基于试验验证的家用新风机净化性能评价方法

张维超 张晓 郭侃 李轶 陈扬 刘皓男

1.中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176；2.中国家用电器研究院 北京 100053

0 引言

当室外空气质量糟糕时，居民会将住宅的门窗长期置于关闭状态以隔绝室外空气污染物，但同时也限制了自然通风，导致CO2和异味在室内不断累积，陷入新鲜空气供给的困局。此外，国内大多数建筑物的密闭性并不理想，室外空气中的颗粒物仍会通过门窗的缝隙渗透到室内[1]，进一步降低室内空气质量。空气净化器能有效去除空气中颗粒污染物，但若不及时更换滤网，容易引发异味和二次污染问题[2]。通过机械通风，将过滤后的新风灌入室内，是改善室内空气质量的另一有效手段。相比空气净化器，家用新风机除了在源头上过滤去除典型的颗粒物污染物外，还通过室内外空气置换来调节室内CO2的含量和其他化学污染物，并将由吸烟、烹调以及人体代谢等日常活动引发的异味及难以去除的气态污染物排到室外[3-6]，是空气净化器所不具备的功能。家用新风机已成为继空气净化器之后又一新兴家用空气净化产品，是应对住宅室内空气质量“内外交困”局面的有效手段。

随着家用新风机需求的兴起，国内市场上涌现出的新风机产品种类日益增多，并且结构复杂多样，但是缺少统一的参数用于产品间的性能对比，消费者在选购时存在严重的盲目性。洁净空气是室内空气净化产品给用户最直接的感受，因而洁净空气量（CADR）或洁净新风量（CADRF）是评价设备净化性能最广泛采用的指标，能直接反映其净化能力大小，被作为空气净化器和家用新风机净化性能的参数。关于空气净化器的净化性能测试，国内外已有成熟的方法和标准，大多基于衰减法，通过数据回归算出污染物在密闭试验舱内的衰减系数k，进而求得污染物的CADR值[7]。需要注意的是，上述过程中的试验舱始终处于密闭状态，不涉及与外界大气环境进行物质交换的过程。家用新风机则不同，其就是要通过室内外空气交换来净化室内空气，若室外空气中存在着某种污染物，目标污染物会随着室内外气体交换而不断迁移，不宜用上述衰减法获取相关净化性能指标。

从新鲜空气获取方式来看，新风机与管道式通风机相似，但后者结构与风量往往较大，在中国家庭中很少使用。此外，管道式通风机的污染物净化性能评价是通过标准化风道上下游污染物浓度下降的比例来衡量[8]，单次过滤效率会受到温/湿度、新风停留时间、污染物初始浓度等环境因子影响，而洁净新风量是由过滤效率和新风风量共同决定。对于颗粒物，随着滤网容尘量的增加，空气阻力加大，但是风机的工作状态不变，新风风量则有所下降，洁净新风量下降；对于气态污染物，随着吸附量增大，单次过滤效率下降，洁净新风量也会下降。仅通过上述测得的单次净化效率用于净化性能评价难以真实体现家用新风机给用户带来的洁净新风感受。事实上，室外空气中若存在某种污染物，其浓度必然相对恒定，更适宜基于稳态法对目标污染物进行质量衡算来评价家用新风机的净化性能[9]。

本研究中，基于稳态法构建了家用新风机净化性能测试试验模拟舱，对家用新风机在用户室内现实环境进行模拟，以体现消费者实际新风感受[10]。通过对室内污染物质量浓度进行衡算，构建出室内污染物净化效率计算方程。针对同种型号和不同型号的家用新风机（如：A型单向流和B型双向流新风机），用上述试验模拟舱和试验方法对其净化性能进行测试，并作数据对比，测试结果一致性高。此外，将污染物稳态控制模型对不同类型新风机的适用性进行分析，所得到的测试结果稳定、可靠。

1 模拟试验舱与方法

1.1 模拟试验舱及参数

家用新风机净化性能测试系统包括3个主要部分：送风段、试验舱和排风段。送风段负责向试验舱提供稳定浓度的室外污染物，由颗粒物过滤器、气态污染物净化装置、加湿器、送风机、污染物投放装置、风量测试装置等构成。试验舱内安装新风机，模拟新风机安装后的家居环境。包括81 m³、30 m³、3 m³三种体积的试验舱，试验舱的相关参数符合QB/T 5364—2019《空气净化器测试用试验舱技术要求和评价方法》的要求。排风段负责将试验舱内的污染物向外排出，模拟家居环境的漏风，同时来控制试验舱内稳定的压差，即微正压。排风段主要由辅助排风机构成。测试装置示意图如图1[11]所示。

