李睦 莫金漢 朱焰 張曉 王蔚然 張寅平

（1.北京清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084；2.中國家用電器研究院 北京 100053 3.飛利浦中國研究院 上海 200233）

0 引言

隨著我國快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程、工業(yè)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及人民生活水平的不斷提高，室外空氣質(zhì)量問題（特別是PM2.5即細(xì)顆粒物污染）也日趨嚴(yán)重。由于我國能源主要依賴于煤炭，近年來煤炭消耗量逐年增長造成燃煤過程中SOx、NOx及顆粒污染物大量排放；我國近年來城市汽車數(shù)量激增，增長率和增長總量在全世界列首位，汽車大量排放的尾氣也加劇了大氣污染。進(jìn)入2013年以來，主要由PM2.5污染導(dǎo)致的霧霾天氣侵襲我國東部大部分地區(qū)，影響面積高達(dá)190萬km2[1]，北京、上海等重要城市深受其害。大氣中的PM2.5會(huì)通過建筑通風(fēng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透進(jìn)入室內(nèi)，人們的烹飪活動(dòng)和吸煙也會(huì)產(chǎn)生PM2.5。一方面，室外大氣中PM2.5污染短期內(nèi)難以有效治理，另一方面，人們?cè)谑覂?nèi)的時(shí)間高達(dá)80%以上，因此，有效控制室內(nèi)空氣中PM2.5污染就顯得非常重要，同時(shí)也是降低PM2.5健康風(fēng)險(xiǎn)的主要手段。特別值得指出的是，在室外大氣PM2.5污染嚴(yán)重時(shí)，常規(guī)用來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的通風(fēng)（自然或機(jī)械通風(fēng)）不僅難以湊效，反而會(huì)“雪上加霜”加劇室內(nèi)PM2.5污染。在此情況下，采用空氣凈化器往往是不可或缺的手段，推動(dòng)了2013年以來我國空氣凈化器市場(chǎng)火爆。

然而，近年來，我國市場(chǎng)上空氣凈化器魚龍混雜、良莠難辨，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也存在著一些亟待改進(jìn)的問題[2]；同時(shí)，空氣凈化器生產(chǎn)廠家的過度宣傳問題較為嚴(yán)重，不同的品牌給出的性能參數(shù)往往不具有可比性。這些問題導(dǎo)致消費(fèi)者在購買空氣凈化器時(shí)無所適從，而且買到的空氣凈化器在實(shí)際使用過程中常常達(dá)不到廠家所宣傳的凈化效果。

目前，我國的空氣凈化器標(biāo)準(zhǔn)采用的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括潔凈空氣量[3]、一次通過效率[4]和凈化效能[5]，具體內(nèi)容如表1所示：

可以看出，我國采用的空氣凈化器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均為對(duì)產(chǎn)品自身性能的評(píng)價(jià)，術(shù)語偏學(xué)術(shù)化，普通消費(fèi)者較難理解，缺少指導(dǎo)消費(fèi)者使用的簡單評(píng)價(jià)指標(biāo)，適用面積就是這類參數(shù)之一。事實(shí)上，雖然現(xiàn)有空氣凈化器國標(biāo)(GB/T 18801)中并沒有涉及空氣凈化器的適用面積這一指標(biāo)，國內(nèi)一些單位卻給出了這一參數(shù)來指導(dǎo)消費(fèi)者選購空氣凈化器（但其計(jì)算方法并不科學(xué)），這在一定程度上迎合了消費(fèi)者的實(shí)際需求，卻又誤導(dǎo)了消費(fèi)者。為此，本文依據(jù)正在修訂的空氣凈化器國標(biāo)(GB/T 18801)，說明如何基于我們環(huán)境和住宅特點(diǎn)來估算空氣凈化器的適用面積，對(duì)空氣凈化器廠家和消費(fèi)者都有指導(dǎo)意義。

