空气净化器性能的实测与分析

杨秀峰，夏利梅，周雪涵

(扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127)

人们大多数时间在室内度过，因此室内空气环境对人体健康的影响较大[1,2].随着大气污染的加剧和雾霾天气的频发，室内悬浮颗粒物浓度常常超标.Smith[3]指出，室内颗粒物污染占室内空气污染的份额高达76%.因此，人们在关注室内温湿度的同时，越来越关注室内空气污染尤其是颗粒物污染的控制和治理.于是，空气净化器的应用日益广泛，未来将具有更大的市场潜力[4].

家用空气净化器的品牌众多、功能和质量参差不齐.现行国家标准GB/T 18801-2015《空气净化器》[5]和相关研究主要利用洁净空气量、累积净化量和净化能效等指标评价空气净化器的性能[6,7].胡晓微等[8]指出了传统评价指标的局限性，提出了单位面积净化量、单位时间净化量及单位面积单位时间净化量等补充性指标.然而，净化效率是影响净化器性能的重要因素，也是最直观、最容易被普通消费者理解的性能指标.

已有研究的测试过程通常是先利用污染物发生器使试验舱内的污染物浓度升至较高水平，再关闭发生器，分别进行净化器关闭和运行条件下室内污染物的自然衰减试验和总衰减试验[5-9].实际上，净化器运行过程中室内通常有持续释放的稳定污染源，因此测试稳定污染源条件下高污染房间(如会议室和棋牌室)内净化器的工作性能更有现实意义.燃香是室内的常见污染源，Cheng等[10]报道了燃香烟雾的动力学特性及其对室内环境的影响，张金萍[11]指出燃香对室内颗粒数的影响主要集中在0.02～1.0 μm之间，后续有研究[12,13]探讨了燃香空气污染的特征，或利用燃香来模拟室内污染源[14,15].本研究以燃香为室内颗粒污染源，在试验舱内测试了一台过滤式空气净化器对悬浮颗粒物的净化性能，分析了不同风量下的净化效率，进而在颗粒物质量守恒模型和实测数据的基础上分析了室内颗粒物浓度的衰减特征和浓度达标所需的时间，可为实际工况下高污染房间内净化器性能的测试、评价及选用提供实践和理论参考.

1 测试过程

试验舱内部尺寸为4.89 m × 3.90 m × 2.68 m(长×宽×高)，面积为19.1 m2，体积为51.1 m3.试验舱壁面材质为彩钢板，测试前先进行清洁，以消除壁面沉积颗粒物的影响.舱内距地面0.8 m处放置了4盘点燃的蚊香，模拟均匀释放颗粒物的室内污染源；天花板处设置2台吊扇(直径70 mm，扇叶5片，功率20 W)，测试过程中保持运转，可使舱内污染物分布接近均匀；一台崭新的空气净化器放置在试验舱地面中心，四周无其他物体，过滤单元非常清洁.颗粒物浓度由TSI DUSTTRAK-8530粉尘仪测得，舱内温度和湿度由SwemaAir300多功能气流测试仪测得，净化器循环风量由TSI 8375M套帽式风量罩测得.试验舱平面布置见图1.

图1 试验舱平面布置Fig.1 Configuration of the test chamber

测试过程按以下步骤进行：

(a) 关闭试验舱门窗，点燃蚊香，开启吊扇，使舱内颗粒物逐渐混合均匀，记录舱内温度和湿度；

(b) 吊扇搅拌5 min后沿试验舱对角线测量离地1.2 m、间隔2.0 m的3个位置处的PM2.5和PM10浓度，分别取平均值为该时刻舱内的PM2.5和PM10浓度，5 min后进行下一组测试，共测试10组，耗时50 min；

(c) 开启空气净化器，间隔几分钟测试一组颗粒物浓度数据(包括舱内浓度、净化器进风口和出风口浓度)；

(d) 分别测量净化器高、中、低档的循环风量；

(e) 关闭空气净化器，记录试验舱内的温湿度.

测试过程主要分为2个阶段，步骤a)和b)为颗粒物发生量测试阶段，步骤c)为空气净化器性能测试阶段.测试过程中，蚊香始终点燃，持续释放颗粒物；吊扇保持运行，以充分搅拌舱内空气.

