姜耀鵬，滕振飛(. 上海新能源科技成果轉化與產業(yè)促進中心，上海 006 ；. 上海產業(yè)技術研究院，上海006)

空氣凈化器檢測用環(huán)境測試艙開發(fā)與應用

Development and Application of Environmental Test Chamber for Air Cleaner

姜耀鵬1，滕振飛2(1. 上海新能源科技成果轉化與產業(yè)促進中心，上海 201206 ；2. 上海產業(yè)技術研究院，上海201206)

介紹了研制開發(fā)空氣凈化器檢測用環(huán)境測試艙的原理，說明測試環(huán)境控制模式與主要參數(shù)指標。以顆粒物潔凈空氣量為例，討論空氣凈化器測試方法和測試過程。最后通過案例介紹環(huán)境測試艙的實用性。

環(huán)境測試艙； 測評； 控制參數(shù) ；潔凈空氣量

空氣凈化器是降低室內顆粒物和化學氣體污染物的有效手段[1]。在大氣灰霾和室內人為活動等原因的共同影響下，導致了嚴重的室內空氣顆粒物污染[2]，從而引起對空氣凈化器的需求顯著升高?？諝鈨艋魇袌鋈找婊钴S，對其凈化性能的有效測評和驗證是產品規(guī)范的主要手段[3-4]。

為實現(xiàn)對空氣凈化器產品的凈化性能檢測，2016 年由上海產業(yè)技術研究院主持聯(lián)合多家相關科研單位研制開發(fā)了空氣凈化器檢測用環(huán)境測試艙，用于空氣凈化器性能檢測服務，并致力于對空氣凈化器市場有效評測和規(guī)范[5]。

1 環(huán)境測試艙原理

環(huán)境測試艙可以模擬受污染的室內環(huán)境，是一種檢測和研究空氣凈化器凈化性能的重要設備。環(huán)境測試艙主要由艙體、空調凈化系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、污染物發(fā)生和檢測系統(tǒng)組成。首先，通過空調凈化系統(tǒng)在測試艙內形成溫濕度和潔凈度滿足實驗要求的環(huán)境，然后在艙內釋放一定量的污染物(顆粒物、微生物或化學污染物)，開啟艙內空氣凈化產品，檢測艙內污染物濃度隨著時間變化趨勢，通過計算推演得出空氣凈化產品的凈化性能效果。

環(huán)境測試艙的研制主要參照美國 ANSI/AHAM AC-1 2006《Method for Measuring Performance of Portable Household Electric Room Air Cleaners》、GB/T 18801—2015《空氣凈化器》、GB 21551.3—2010《家用和類似用途電器抗菌、除菌功能 空氣凈化器特殊要求》和 JG/T 294—2010《空氣凈化器污染物凈化性能測定》等標準設計建造，主要用于檢測空氣凈化器及相關室內空氣凈化產品等。檢測項目主要包括：顆粒物及甲醛、苯等化學氣體的潔凈空氣量(CADR)、凈化能效、累積凈化量、凈化效率、臭氧等有害物質釋放量等。

2 控制模式與參數(shù)

2.1 風閥控制

開啟風機前，需要首先選擇風閥模式。風閥狀態(tài)共有三種模式：密閉模式(測試狀態(tài))、內循環(huán)模式(實驗前調試)和排風模式(試驗后排氣)。試驗前，需要使環(huán)境測試艙內環(huán)境滿足一定的溫濕度和潔凈度要求，需采用內循環(huán)模式；當艙內溫濕度達到設定要求，采用密閉模式；當完成發(fā)煙發(fā)塵、化學氣體發(fā)生試驗后，需采用排氣模式，排氣前經過過濾吸附采集系統(tǒng)凈化。