1 國外標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)價(jià)方法

美國空氣凈化器標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/AHAM AC-1-2006[3]）、加拿大空氣凈化器標(biāo)準(zhǔn)（NRCC-54013[6]）和日本空氣凈化器標(biāo)準(zhǔn)（JEM 1467-2013[7]）中對(duì)空氣凈化器在住宅中使用的適用面積都有所建議，并給出了推導(dǎo)過程。以上標(biāo)準(zhǔn)給出的適用面積都是針對(duì)各自國家的室內(nèi)顆粒物污染的控制要求提出的，推導(dǎo)過程也都基于室內(nèi)顆粒物的質(zhì)量守恒，考慮了空氣凈化器的凈化作用，室內(nèi)自然通風(fēng)和自然沉降作用。ANSI/AHAM AC-1-2006和NRCC-54013均規(guī)定空氣凈化器運(yùn)行時(shí)室內(nèi)的顆粒物濃度不超過空氣凈化器不運(yùn)行時(shí)顆粒物濃度的20%，由此得到該空氣凈化器的適用面積；不同的是ANSI/AHAM AC-1-2006中自然通風(fēng)的換氣次數(shù)為1h-1，沉降引起的濃度衰減系數(shù)為0.2h-1，而NRCC-54013中自然通風(fēng)的換氣次數(shù)為0.3h-1，沉降引起的濃度衰減系數(shù)為0.1h-1。JEM 1467-2013規(guī)定在自然通風(fēng)換氣次數(shù)為1h-1的條件下（沒有考慮沉降的作用），空氣凈化器運(yùn)行30分鐘后，房間的粉塵濃度從初始的1.25mg/m3降至0.15 mg/m3，由此得到該空氣凈化器的適用面積。值得指出的是，以上標(biāo)準(zhǔn)均認(rèn)為污染源僅在室內(nèi)，自然通風(fēng)是降低室內(nèi)顆粒物濃度的因素，這種情形很不符合中國目前的國情。中國目前大氣污染問題嚴(yán)重，霧霾天氣頻發(fā)，室外空氣是室內(nèi)顆粒物污染的主要來源。因此我國空氣凈化器適用面積這一評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立不能照搬國外的標(biāo)準(zhǔn)，須針對(duì)中國國情，才能給出適用于我國的空氣凈化器適用面積估算方法和結(jié)果。

2 適用面積的確定方法

室內(nèi)空氣中顆粒物的傳質(zhì)過程如圖1所示。假設(shè)房間內(nèi)顆粒物混合均勻，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可得：

式中：V為房間體積，m3；Co為室外顆粒物濃度，mg/m3；t為時(shí)間，h；E為室內(nèi)顆粒物產(chǎn)生源強(qiáng)度，mg/h；Q為自然通風(fēng)換氣量，m3/h；Pp為顆粒物從室外進(jìn)入室內(nèi)的穿透系數(shù)，h-1；C為室內(nèi)顆粒物濃度，mg/m3；k為室內(nèi)顆粒物的沉積率，h-1；CADR為空氣凈化器去除顆粒物的潔凈空氣量，m3/h。

對(duì)于住宅，室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生源主要有香煙煙霧和烹調(diào)油煙。隨著近年來我國對(duì)室內(nèi)禁止吸煙和二手煙危害的大力宣傳，家庭中在室內(nèi)吸煙的情況越來越少，因此可不考慮室內(nèi)有香煙煙霧的情況。烹調(diào)油煙產(chǎn)生于廚房，一般安裝了抽油煙機(jī)，而使用空氣凈化器的空間一般為臥室或者客廳。在廚房門關(guān)閉的情況下，廚房與其他房間屬于不同區(qū)域，其中的顆粒物濃度對(duì)其他房間影響很小。大部分人在烹調(diào)時(shí)會(huì)關(guān)閉廚房門并打開抽油煙機(jī)，這種情況下烹調(diào)油煙對(duì)臥室或者客廳的影響可以忽略。因此，不考慮香煙煙霧和烹調(diào)油煙是適合我國現(xiàn)階段國情的一種假設(shè)，此時(shí)式（1）中的E項(xiàng)可以視為0。

對(duì)穩(wěn)態(tài)的情況，式（1）等號(hào)左邊項(xiàng)為0。將自然通風(fēng)換氣量Q（m3/h）表示為換氣次數(shù)ACH（h-1）乘以房間體積V（m3），并將體積V（m3）表示為高度H（m）乘以房間面積A（m2），式（1）可以寫為：

計(jì)算出式（2）中的系數(shù)λ，即可得出空氣凈化器的適用面積與潔凈空氣量的關(guān)系式。

3 參數(shù)的確定

由于目前我國現(xiàn)階段PM2.5污染問題非常突出，因此本文僅討論空氣凈化器去除PM2.5的適用面積的估算方法，具體參數(shù)的確定方法也適用于其他粒徑范圍的顆粒物。注：表中的空氣質(zhì)量指數(shù)類別是假設(shè)首要污染物為PM2.5時(shí)得出的。

表1 我國采用的空氣凈化器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 北京空氣質(zhì)量指數(shù)類別天數(shù)統(tǒng)計(jì)(2013年11月-2014年1月)

表3 不同污染等級(jí)下適用面積-潔凈空氣量關(guān)系式系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.1 室內(nèi)外PM2.5濃度

消費(fèi)者使用空氣凈化器的目的就是使室內(nèi)空氣質(zhì)量能夠達(dá)到“優(yōu)”級(jí)水平。目前，我國的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)還沒有對(duì)PM2.5濃度給出分級(jí)限值，而根據(jù)我國的環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定[8]，空氣質(zhì)量等級(jí)優(yōu)對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度限值為35μg/m3，因此選取35μg/m3為室內(nèi)PM2.5濃度。

