空气净化器综合性能分析

2018-11-26张美玲

吉林建筑大学学报 2018年5期

白莉张美玲

(吉林建筑大学市政与环境工程学院,长春 130118)

0 引言

20世纪90年代以前,我国居民所关注的建筑室内污染物主要是由于人员活动(如吸烟、燃煤、烹调等)引起的SO2,CO2,到90年代末期,随着建筑装修行业的兴起,以装饰装修材料释放的甲醛为代表的气态污染物成为室内污染的最大源头.近年来,中国秋冬季雾霾时有发生,PM2.5等颗粒物已成为新的“隐形杀手”[1],特别是在北方地区,严重影响人们的健康.最初人们在雾霾天气选择关闭门窗躲避危害,然而效果并不理想,因为室外大气颗粒物浓度与室内的呈正相关,颗粒物会通过门窗缝隙和新风系统进入室内,另外室内建筑装饰装修材料自身散发气态污染物,如甲醛、氡、苯系物等[2],还有人为活动如抽烟、烹饪等都会造成室内污染物浓度超标.鉴于这种情况,多采用“净化器+自然通风”和“过滤器+机械通风”的方式来保障室内空气品质[1],“净化器+自然通风”的方式应用更为普遍,空气净化器逐渐成为家用必备电器之一.

空气净化器是指能够吸附、分解或转化各类空气污染物(主要包括雾霾产生的PM2.5等颗粒物、挥发性气体污染物如甲醛等以及细菌微生物),有效提高空气清洁度的家电产品,其中室内污染物包括:PM2.5、甲醛、苯、二手烟、油烟异味、细菌病毒等.从采用的技术方面,空气净化器可划分为3大类,过滤式、电净化式、复合式空气净化器,本文对市面在售空气净化器的洁净空气量(Clean air delivery rate,英文缩写为 CADR,用作以下简称)、累积净化量(Cumulate clean mass ,英文缩写为CCM,用作以下简称)、净化能效等级和噪音等4个指标与《空气净化器》标准做了对比分析.

1 空气净化器主要评价指标

依据2015年新国标《空气净化器》,优良的空气净化器具有以下条件:高CADR、高CCM、高净化能效和低噪音,即“三高一低”的选择标准.

1.1 洁净空气量(CADR)

CADR是衡量空气净化器净化效率的指标,与使用面积有关,CADR越高,表示净化器去除污染物的效果越好.

1.2 累积净化量(CCM)

CCM是指净化器在特定的实验条件下运行一段时间后,CADR衰减至初始CADR的50%时,此空气净化器累积净化的室内污染物总量(单位为mg),净化器的CCM越大,可净化的污染物越多,过滤网的寿命越长,但过滤器的寿命也取决于污染物的初始浓度、净化器的风量和运行时间等因素,实际使用过程中,用户应及时更换滤网,避免造成二次污染.

表1表示净化器对颗粒物CCM的评价,但当实测颗粒物CCMMPM<3 000mg时,不对其进行CCM评价.

表2表示净化器对典型气态污染物甲醛CCM的评价,但当实测典型气态污染物甲醛CCM即MF<3 000mg时,不对其进行CCM评价.

表2 净化器对典型气态污染物甲醛CCM的评价[3]Table 2 CCM of typical gaseous pollutant formaldehyde evaluation by purifier

1.3 净化能效

优质的净化器不仅净化效率高,而且能耗低,净化能效是一个非常重要的考量指标,它是指净化器的CADR实测值与输入功率实测值的比值,颗粒物和气态污染物的净化能效等级划分见表3.

表3 颗粒物和气态污染物的净化能效等级Table 3 Level of purifyingenergy efficiency of particulate matter and gaseous pollutants

净化器的净化能效按式(1)计算:

(1)

式中,η为净化能效,m3/(W·h);Q为CADR实测值,m3/h;P为输入功率实测值,W.

1.4 噪声

我国规定的空气净化器在运行时的噪声与CADR息息相关,CADR越大,对应的噪声越大,表4列出了CADR实测值与噪声实测值的对应关系,国标中的噪声指的是声功级而非声压级,声压级的数值随距离的改变而改变,是一个不确定值,用户在购买净化器时要注意区分.