图1 家用新风机净化性能模拟试验舱测试装置

1.2 试验方法

试验时，将待测新风机放置于模拟试验舱内，关闭试验舱门，打开新风机和辅助风机，调节至试验舱内的压差测点P3为（5～7）Pa；关闭新风机和辅助风机，打开搅拌风扇，使用气溶胶发生器发生10%的氯化钾（KCl）溶液往试验舱内通入颗粒物，测试颗粒物粒径为（0.3～10）μm，当舱内浓度高于105个/L时，关闭舱内污染物投放装置，本底投入完成后打开新风机和辅助风机使P3维持（5～7）Pa；同时快速打开送风段处的舱外污染物投放装置位置，持续发生污染物，发生浓度应在2×105个/L～2×106个/L范围内，使用粒子计数器持续监测试验舱内和进风口颗粒物浓度；测试时间最长为20 min，结束时刻以104个/L与20 min为依据，以先达到者为结束点；测试完成后通过质量守恒方程公式拟合计算新风机的净化效果，计算公式详见公式（1）、公式（2）和公式（3），结果以新风净化率和洁净新风量表示[11]。

依据舱内污染物质量守恒：单位时间中模拟舱外引入的室外污染物量，减去单位时间从模拟舱内去除或稀释净化的污染物量，等于单位时间模拟舱内污染物的变化量。据此列出，舱内污染物变化的方程如公式（1）：

式中：

C-试验舱内浓度，单位为微克每立方米（μg/m3）；

t-测试时间，单位为小时（h）；

QF-进风量，单位为立方米每小时（m3/h）；

CF-进风口浓度，单位为微克每立方米（μg/m3）；

εF-新风净化率，用百分数表示；

QP-排风量，单位为立方米每小时（m3/h）；

k-试验舱在密闭情况下的自然衰减系数，单位为h-1，不同污染物要分别测试k值，依据GB/T 18801进行测试；

V-舱体积，单位为立方米（m3）；

QR-内循环进风量，单位为立方米每小时（m3/h）；

εR-内循环净化率，用百分数表示。

对于A型和B型新风机，QR和εR都等于0，可以得到公式（2）。

式中：

C0-试验舱内浓度C的初始值，单位为微克每立方米（μg/m3）。

对于C型和D型新风机，QR和εR都不等于0，可以得到公式（3）。

已知QF，QP，V，C0，通过对试验舱内实际测试的不同时刻的浓度值进行数据回归，参照数据回归原理，拟合曲线点与记录点离差的平方和最小为最优判据，可求得εF和QRεR。

注：试验过程中，排风量QP包含新风机的排风及试验舱泄漏导致的排风，动态平衡状态下一般认为等于进风量，即QP=QF。

εF即为新风净化率，可进一步求得QFεF，即为洁净新风量qF（qF=QFεF）。

QRεR即为内循环洁净空气量（qR=QRεR）。

2 结果与讨论

2.1 不同机型的颗粒污染物净化性能测试

国内市场上出现的家用新风机机型目前主要有4种，为单向流型（A型）、双向流型（B型）、单向流+内循环型（C型）以及双向流+内循环型（D型），其机型构造的示意图如图2所示，通过上述测试方法分别对4种机型的颗粒污染物的净化性能进行测试。

如图2所示，A型和C型单向流新风机只提供送风，不提供排风，新风机引入的室外空气与室内空气混合后，通过室内外压差从门窗等缝隙外渗被动排到室外，结构较为简单。

2.2 A型新风机净化性能试验验证

2.2.1 不同风量规格A型新风净化机的颗粒物净化率测定

根据上述测试操作对A型样机进行颗粒物净化效率，本次测试样机选取了行业内的主流品牌样机，风量基本涵盖了单向流样机的风量范围。多组测试间的温湿度相似，过程中各自稳定，其大小满足测试要求。运用理论计算公式，计算出新风净化率εF，再根据所测风量QF，进而求得洁净新风量qF，测试选取了17款样机，风量由小到大，测试结果详见表1。新风机的颗粒物净化率高低主要取决于内部装配的HEPA滤网性能，HEPA滤网过滤效率越高，一般整机净化能力越高；17款样机的颗粒物净化效率基本都在80%以上，这也代表了新风机行业内颗粒物净化能力的水平。

