王蔚然 朱焰

（1、飛利浦中國研究院 上海 200233；2、中國家用電器研究院 北京 100053）

1 引言

目前,國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801-2008《空氣凈化器》正面臨修訂。涉及到該產(chǎn)品的性能指標(biāo)和評價(jià)方法，引起了標(biāo)準(zhǔn)修訂參與者的廣泛關(guān)注，本文試就該標(biāo)準(zhǔn)涉及到的主要性能指標(biāo)及相關(guān)的評價(jià)方法做一些探討，同時(shí)作出比對分析。

2 空氣凈化器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的主要性能指標(biāo)的確定

空氣凈化器作為以潔凈空氣為主要目的家用電器產(chǎn)品，評價(jià)其產(chǎn)品的質(zhì)量水準(zhǔn)、好壞優(yōu)劣，當(dāng)以其“潔凈空氣的能力”作為最基本的性能指標(biāo)?？諝鈨艋鞯摹皾崈艨諝饽芰Α辈煌蜎Q定了它們的品質(zhì)高低、質(zhì)量優(yōu)劣。

圖1 室內(nèi)污染物下降為復(fù)合作用的結(jié)果

圖2 空氣凈化器和自然衰減共同作用下污染物下降示意圖

圖3 某空氣凈化器30m3實(shí)驗(yàn)艙甲苯下降曲線

在標(biāo)準(zhǔn)中，“潔凈空氣能力”又稱為“潔凈空氣量”，是指單位時(shí)間提供潔凈空氣的體積量，英文為clean air delivery rate，簡稱為CADR，單位為：m /h，即，單位時(shí)間內(nèi)潔凈的空氣量。

需要特別指出的是，每一臺空氣凈化器的“潔凈空氣能力”都是針對特定的目標(biāo)污染物而設(shè)計(jì)的，所以，每一臺空氣凈化器的“潔凈空氣量”都需要指明針對的空氣污染物種類 換句話說，如果不指明凈化污染物的對象，僅標(biāo)注一個(gè)“潔凈空氣量”即CADR的值，是沒有任何意義的。

之所以說“潔凈空氣量”是空氣凈化器的最主要性能指標(biāo)，還在于其他的類似的空氣凈化指標(biāo)（或參數(shù)）均可以從這一指標(biāo)推導(dǎo)出，如，凈化效率、使用面積等，當(dāng)然，推導(dǎo)時(shí)需要規(guī)定必要的條件，如，被凈化的空間環(huán)境、污染物的性質(zhì)、初始濃度水平以及工作（凈化）時(shí)間等。

3 潔凈空氣量CADR評價(jià)法

評價(jià)一臺空氣凈化器的凈化能力強(qiáng)弱，國際上普遍采用CADR 評價(jià)法。因?yàn)?，這一指標(biāo)反映出了空氣凈化器的屬性。

3.1 潔凈空氣量CADR的本質(zhì)

根據(jù)定義，潔凈空氣量CADR是指一臺空氣凈化器在單位時(shí)間內(nèi)能提供的干凈空氣量，實(shí)際上也可以理解為：單位時(shí)間內(nèi)通過空氣凈化器的風(fēng)量乘上單次過濾的效率所得。即

其中，C和C別為進(jìn)口處和出口處的污染物濃度；F為風(fēng)量；η為單次過濾效率（One-pass efficiency或Single-pass efficiency）。

假設(shè)每小時(shí)有300m污染物濃度為1mg/m的空氣通過某臺空氣凈化器，被凈化成了300m污染物濃度為0.1mg/m 的較干凈空氣，則對應(yīng)的CADR為：

由定義可以看出，CADR直接反映了空氣凈化器對于某種污染物的凈化能力，從理論上講與使用房間的大小和使用時(shí)間無關(guān)，屬于空氣凈化器的固有參數(shù)。CADR允許直接的加減運(yùn)算，即兩臺對某種污染物的CADR為100m /h空氣凈化器同時(shí)使用時(shí)，它們總的CADR應(yīng)當(dāng)為200m /h；或者，當(dāng)一臺空氣凈化器的CADR為200m /h時(shí)，其凈化能力就是CADR為100m/h的機(jī)器的兩倍。