2 测试结果及分析

2.1 颗粒物发生量

图2给出了蚊香点燃、净化器关闭阶段(0～50 min)试验舱内的颗粒物浓度变化.由于试验舱为密闭空间，且净化器未启动，故舱内颗粒物浓度不断上升.试验舱内的颗粒物质量守恒方程为

(1)

式中，c为颗粒物浓度，μg/m3；t为时间，s；M为颗粒物发生量，μg/s；V为试验舱体积，m3.

由(1)式可以得到颗粒物的瞬时浓度为

(2)

式中：c0为颗粒物初始浓度，μg/m3.

图2 颗粒物发生量测试Fig.2 Test of particulate generation rate

因此，对测得的颗粒物浓度数据进行线性拟合，所得直线的斜率即为M/V，进而可推算出4盘燃香的颗粒物发生量M分别为2.67 μg/s(PM2.5)和3.60 μg/s(PM10)，即每盘蚊香的PM2.5和PM10发生量分别为0.67 μg/s和0.9 μg/s. 图2中的水平虚线对应着《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002[16]规定的室内PM10浓度限值150 μg/m3，由图可知4盘燃香同时点燃20分钟后室内颗粒物浓度即会超标.

2.2 低档风量净化效果

实测得到的空气净化器高、中、低档循环风量分别为735 m3/h、400 m3/h和200 m3/h，对应的换气次数分别为14.4次/h、7.8次/h和3.9次/h，下文给出了低档和高档风量条件下净化器测试结果.颗粒物发生量测试完成后开启空气净化器，蚊香继续燃烧，试验舱内的颗粒物浓度逐渐降低.图3给出了净化器低档风量下试验舱内PM2.5和PM10的浓度变化情况.

图3 低档风量下试验舱内的颗粒物浓度变化Fig.3 Variation of particulate concentration in test chamber for small air rate of air cleaner

假设试验舱内颗粒物均匀分布，不考虑粒子沉降，则净化过程中室内颗粒物质量守恒方程为

Mdt-Qcdt=Vdc

(3)

式中：Q为净化器循环风量，m3/s；η为净化器对颗粒物的一次净化效率.

净化过程中舱内颗粒物的瞬时浓度为

(4)

式中：c′0为净化器启动时(图2中的50 min)的舱内颗粒物浓度，μg/m3；Qη/V为衰减常数(1/s)，在风量Q和体积V已知时仅取决于一次净化效率η；Qη表示净化器提供洁净空气的速率，相当于国家标准中的洁净空气量CADR[5,9,17,18].

因此，将测得的颗粒物浓度数据拟合为指数函数，由函数的衰减常数可推算出一次净化效率η.根据图3的拟合结果推算得到的净化器低档风量对应的一次净化效率分别为54.3%(PM2.5)和56.6%(PM10).

所测空气净化器的进风口位于机器下部，出风口分别位于机器上部和左右两侧.实验过程中，分别测得了净化器进风口和出风口处的颗粒物浓度，可据此计算出局部净化效率ηi和平均净化效率ηa,公式如下：

(5)

净化器低档风量条件下，实测得到的各出风口处的净化效率如表1所示，表中的平均净化效率ηa与图3中曲线拟合得到的衰减常数导出的一次净化效率η吻合较好，这说明(3)式关于室内颗粒物均匀分布且忽略粒子沉降的假设是合理的.

表1 低档风量下的净化效率

2.3 高档风量净化效果

低档风量净化过程测试结束后，关闭净化器，蚊香继续燃烧，使试验舱内的颗粒物浓度上升至较高水平后再次开启净化器，进行高档风量下的净化性能测试，结果见图4.将测试数据拟合为指数衰减曲线，并根据衰减常数推算出净化器对PM2.5和PM10的一次净化效率分别为57.4%和60.3%.

图4 高档风量下试验舱内的颗粒物浓度变化Fig.4 Variation of particulate concentration in test chamber for large air rate of air cleaner

由高档风量下净化器进、出风口处的颗粒物浓度算得的净化效率如表2所示，其结果与图4中拟合曲线的衰减常数对应的一次净化效率非常接近.

