空气净化器摆放位置对细颗粒物去除效果研究

2018-01-19陈琬玥倪沈阳贺梓健

长春工程学院学报（自然科学版） 2017年4期

陈琬玥，白莉，倪沈阳，贺梓健

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

0 引言

近年来，我国雾霾天气频发。即使室内门窗紧闭，在风压作用下室外气流通过外围护结构缝隙渗透进入室内的同时也将室外颗粒物带入。空气净化器是指对空气中的颗粒物、气态污染物、微生物等一种或多种污染物具有一定去除能力的家用和类似用途的电器[1]，可以用来改善室内空气质量。然而，当空气净化器摆放在房间不同位置时会使得室内的气流组织发生改变，从而产生不同的净化效果[2]。

对于粒径≤2.5 μm的可吸入细颗粒物由于其重力沉积作用较小，悬浮时间长，输送距离远，不易被彻底清除[3]。因而，室内的气流组织对细颗粒物的净化效果影响作用偏大。研究表明，PM2.5的计重质量浓度有92%左右集中在1.0～2.5 μm的较大颗粒物区间，粒径≤0.3 μm的颗粒物质量不起关键作用[4]。这表明，对PM2.5质量浓度的测试结果可以较好地反映净化器对1.0～2.5 μm的细颗粒物的净化效果。另有研究显示，我国典型城市雾霾天气下同一时段实际大气尘中的PM2.5在PM10中所占比例较大，且雾霾期PM2.5与PM10质量浓度比值高于非雾霾期[5]，这表明雾霾期PM2.5细粒子的污染更为严重。而艾绒燃烧产生的颗粒物绝大多数是细颗粒物PM2.5[6]。因此，本人选择艾绒为燃烧体置于窗外，模拟室外雾霾条件，使室外污染物仅通过外窗缝隙渗透进入室内并均匀混合后，分别测试空气净化器在不同摆放位置开启时对PM2.5净化效果的影响，从而分析出一种雾霾天气下更有效且节能的净化器摆放方式。

1 研究方法

1.1 计算方法

1.1.1 洁净空气量CADR

CADR反映空气净化器单位时间去除某种空气污染物后所能提供的不含该污染物的空气体积，是表征空气净化器在额定状态和规定的条件下净化能力的参数。洁净空气输出比率越大，净化器的净化效率越高。计算公式为：

CADR=(Ke-Kn)V，

(1)

式中：Ke为开启净化器情况下房间内污染物的总衰减常数，min-1；Kn为不开净化器条件下房间内污染物自然衰减常数，min-1；V为被测房间体积，m3；其中Ke、Kn由式(2)计算，利用自然衰减工况质量浓度变化计算得到的污染物衰减常数K即为Ke，利用总衰减工况下污染物质量浓度变化计算得到的污染物衰减常数即为Kn。

(2)

式中：Ct为污染物某一时刻t的质量浓度，μg/m3；C0为初始时刻t=0时的污染物质量浓度，μg/m3；t为测试时间，min-1。

1.1.2 有效净化效率η

有效净化效率η为单位送风量下的洁净空气量，是空气净化器清除某一种污染物的净化效率：

(3)

式中Q为空气净化器额定风量，m3/h。

1.1.3 气流分布效率η*

气流分布效率是指空气净化器有效净化效率和单通效率的比值。

(4)

式中：η1为空气净化器的单通效率，η1=(Cin-Cout)/Cin，其中Cin为空气净化器进风口污染物质量浓度，μg/m3；Cout为空气净化器出风口污染物质量浓度，μg/m3。

1.1.4 净化能效ηE

净化能效ηE是指空气净化器在额定状态下单位功耗所产生的洁净空气量，单位[m3/(w·h)]。本次实验选择的空气净化器在不同位置开启相同时间产生的耗电量均为0.04 N/(w·h)，净化能效直接反映产品的设计和制造水平。

(5)

式中N为净化器开启的耗电量，N/(w·h)。

1.2 实验环境及器材

本次实验选择了一个长6 m，宽4 m，高4 m的被动房作为实验场所，在西窗外点燃艾绒，使得渗透风仅通过西侧的窗户缝隙进入室内，并从东侧门流出。选取了一台具有高效净化能力的滤网式空气净化器，这台净化器滤网解除传统蜂窝结构，搭载纳米催化技术，使得吸附面积较大，净化效率更高。同时为保证实验精度，本实验选用可以多种粒径探头转换的激光粉尘检测仪，放置于位于房间正中央的三角支架上，支架顶端距离地面1 m。为避免相对湿度对实验结果的影响，房间内布置了1台恒湿器使实验过程中的相对湿度始终保持在40%左右。

实验设备及测点的布置如图1所示。将净化器分别摆放在如图所示的位置A、位置B、位置C对渗透进室内的细颗粒物进行净化测试。

图1 实验设备及测点布置图

1.3 实验过程

1)为保持每组实验的初始条件相同，实验前先开启空气净化器至最高档位风量，待室内颗粒物质量浓度降低至标准规定的颗粒物质量浓度，关闭空气净化器。

2)在西窗外点燃艾绒40 min，充分模拟室外雾霾条件，使得燃烧产物透过外窗缝隙渗透进入室内。

3)分别将净化器摆放在如图1所示的位置A、位置B、位置C处。每组实验都开启净化器至最高档位风量，并同时开启激光粉尘检测仪，连续测定并记录室内细颗粒物的质量浓度30次，每次测定采样时间为1 min，测定完成后，筛选数值大于检测仪器下限的数据点作为有效数据点，并选取筛选后的第一个数据点作为房间内的初始质量浓度C0(t=0 min)。