表1 A型新风机颗粒物净化效率测试结果汇总

2.2.2 不同进风浓度下A型新风机的颗粒物净化效率测定

对同一台A型新风机在不同进风浓度下测试颗粒物净化效率和洁净新风量，但是进风浓度的选取应符合规定的要求：2×105个/L～2×106个/L。本次试验选取4个风量不同规格的新风机进行比对，测试结果见表2。从表中可以看出，改变进风的浓度会对颗粒物净化效率有一定的影响，但是造成的差异不大，都在5%以内，这也验证了颗粒物净化效率试验方法的稳定性和进风浓度规定范围的合理性。

表2 同一A型新风机在不同进风浓度下的颗粒物净化效率测试结果汇总

2.3 B型新风机净化性能试验验证

2.3.1 不同风量规格B型新风净化机的颗粒物净化率测定

如图2所示，B型双向流新风机同时具有送风和排风功能，相比A型样机，安装方式更复杂，但是排风气流比较稳定。

根据1.2的试验步骤对B型样机进行颗粒物净化效率，本次测试样机选取了行业内的主流品牌样机，风量基本涵盖了双向流样机的风量范围。多组测试间的温湿度相似，过程中各自稳定，其大小满足测试要求。运用理论计算公式，计算出新风净化率εF，再根据所测风量QF，进而求得洁净新风量qF，测试选取了10余款样机，风量有小到大，结果见表3。从结果可以看出，颗粒物净化效率基本都在70%以上同时结合表1，可以看出B型新风机的颗粒物净化效率整体水平略低于A型新风机，B型新风机相比较于A型新风机不仅具有排风功能，还同时具有换热功能，这弥补了B型新风机在其他性能参数上的不足。

表3 B型新风机颗粒物净化效率测试结果汇总

2.3.2 不同进风浓度下B型新风机的颗粒物净化效率测定

对同一台B型新风机在不同进风浓度下测试颗粒物净化效率和洁净新风量，但是进风浓度的选取应符合规定的要求：2×105个/L～2×106个/L。本次试验选取5个风量不同规格的新风机进行比对，测试结果见表4。从数据中可以看出，改变进风的浓度会对颗粒物净化效率有一定的影响，但是造成的差异不大，都在5%以内，这也验证了颗粒物净化效率试验方法的稳定性和进风浓度规定范围的合理性。

表4 同一B型新风机在不同进风浓度下的颗粒物净化效率测试结果汇总

C型和D型家用新风机目前市场上出现的产品还较少，都具有内循环功能，测试数据相对来说较少，但A型和C型新风功能原理相同，B和D型原理相同，这里暂时不做讨论分析，待产品丰富和时机成熟后选择合适样机补充测试。

3 结论

本文基于质量守恒定律提出了一种家用新风机净化效率测试的通用方法，能够应对市场当前和未来的新风机类型。当前市场上常见的新风机类型主要为单向流A型新风机、带有热回收功能的双向流B型新风机；当室外污染物很重时，如果长期开启新风机，可能存在往室内倒灌污染物的风险，这个时候就需要开启室内净化器来提供干净的空气，因此未来会出现集成单向流和内循环功能的C型新风机、集成双向流和内循环功能的D型新风机四种类型的新风机产品。当前行业内的通风净化标准大部分是采用“一次性颗粒物净化效率”表征产品的净化效果，一次性净化效率不适用于C型和D型产品，且无法准确模拟得出新风机在家庭环境使用状态下的净化效果。基于质量守恒，研究模拟新风机在家庭实际场所下的使用状态，通过“微正压”试验环境和动态试验舱建立了针对家用新风机的净化效果评价方法，适用于A型、B型、C型和D型四种新风机。为了验证试验方法的可行性，选用大约30台不同类型新风机机型进行多次测试，同时对约10个型号的同一新风机重复测试，重复试验的偏差在3%以内，由此可见试验结果具有稳定性和可复现性，通过试验结果证明了评价方法的可行性和科学性。