表2 高档风量下的净化效率

对比高、低风量的测试结果可以发现，前者对应的一次净化效率比后者约高4%，这是因为该净化器的颗粒物净化机理为机械捕集，故风速越大，拦截效应越强，一次过滤效率越高[17].表1和表2还表明，净化器上部过滤装置和侧边过滤装置的净化效率相差不大，前者比后者略高.

根据净化器的风量和净化效率可以计算得到洁净空气量CADR为449.82 m3/h，为标称值(538 m3/h)的83.6%，低于国标GB/T 18801-2015规定的洁净空气量实测值不应低于标称值90%的要求.该净化器高档风量下的额定功率为75 W，净化能效为5.998 m3/(W·h)，国标GB/T 18801-2015规定对颗粒物的净化能效η颗粒物≥ 5 m3/(W·h)为高效级，故本净化器属于高效级.

2.4 浓度衰减方程

(4)式表明，若已知颗粒物发生量M、净化器循环风量Q、一次净化效率η、房间体积V和室内颗粒物初始浓度c′0，可以得到空气净化过程中室内颗粒物浓度的衰减规律.本文在线性拟合得到的颗粒物发生量M和净化器进、出风口处实测浓度得到的平均净化效率ηa的基础上，导出了净化过程中颗粒物浓度的衰减方程，并与试验舱内实测浓度拟合得到的衰减方程(见图3和图4)进行对比，见表3.

表3 颗粒物浓度衰减方程

由表3可知，两种方法得到的颗粒物浓度衰减方程的衰减常数吻合较好，这是因为两种方法对应的净化效率非常接近.但是，两类衰减方程的常数项差别较大(尤其是低档风量工况)，主要是由于净化器开启一段时间后才能到达稳定状态，从而可能导致拟合曲线的起点偏移.总体来说，两种方法得到的衰减方程均能正确反映净化过程中室内颗粒物浓度的衰减特征.

2.5 浓度达标所需时间

由式(3)可知，若室内颗粒物发生量M

(5)

图5以c′0=450 μg/m3、Qη=450 m3/h为例，给出了不同的单位面积污染物释放量m和房间面积A的条件下，从净化器开始工作到颗粒物浓度降至达标浓度所需的时间，图中的54 m2为该净化器标称的适用面积. 图5表明，m或A越大，室内颗粒物浓度达标所需的时间越长.3条曲线的最右侧点分别对应着3个房间的单位面积污染物释放量m的最大值，如果m超过该值，该台净化器无法使室内浓度降至达标浓度.由此可见，净化器的适用面积不仅取决于净化性能Qη，还与初始浓度c0′、单位面积污染物释放量m有关，高污染房间的净化器选用应综合考虑上述因素.

图5 室内污染物浓度达标所需的时间Fig.5 Time needed for reducing the particulate concentration to the standard

3 结论

本研究测试了试验舱内污染源稳定散发条件下空气净化器对悬浮颗粒物的净化性能，分析了不同风量下净化器的净化效率和室内颗粒物浓度的衰减特性，可为实际工况下高污染房间内净化器性能的测试和评价提供实践和理论参考.主要研究结论如下：

(1) 燃香可持续稳定地散发颗粒物，每盘蚊香的PM2.5和PM10发生量分别为0.67 μg/s和0.9 μg/s；

(2) 由净化器进、出风口处的颗粒物浓度计算得到的净化效率与室内颗粒物浓度拟合曲线推算的净化效率吻合较好；

(3) 该款净化器低档和高档风量条件下测得的PM2.5净化效率分别为55.1%和59.4%，PM10净化效率分别为57.2%和61.2%，高档风量对应的一次净化效率比低档风量对应的一次净化效率约高4%；

(4) 由颗粒物发生量和测得的净化效率导出的颗粒物浓度衰减方程与室内颗粒物浓度数据拟合得到的浓度衰减方程均能准确反映净化过程中室内颗粒物浓度的指数衰减特征；

(5) 净化器适用面积不仅取决于净化性能，还与初始浓度、单位面积污染物释放量有关，高污染房间的净化器选用应综合考虑上述因素.