室外PM2.5濃度的確定需要根據(jù)我國目前的大氣污染現(xiàn)狀。以北京為例，本文統(tǒng)計(jì)了北京2013年11月1日至2014年1月26日的PM2.5濃度日平均值（數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)[9]），其空氣質(zhì)量指數(shù)類別的天數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2：

從數(shù)據(jù)可以看出，北京在2013年11月1日至2014年1月26日時(shí)間內(nèi)空氣污染的天數(shù)總共所占比例為42%。由于嚴(yán)重污染的天數(shù)只占1%，常見的污染情況是輕度污染、中度污染和重度污染，考慮常見的情況，分別取輕度污染、中度污染和重度污染級(jí)別的PM2.5濃度上限值即115μg/m3、150μg/m3和250μg/m3。

3.2 穿透系數(shù)和沉積率

顆粒物的穿透系數(shù)的定義為通過建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)的顆粒物在從室外進(jìn)入室內(nèi)的空氣中顆粒物總量中的比例。Chen[10,11]等人總結(jié)了已有穿透系數(shù)的測(cè)試結(jié)果并對(duì)對(duì)穿透系數(shù)進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究，得出對(duì)于PM2.5，門窗緊閉時(shí)Pp=0.8。Riley[12]等人研究了室內(nèi)顆粒物的沉積率，得出一般室內(nèi)的PM2.5沉積率k=0.09h-1。

3.3 房間高度和換氣次數(shù)

房間高度和換氣次數(shù)的確定需要基于對(duì)我國住宅的調(diào)研數(shù)據(jù)，但是至今這方面的大規(guī)模調(diào)研數(shù)據(jù)仍較為欠缺。姚遠(yuǎn)[13]對(duì)北京的1500戶住宅進(jìn)行了入戶調(diào)研，得出房間的平均層高為2.6m。而本文中房間高度并非層高，而是房間內(nèi)空氣的體積除以面積，考慮到實(shí)際房間中的家具占據(jù)一定的空間，房間高度應(yīng)該略小于層高。ANSI/AHAM AC-1-2006和NRCC-54013中的房間高度均定為2.4m，為保持一致，本文也將房間高度H定為2.4m。

考慮到室外空氣污染時(shí)，用戶會(huì)關(guān)閉門窗，使用空氣凈化器，本文需要確定門窗關(guān)閉狀態(tài)下的換氣次數(shù)。李嚴(yán)和李曉峰[14]測(cè)試了北京地區(qū)住宅的換氣次數(shù)。在門窗緊閉的工況下，換氣次數(shù)測(cè)試結(jié)果的范圍為0.05~0.57h-1。呂鐵成和李振海[15]測(cè)試了上海地區(qū)住宅的換氣次數(shù)。在門窗緊閉的工況下，換氣次數(shù)測(cè)試結(jié)果的范圍為0.15~0.24h-1。根據(jù)式（2），換氣次數(shù)ACH越大則適用面積A越小，因此為了避免高估適用面積，本文確定換氣次數(shù)略高于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的上限值，取為0.6h-1。

4 算例

將上文確定的參數(shù)帶入式（2），即C=35μg/m3，Pp=0.8，k=0.09h-1，H=2.4m，ACH=0.6 h-1，輕度污染時(shí)Co=115μg/m3，中度污染時(shí)Co=150μg/m3，重度污染時(shí)Co=250μg/m3，計(jì)算結(jié)果如表3：

其中，系數(shù)λ的倒數(shù)為房間每平米所需潔凈空氣量，消費(fèi)者可以根據(jù)此參數(shù)和房間面積挑選潔凈空氣量合適的空氣凈化器。為保證空氣凈化器能夠在不利工況下達(dá)到所要求的凈化效果，建議系數(shù)λ取0.15，對(duì)應(yīng)的適用面積-潔凈空氣量關(guān)系式為：

5 結(jié)語

本文指出了國外現(xiàn)有的空氣凈化器適用面積計(jì)算方法不符合我國國情，同時(shí)根據(jù)我國國情提出空氣凈化器對(duì)細(xì)顆粒物的適用面積的估算方法，并結(jié)合算例說明如何正確使用這一方法。其他污染物的適用面積可參考本方法計(jì)算。

值得一提的是，適用面積不是空氣凈化器的核心性能指標(biāo)，僅是一個(gè)估算參數(shù)，其值是在限定的標(biāo)準(zhǔn)條件下計(jì)算出來的，式（3）代表了一般顆粒物污染情況下的適用面積。如果消費(fèi)者家中的污染非常嚴(yán)重，可根據(jù)自身情況降低式（3）中的系數(shù)，進(jìn)而選擇具有更大潔凈空氣量的凈化器產(chǎn)品。

本文的研究工作可為我國空氣凈化器國家標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考，為科學(xué)指導(dǎo)消費(fèi)者選擇空氣凈化器和規(guī)范空氣凈化器市場(chǎng)提供幫助。

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