistencia inicial con el volumen de aire se muestra en la FIG. 4.

Figura 4.La variación de la resistencia inicial del filtro bajo diferentes volúmenes de aire

2.2 Cambio de la eficiencia de peso con la cantidad de polvo acumulado.

Este apartado estudia principalmente la eficiencia de filtración de PM2.5 según los estándares de prueba de los fabricantes de filtros. El volumen de aire nominal del filtro es de 508 m³/h. Los valores de eficiencia ponderada medidos para los tres filtros bajo diferentes cantidades de deposición de polvo se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Variación de la detención con la cantidad de polvo depositado.

En la Tabla 1 se muestra el índice de eficiencia de peso (retención) medido de tres filtros bajo diferentes cantidades de deposición de polvo.

2.3La relación entre la resistencia y la acumulación de polvo

Cada filtro se utilizó para 9 emisiones de polvo. Las primeras 7 emisiones individuales se controlaron a aproximadamente 15,0 g, y las últimas 2 a aproximadamente 30,0 g.

La variación de la resistencia a la retención de polvo en función de la cantidad de polvo acumulado en los tres filtros bajo el flujo de aire nominal se muestra en la figura 5.

FIG. 5

3. Análisis económico del uso de filtros

3.1 Vida útil nominal

La norma GB/T 14295-2008 «Filtros de aire» estipula que cuando el filtro funciona a su capacidad nominal de aire y la resistencia final alcanza el doble de la resistencia inicial, se considera que el filtro ha llegado al final de su vida útil y debe reemplazarse. Tras calcular la vida útil de los filtros en condiciones de funcionamiento nominales en este experimento, los resultados muestran que la vida útil estimada de estos tres filtros fue de 1674, 1650 y 1518 horas, respectivamente, lo que equivale a 3,4, 3,3 y 1 mes, respectivamente.

3.2 Análisis del consumo de polvo

La prueba repetida anterior muestra que el rendimiento de los tres filtros es consistente, por lo que el filtro 1 se toma como ejemplo para el análisis del consumo de energía.

FIG. 6 Relación entre el cargo de electricidad y los días de uso del filtro (volumen de aire 508 m3/h)

Dado que el coste de reposición del volumen de aire varía considerablemente, la suma del coste de sustitución del filtro y el consumo de energía también varía considerablemente, debido al funcionamiento del filtro, como se muestra en la figura 7. En la figura, el coste total = coste de electricidad de funcionamiento + coste de reposición del volumen de aire unitario.

FIG. 7

Conclusiones

1) La vida útil real de los filtros con bajo volumen de aire en edificios civiles comunes es mucho mayor que la estipulada en la norma GB/T 14295-2008 «Filtros de aire» y la recomendada por los fabricantes actuales. La vida útil real del filtro puede calcularse en función de la variación del consumo energético y el coste de sustitución.

2) Se propone el método de evaluación del reemplazo del filtro basado en consideraciones económicas, es decir, se debe considerar integralmente el costo de reemplazo por unidad de volumen de aire y el consumo de energía de funcionamiento para determinar el momento de reemplazo del filtro.

(El texto completo se publicó en HVAC, Vol. 50, No. 5, pp. 102-106, 2020)