2 测试结果

2.1 净化器摆放不同位置时的净化效果比较

2.1.1 净化器在不同位置开启对PM2.5的瞬时过滤效率

从图2可以看出，在净化器开启的前10 min内，放置在不同位置的瞬时净化效率大小关系为：ηa>ηb>ηc；在净化器开启10 min后，ηb>ηa>ηc。这可能是以下原因导致。

图2 净化器不同位置开启时对PM2.5瞬时净化效率

在净化器刚开启阶段，窗缝处渗透进入的细颗粒物数量较多，一部分颗粒物在惯性碰撞或与壁面碰撞过程中凝并成较粗的粒子并向下沉降。当净化器在位置A开启时，在靠近窗缝下方形成回旋气流，凝并增大的较粗粒子由净化器进风口吸入，导致净化器在位置A开启的初始阶段对PM2.5过滤效率较大。净化后的空气由净化器顶端的出风口送入室内并随室内气流向上运动，同时带动细颗粒物缓慢上升。受窗口处风速影响，气流在上升的同时还向房间中间区域水平运动。由于速度梯度大，颗粒物几乎不发生扩散，所以一段时间后A区域处颗粒物质量浓度较小，从而使得净化器能够捕捉到的颗粒物也减少，对PM2.5的过滤效率也由此降低。气流到达天花板附近，在房间顶部形成颗粒物质量浓度较高的气流层。受天花板和壁面的阻挡碰撞和颗粒物之间的惯性碰撞凝并，气流有回返现象，绝大部分落于位置B的垂直面附近，位置B附近的颗粒物数量增多，受净化器前方气流扰动，PM2.5更易被卷吸过滤掉，因而当净化器在位置B开启一段时间后，对PM2.5的过滤效率逐渐大于同一时段净化器在位置A开启时对PM2.5的过滤效率。

2.1.2 净化器在不同位置开启时对PM2.5的整体净化效果

将净化器在不同位置开启时分别测得的参数按式(2)～(5)计算，并将计算结果列于表1。从表中可以看出，净化器在不同位置开启时的CADR值大小关系为：CADRb>CADRa>CADRc；有效净化效率ηb>ηa>ηc；净化器在位置B开启时的气流分布效率明显高于位置A和位置C，η2a和η2c仅能达到65%～70%左右，而η2b却能达到80%以上。而从净化能效上来看，净化器在位置B开启时的ηE明显高于在位置A或者位置C。这表明，空气净化器在不同位置开启会造成室内气流组织的不同而影响净化器的净化效果，且对细颗粒物影响作用更大；净化器在位置B开启时对室内气流组织的影响最大，使得整体净化效果最好。

表1 净化器不同位置开启对PM2.5整体净化效果

2.2 净化器在不同位置开启时PM2.5质量浓度衰减变化

从图3中可以看出，当净化器不开启时，PM2.5质量浓度自然衰减程度较小。这是因为渗透风温度高于室温，气流进入室内后向上偏移，尤其对于PM2.5细颗粒物，由于其重力作用小，更不易沉降下来。

从图3中还可以看出，净化器在位置B开启对PM2.5质量浓度净化衰减程度高于位置A，这可能是因为：室内空气在窗缝处流速较大，渗透进室内的颗粒物受到室内外空气温差和室内热源引起的热浮力影响而易从房间底部向上运动。其中PM2.5又有很好的气流跟随性[7]，而净化器进风口又位于机体两侧，故而不易被净化器捕捉过滤掉。而室内空气整体流速较慢，当净化器在位置B开启时，室内气流受到强烈扰动，净化器周围的细颗粒物在风机作用下被净化器过滤掉，同时输出洁净空气，使得PM2.5质量浓度衰减得更快。而净化器在位置C时，PM2.5质量浓度虽然整体上呈下降趋势，但在净化过程中波动很大。位置C靠近门，门外走廊温度低于室内，从门缝渗透进的冷空气下沉，同时室内受热的空气膨胀上升而形成空气对流现象。由此造成净化器入风口和出风口气流分布不均匀而导致PM2.5质量浓度在净化过程中波动很大。

图3 净化器不同位置开启时PM2.5质量浓度衰减曲线

2.3 净化器在不同位置开启时PM2.5质量浓度衰减不同百分比所需时间

分别将净化器在位置A、B、C开启，测得PM2.5质量浓度衰减40%、50%、60%所需的时间并列于表2中。从表中可以看出，当净化器在位置B开启时，PM2.5质量浓度衰减40%，50%，60%所需时间均为最短，在位置C开启时，所需时间均为最长。从图4中可以更直观地看出，净化器在位置B开启时PM2.5质量浓度衰减50%所需时间和净化器在位置A开启时PM2.5质量浓度衰减40%所需时间基本相同，而净化器在位置B开启时PM2.5质量浓度衰减60%所需时间比净化器在位置C开启时PM2.5质量浓度衰减40%所需时间还要短。净化器开启时间越长，消耗的电能越多。因此，当需要净化相同质量浓度的PM2.5时，将净化器放在位置B开启更节能。