需要指出的是，在實(shí)際對空氣凈化器的測試中，目標(biāo)污染物濃度水平在機(jī)器的連續(xù)工作下會降低，但嚴(yán)格來講，這種污染物濃度水平的降低，實(shí)際上是一個(gè)復(fù)合作用的過程，即由機(jī)器的凈化作用和污染物濃度水平自然衰減兩項(xiàng)復(fù)合作用形成的。見圖1。

圖2為室內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間下降的示意圖，顯示了空氣凈化器與自然衰減的共同作用。

3.2 污染物濃度水平變化與CADR的關(guān)系

顯然，室內(nèi)的污染物在任一時(shí)刻的減少量（下述公式等號左邊之項(xiàng)），等于以上復(fù)合作用帶來的污染物的去除量（下述公式等號右邊之項(xiàng)）。即：

其中V為房間或?qū)嶒?yàn)艙體積，C為污染物濃度，k 為自然衰減常數(shù)（單位為時(shí)間 ）。整理后，并定義總衰減系數(shù)

考慮CADR與C不相關(guān)的簡化情況，由于t=0時(shí)C=C （即初始濃度），積分后得到：

此即為目前國標(biāo)GB/T 18801-2008附錄B“計(jì)算方法”中引用的公式。通常情況下，k 比起k 來說要小很多，并且測量k需要一次額外的試驗(yàn)。所以在要求不嚴(yán)格的場合，有時(shí)會忽略k，認(rèn)為k即為k 。

公式(4)即為在理想的環(huán)境狀況下，污染物濃度水平與CADR的關(guān)系。

3.3 如何測試計(jì)算空氣凈化器的CADR？

依據(jù)公式(4)，我們可以知道，空氣凈化器對于某種污染物的CADR可以通過測量實(shí)驗(yàn)艙污染物濃度隨時(shí)間的變化來得到。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試中，CADR值通常使用多點(diǎn)擬合法求得，即測量多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，做出下降曲線的指數(shù)擬合。為了衡量擬合程度，通常使用相關(guān)系數(shù)R 做一個(gè)判斷。如加拿大標(biāo)準(zhǔn)NRCC-54013要求一般情形下顆粒物CADR計(jì)算時(shí)R 應(yīng)當(dāng)不低于0.95，氣態(tài)污染物CADR計(jì)算時(shí)R 不低于0.9。

圖4 某空氣凈化器30m 實(shí)驗(yàn)艙甲醛下降曲線

圖5 30m 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)不同CADR空氣凈化器“去除率”與測試時(shí)間的關(guān)系

如果借助理想的理論公式，并只使用兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)直接計(jì)算，則是較簡單的兩點(diǎn)計(jì)算法，目前為日本空氣凈化器標(biāo)準(zhǔn)采用。

選取數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算具體的CADR時(shí)，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)污染物的不同屬性，注意測試方法的誤差和檢測限。一般情況下，當(dāng)污染物濃度太低時(shí)，測量誤差通常較大。而在空氣凈化器實(shí)驗(yàn)艙的測試條件下，污染物濃度處于一直變化中，不存在通過長時(shí)間大量采樣的方法來富集極低濃度污染物到可測量濃度的條件。

以甲醛為例，按國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18883-2002規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為0.10mg/m 。目前大多數(shù)的測試方法，在此標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)尚能保證精度。但在更低濃度時(shí)誤差逐漸變大，低于此標(biāo)準(zhǔn)值50%，即0.05mg/m 以下時(shí)，更為精確測量的方法目前尚未見報(bào)道。因此，一個(gè)較為實(shí)際的數(shù)據(jù)點(diǎn)選取策略是，選取從初始濃度（通常為10倍標(biāo)準(zhǔn)值左右）開始到剛低于標(biāo)準(zhǔn)值濃度止（即為初始濃度十分之一左右）之間的數(shù)據(jù)計(jì)算CADR。只有確信測試儀器的精度可靠時(shí)，可以適當(dāng)增加后續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)參與計(jì)算。

圖3為某臺空氣凈化器在國外30m 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)測試所得的甲苯下降曲線。測量儀器為PTRMS，采樣間隔為2s。