表4 CADR对应的噪声值Table 4 The noise value corresponding to CADR

2 空气净化器性能参数分析

2.1 空气净化器性能对比分析

2017年净化器销量如图1所示.由图1可知，进口品牌占据着净化器的主要市场,以上9款销量占优的净化器涵盖了中国、欧洲、日本、韩国多个国家的品牌净化器,净化方式多样,基本上采用了几乎所有净化技术,具有一定的代表性.

本文以图1所列9款净化器为目标进行对比分析,结果见表5.

图1 2017年空气净化器销量占比图Fig.1 Proportion of air purifier sales in 2017

由表5可见, CADR大的空气净化器更受欢迎,市面在售空气净化器普遍为高效净化器,风量以300m3/h～500m3/h居多,颗粒物的CADR较高,由此可见净化器普遍以去除颗粒物为主,针对室内装饰装修材料产生的颗粒污染物进行去除;

以净化甲醛和苯为辅,针对城市工业污染、冬季燃煤和汽车尾气产生的臭氧、二氧化硫和二氧化氮进行净化,部分品牌净化器标识了相应的CADR检测值,但可去除的颗粒物主要是PM2.5,只有少数净化器可去除PM0.3及粒径更小的颗粒物.

广义PM2.5包括狭义PM2.5(粒径0.3μm～2.5μm)和PM0.3(粒径<0.3μm),调查发现净化效率达99%以上的净化器针对的是狭义PM2.5,而PM2.5中PM0.3约占95 %,粒径约为头发丝1/200,被称为最具穿透力的粒子,悬浮在空气中的时间长,与空气中的有机污染物、重金属、细菌和病毒等相结合,经呼吸系统进入人体肺部,可穿透肺泡进入人体血液或直接通过皮肤进入血液,参与人体代谢,危害人体呼吸、免疫和循环系统.

此外，有研究表明,PM0.3和白血病、鼻癌、脑瘤、结肠癌等疾病也有一定关联性,因此，应重视PM0.3的去除.

目前，对颗粒物的去除主要还是先经滤网过滤净化,再将净化后的空气送入室内,达到去除室内污染物的目的,空气净化器多采用高效空气微粒(High efficiency particulate air,英文缩写为HEPA)过滤网,该过滤网对不同粒径颗粒物其过滤机制也不同,如依靠惯性碰撞和重力作用去除大颗粒物;因粒径越小,布朗运动越强烈,滤网越容易捕集超细颗粒物(PM0.1);由于不受范德华力和布朗运动的影响,最难去除PM0.3.因此,净化器如可去除PM0.3,则常见颗粒物PM10，PM2.5和PM0.1均可有效去除.

表5 空气净化器主要性能参数对比Table 5 Comparison of main performance parameters of air purifiers

2.2 空气净化器所用净化技术分析

我国目前室内污染物分为3类:颗粒物(PM2.5,PM10及粒径小于0.3μm的超细颗粒物)、气态污染物(如甲醛、VOC,TVOC、苯及苯系物、氡等)、生物污染物(细菌、病毒等),针对上述3种类型的污染物,主要去除技术各不相同.去除颗粒物的技术有:过滤、静电除尘和负离子;去除气态污染物的技术有:吸附、化学络合、化学催化、光催化、等离子体;去除微生物污染的技术有:光催化、紫外线、负离子、等离子、臭氧[4].主要类型空气净化器采用的净化技术见表6所示.

表6 不同品牌空气净化器所用净化技术Table 6 Purification technnics used in different trademark air purifiers

续表6

空气净化器按原理可分为4类,它们分为吸附、过滤、静电、光催化和上述3种的组合变形式[5].机械滤网过滤式空气净化器,其核心部件为滤网,一般至少由三层滤网组成,最外层为前置滤网(也称初效滤网),用于去除空气中大颗粒灰尘、宠物毛发、纤维等,也是延长后两层滤网使用寿命的必要条件,由微米网状的滤网层组成,其次是功能性滤网,如专用除甲醛滤网、集尘脱臭滤网、HEPA高效滤网,还有附加功能滤网,如加湿滤网等,过滤净化机理为颗粒物依次经过三层滤网,通过拦截、碰撞、扩散、重力沉降等物理作用,将空气中污染物截留,而后将净化后的新鲜空气通过风机送到室内,滤网过滤式空气净化器的缺点是后期滤网需要经常更换,后期投资多,建议主滤网6个月更换一次,而活性炭滤网1～2个月就需要更换,室内污染严重时滤网寿命更短,居民应及时更换以免造成二次污染.