根據(jù)上述實(shí)測數(shù)據(jù)，15分鐘左右甲苯的濃度已經(jīng)下降到初始濃度的十分之一。因?yàn)镻TRMS的測量精度較高，我們選取了前20分鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)R 為0.994，k為10.914·h 。該實(shí)驗(yàn)艙對于甲苯的k 為0.012·h。據(jù)此，可以計(jì)算出該空氣凈化器的針對甲苯的CADR為327m/h。

圖4為同型號空氣凈化器在上海30m試驗(yàn)艙內(nèi)測試所得的甲醛下降曲線。測量儀器為PPM htv-M，采樣間隔為2min。

該試驗(yàn)表明，在第22分鐘時(shí)的數(shù)據(jù)正好低于（或等于）標(biāo)準(zhǔn)值。由于甲醛測試儀器的精度限制，我們選取前22分鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)R為0.975，k為6.330·h。該實(shí)驗(yàn)艙對于甲醛的k為0.050·h。因此，可以得出該空氣凈化器的甲醛CADR為188m/h。

4 “去除率”評價(jià)法

“去除率”評價(jià)的是針對空氣凈化器在時(shí)間t時(shí)對目標(biāo)污染物的凈化效果做出的評價(jià)，按其定義為：

但是應(yīng)該注意，“去除率”（或“凈化效率”）實(shí)際上是一個(gè)相對值，在假設(shè)的環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)的理想狀態(tài)時(shí)，它僅是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。

如果考慮到自然衰減的作用，一個(gè)改進(jìn)的做法是在公式(5)算出來的總“去除率”后再剔除自然衰減帶來的影響，得到空氣凈化器“去除率”。本文以下均考慮較簡化的情況，即忽略自然衰減帶來的影響。

4.1 “去除率”并非表征空氣凈化器的本質(zhì)指標(biāo)

在市場宣傳中，不少廠家喜歡使用“去除率”高達(dá)多少的語句來顯示空氣凈化器的性能。

須知，評價(jià)一臺空氣凈化器的“去除率”（或“凈化效率”）是需要規(guī)定清楚試驗(yàn)條件的（本文第一章中曾做了說明）。顯而易見，“去除率”與實(shí)驗(yàn)艙的大小及測試時(shí)間緊密相關(guān)。由公式(4)可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)艙大小和測試時(shí)間確定時(shí)，“去除率”可以由CADR計(jì)算得出，但這一結(jié)果是一個(gè)理論值。由于CADR是一個(gè)大于或等于0的數(shù)，無上限，而“去除率”是100%減去CADR取負(fù)后的指數(shù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際上為一個(gè)0%～100%之間的比值。

為了使讀者能夠較直觀認(rèn)識空氣凈化器的CADR 和“去除率”之間的關(guān)系，我們依據(jù)公式(4)，用計(jì)算機(jī)模擬出在30m 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，不同CADR（單位為m /h）的空氣凈化器在一個(gè)小時(shí)內(nèi)“去除率”與測試時(shí)間的關(guān)系。由于公式(4)是適用于顆粒物及氣態(tài)污染物的通用公式，因此圖5中所示CADR和“去除率”的關(guān)系并不限于某一種特定污染物。

由圖5可以明確看出，潔凈空氣能力強(qiáng)的（即CADR值大）機(jī)器，在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下，僅需要幾分鐘，就可以將污染物的濃度水平去除掉90%，而CADR值小的機(jī)器，在相同的時(shí)間內(nèi)只能去除掉10%多一些。換句話說，空氣凈化器的CADR的不同，其潔凈空氣能力的強(qiáng)弱顯而易見。

4.2 “去除率”的測試受不同污染物濃度的影響明顯

從實(shí)際操作上來說，“去除率”的測試方法相對簡單，只要測量初始濃度和時(shí)間t時(shí)的終止?jié)舛燃纯?。但是此方法同時(shí)也帶來一個(gè)缺點(diǎn)，即時(shí)間t時(shí)的測量誤差，直接決定了“去除率”的可靠性。前面已經(jīng)闡述，對于氣態(tài)污染物而言，低濃度時(shí)的精確測量較為困難。以甲醛為例，當(dāng)濃度從初始的1mg/m 下降到0.05mg/m時(shí)，很難再有可靠的測量。也就是說，假設(shè)某次甲醛測試，得到“去除率”為95%，在重復(fù)測試中，出現(xiàn)94%或者96%亦屬正常。

多數(shù)情況下，空氣凈化器使用物理過濾技術(shù)凈化顆粒物，所以顆粒物CADR與“去除率”的關(guān)系，可以較好地符合圖5所示的模擬結(jié)果。而對于氣態(tài)污染物多使用活性炭或化學(xué)吸附技術(shù)，其吸附效率在測試過程中存在一定的不穩(wěn)定性，所以與圖5的理論結(jié)果吻合程度通常有一定偏差，同時(shí)給重復(fù)測試帶來一定挑戰(zhàn)。至于部分空氣凈化器對某些特別的污染物采取了非過濾非吸附式主動凈化的技術(shù)（如往空氣中釋放抑菌成分達(dá)到除菌效果），與公式(4)的理論基礎(chǔ)相差較大，因此對該特別污染物的“去除率”不適用圖5所示關(guān)系。

對氣態(tài)污染物“去除率”來說，重復(fù)測試中出現(xiàn)幾個(gè)點(diǎn)百分比的偏差，對于空氣凈化器之間性能的比較，可能產(chǎn)生較大影響。以測試時(shí)間t為60min為例，CADR為150m /h的空氣凈化器與CADR為300m /h的空氣凈化器的實(shí)際性能相差一倍，但是“去除率”只相差一個(gè)點(diǎn)百分比。如果測量帶來的誤差超過了這一個(gè)點(diǎn)，則可能出現(xiàn)測試得到的“去除率”和實(shí)際性能倒掛的情況。

因此，為避免出現(xiàn)上述情況，建議應(yīng)根據(jù)空氣凈化器的凈化對象及能力，適時(shí)適度地選擇實(shí)驗(yàn)艙大小、測試時(shí)的初始濃度水平以及測試時(shí)間等參數(shù)，以便使測試結(jié)果盡可能地反映實(shí)際真實(shí)情況，并與對應(yīng)理論計(jì)算相吻合。需要明確的是，對于氣態(tài)污染物，測試準(zhǔn)確度有保證的情況下只能評價(jià)相對較低的“去除率”（譬如，不大于95%）。這與目前廠家熱衷于宣傳接近99%的“去除率”的初衷，存在一定差別。

4.3 “去除率（風(fēng)量決定測試時(shí)間）”和單次過濾效率之間的關(guān)系

作為對“去除率”評價(jià)法的一種嘗試，有觀點(diǎn)提出了依據(jù)空氣凈化器風(fēng)量來決定測試時(shí)間的方法。風(fēng)量較大的空氣凈化器，需要的時(shí)間較短；風(fēng)量較小則時(shí)間較長。相對于傳統(tǒng)的固定測試時(shí)間的“去除率”，我們稱其為“去除率（風(fēng)量決定測試時(shí)間）”的評價(jià)法。

該方法試圖通過延長測試時(shí)間，給風(fēng)量較小（通常情況下CADR也較?。┑目諝鈨艋魈峁┮粋€(gè)和大風(fēng)量空氣凈化器一樣的較高“去除率”，對于促進(jìn)小風(fēng)量空氣凈化器的發(fā)展有一定積極作用。該評價(jià)的核心是：

其中α為常數(shù)，F(xiàn)為風(fēng)量，然后依據(jù)公式(5)評價(jià)“去除率”。為了了解該評價(jià)方法的實(shí)質(zhì)，我們把公式(6)代入公式(4)，為簡化起見忽略自然衰減系數(shù)，得：

再把公式(1)代入公式(7)，依據(jù)公式(3)的形式進(jìn)行整理，得：

其中α為常數(shù)，V為試驗(yàn)艙大小，η為單次過濾效率。由公式(8)可以看出，“去除率（風(fēng)量決定測試時(shí)間）”事實(shí)上評價(jià)了一個(gè)單一指標(biāo)，既空氣凈化器凈化材料在設(shè)計(jì)風(fēng)量下的單次過濾效率。