静电集尘式空气净化器利用电晕放电的原理,使粉尘离子带电,然后借助库仑力的作用,将其捕集在集尘装置上,从而达到去除颗粒物的目的.研究发现静电集尘式空气净化器可去除小粒径颗粒物,对自然菌的消除效果良好[6],滤网为可清洗式,后期维护花费较滤网式少,缺点是对甲醛、苯、氨等气体污染物净化效果不明显,且会产生副产物臭氧[7].

光催化式空气净化器的原理是通过紫外灯照射,以二氧化钛(TiO2)为催化剂,将有机气态污染物分解为对人体无害的CO2和H2O,应用前景广阔,但后来的研究发现,催化过程中的不完全反应会导致催化剂失活且产生对人体有毒有害的污染物,如醛、酮、NO2,O3等,另外光催化式净化器对悬浮颗粒物去除效果不好.

另外,发现相对湿度和空气净化器的摆放位置等因素对室内外PM2.5浓度有一定的影响,在相对湿度为35%～60%的范围内,滤网式空气净化器的净化效果随着相对湿度的增加而增加,对于静电吸附式空气净化器,净化效果随着相对湿度的增加而减小,当空气净化器放置在上下风向处,净化效果均较差,放置在侧风向时净化效果最好[8],这为居民选择和使用净化器提供了参考.

2.3 空气净化器存在的问题分析

2.3.1 副作用

过滤式净化器需要定期更换滤网,马聪兴等人测试65台家用空气净化器过滤器滤膜前后面细菌污染情况,研究发现两者之间呈正相关关系[9],过滤膜后的微生物随气流送入室内,产生二次污染,而且带有加湿功能的净化器更是容易滋生微生物.另外静电除尘式净化器运行时会产生一定量的臭氧,研究发现臭氧具有杀灭微生物、去除化学污染物的功能,但电离空气产生的臭氧浓度超过0.1mg/m3会对环境造成二次污染[10],危害人体健康.

表7 我国空气净化器在卧室和起居室(厅)的允许噪声Table 7 Permissible noise of air purifiers in bedrooms and living rooms(halls) in China

2.3.2 噪声

声污染也是一个不容忽视的问题,由表7可见,我国对净化器常用于客厅和卧室以保证空气质量,起居室(厅)、卧室昼间允许最大噪声为45dB,卧室夜间以不超过37dB为宜,而市面在售家用净化器最大风量运行时,噪声普遍为60dB左右,明显会损害人们的健康.居民习惯把空气净化器放在床边,保证夜晚空气品质,而噪声的影响,居民只能选择将其放在较远的位置,因此,净化效果反而大打折扣.

2.3.3 适用面积以及净化器命名标注不规范

空气净化器的适用面积是居民购买空气净化器的又一考量指标,目前市面在售空气净化器的这一指标是厂家出厂标注的,调研发现某些厂家的同一款产品在中国市场标注的适用面积明显比美国市场的大很多[11],建议此数据由权威第三方检测机构给出,厂家不得随意修改,以方便居民选择,2015年《空气净化器》标准中规定空气净化器的适用面积S与洁净空气量(CADR)Q成正比,即S=(0.07～0.12)×Q.该标准规定净化器的命名方式由4部分组成即:KJ(空气净化器)+ 洁净空气量(单位为m3/h)+ 工作原理(G-过滤式、D-电净化式、F-复合式、Q-其他形式)+ 系列代号,如表1所示的亚都(Yadu)净化器KJ500G-S5表示洁净空气量为500m3/h、过滤式、S系列第5款净化器.调研发现只有少数品牌净化器依照上述标准的命名方式,表1中所列净化器,只有亚都(Yadu)和三星(Samsung)与上述命名方式一致,标准中的命名方式直观地体现了洁净空气量和运行方式.