對于空氣凈化器來說，凈化材料的單次過濾效率固然是一個(gè)重要指標(biāo)，但是，相對空氣凈化器來講，整機(jī)的設(shè)計(jì)能力更為關(guān)鍵，并直接決定了整機(jī)的性能。空氣凈化器的設(shè)計(jì)不應(yīng)當(dāng)為追求某個(gè)部件的最佳效率，而忽略整機(jī)的性能。

通常情況下，尤其對于氣態(tài)污染物而言，低風(fēng)量意味著凈化材料表面空氣的流速更慢，其單次過濾效率相對較高。也就是說，如果依據(jù)“去除率（風(fēng)量決定測試時(shí)間）”來評價(jià)的話，使用相同凈化材料的情況下，小風(fēng)量的空氣凈化器比大風(fēng)量的空氣凈化器的結(jié)果更好，而同一臺空氣凈化器，低風(fēng)模式比高風(fēng)模式的結(jié)果更好。這也正說明了為什么產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中需要設(shè)置“凈化能效水平”這一指標(biāo)。

5 分析及結(jié)論

對于消費(fèi)者來說，空氣凈化器性能最直接的反映由以下兩個(gè)問題決定：

(1)當(dāng)進(jìn)入到一個(gè)有空氣污染的房間，空氣凈化器可以在多長時(shí)間內(nèi)將空氣凈化干凈？

(2)當(dāng)房間內(nèi)污染源持續(xù)存在時(shí)（如新裝修房間），開啟空氣凈化器究竟可以將空氣潔凈程度保持在一個(gè)什么水準(zhǔn)？

由公式(4)可以看出，第一個(gè)問題里消費(fèi)者所關(guān)心的時(shí)間t和k是一個(gè)乘法的關(guān)系。也就是說，當(dāng)初始污染物濃度和期望達(dá)到的干凈程度（即期望的污染物濃度）都確定的情況下，t和k的乘積是一個(gè)常數(shù)。在忽略自然衰減系數(shù)及房間大小確定的情況下，t和CADR的乘積是常數(shù)。也就是說CADR每大一倍，理論上，凈化時(shí)間就會縮短一倍。

對于第二個(gè)問題，我們假設(shè)室內(nèi)污染源的釋放速率恒定為γ，單位為mg/h。則：

其中，k 為不包括通風(fēng)因素的自然衰減常數(shù)，k 為通風(fēng)帶來的衰減常數(shù)，V為房間體積，C 為不開啟空氣凈化器時(shí)房間內(nèi)污染物的穩(wěn)態(tài)濃度，C 為開啟空氣凈化器時(shí)房間內(nèi)污染物的穩(wěn)態(tài)濃度。整理后得到：

由于k 通常很小，k在正常情況下也較?。ㄩT窗未大幅度開啟的情況下通常小于0.5·h），而一臺性能較優(yōu)秀的空氣凈化器（譬如CADR達(dá)到150m /h）對于一間空曠體積達(dá)到30m 的房間來說k 在5以上，遠(yuǎn)大于k和k。所以從公式(10)可以看出，最終房間空氣的污染物濃度C 與空氣凈化器的CADR也是成簡單的相乘關(guān)系。也就是說CADR每大上一倍，理論上可以使室內(nèi)空氣污染物穩(wěn)態(tài)時(shí)的濃度下降一倍。

綜上所述，對于顆粒物或氣態(tài)污染物（如甲苯、甲醛等）而言，使用對應(yīng)的潔凈空氣量CADR作為主要性能指標(biāo)來評價(jià)，非常好的反映了消費(fèi)者對凈化效果的核心關(guān)注?！叭コ省弊鳛橐环N簡潔的測試方法，在對應(yīng)的CADR方法尚未明確或較難適用的情況下，可以直接反映某項(xiàng)性能，不失為一種有效的參考性方法。但是實(shí)驗(yàn)艙體積，初始濃度，測試環(huán)境均需做好規(guī)定，以便消費(fèi)者可以在不同空氣凈化器之間做出比較。