2.2 溫濕調控

選擇風閥模式后，在電加熱和電加濕的控制界面輸入需要達到的溫度和相關濕度(23 ℃ 和 50%)，在風機控制界面，輸入風機運行頻率(25Hz)，然后開啟風機。根據(jù)艙內實際環(huán)境狀況(溫濕度)，選擇電加熱、電加濕或室外機(制冷)。電加熱為 3 根加熱器組成，其中 1 根加熱器可通過軟件實現(xiàn)微調控，而另外 2 根加熱器則需要人為開啟或關閉。如果艙內溫度較低，則需要 3 根同時開啟，等接近控制溫度時，則可關閉 2 根，只保留可以控制的那根。電加濕和電加熱原理相同。如果溫度和濕度不是太低，則只需要開啟“電加熱(可調)”和“電加濕(可調)”即可。

制冷通過開啟空調室外機實現(xiàn)。當溫度超過試驗要求溫度，開啟室外機，持續(xù)工作，直到溫度滿足試驗要求。

2.3 環(huán)境測試艙主要技術指標

為滿足空氣凈化器檢測需要，同時研制開發(fā)了 30 m3大型環(huán)境測試艙和 3 m3中型環(huán)境測試艙，2 個艙體的主要環(huán)境控制參數(shù)及性能如下：

(1) 溫度：

調節(jié)范圍：(20～30)℃

調節(jié)精度：±2K

測量精度：±0.1K

(2) 相對濕度。

調節(jié)范圍：(40～60)%RH

調節(jié)精度：±5%RH

測量精度：±1%RH

(3) 大型環(huán)境測試艙體尺寸：3.5 m×3.4 m×2.5 m(長×寬×高)；小型環(huán)境測試艙體尺寸：1.4 m×1.4 m×1.5 m(長×寬×高)。

(4) 艙體內壁材質為 304 不銹鋼鏡面板，外壁為彩鋼板，中間填充 100 mm 厚聚氨酯保溫材料。

(5) 氣密性：換氣次數(shù)小于 0.05 h-1。

3 潔凈空氣量測試(CADR)

由于環(huán)境測試艙內顆粒物發(fā)塵、化學氣體發(fā)生試驗過程中，環(huán)境測試艙本體存在對特征污染物的吸附自衰減現(xiàn)象，這部分艙內本體衰減應在對空氣凈化器性能測評中排除，因此需要自然衰減測試、空氣凈化器的總體衰減測試，通過 2次試驗完成對空氣凈化器凈化效率測試。以下以顆粒物潔凈空氣量測評為例，進行說明。

3.1 測試過程

測試過程用香煙煙霧作為顆粒物污染物的塵源，以粒徑在 0.3μm 以上的顆粒物總數(shù)表示。

在環(huán)境測試艙內測試顆粒物濃度前，首先選擇采集時間間隔步長，單位可為秒、分鐘和小時，比如，2 min。測評空氣凈化器步驟如下：

3.1.1 顆粒物的自衰減試驗

(1) 根據(jù)待測空氣凈化器的標稱顆粒物潔凈空氣量、類型及外觀尺寸選擇相應的測試艙，并將其放置于測試艙的中心位置。把空氣凈化器調節(jié)到試驗的額定狀態(tài)，檢驗運轉正常，然后關閉空氣凈化器，關閉測試艙的艙門。

(2) 開啟激光粒子計數(shù)器，用硅膠管連接采樣口、稀釋裝置及激光粒子計數(shù)器進樣口，監(jiān)測艙內顆粒物濃度。

(3) 開啟空調凈化系統(tǒng)，凈化測試艙內空氣，使粒徑在0.3 μm 以上的粒子背景濃度＜ 1 000 個/L，使艙內溫度和相對濕度達到規(guī)定狀態(tài)。

(4) 待艙內顆粒物背景濃度降低到適合水平，記錄顆粒物背景濃度，關閉空調凈化系統(tǒng)，啟動攪拌風扇和循環(huán)風扇。

(5) 將標準香煙放入香煙發(fā)生器內，開啟香煙發(fā)生器，向艙內釋放香煙煙霧，達到一定的量后，關閉香煙發(fā)生器，攪拌風扇再攪拌 10 min，使顆粒物污染物混合均勻后關閉攪拌風扇。試驗過程中，循環(huán)風扇一直保持開啟狀態(tài)。

(6) 待攪拌風扇停止轉動后，用激光粒子計數(shù)器測定顆粒物的初始濃度。試驗開始時0.3μm以上顆粒物的粒子濃度應為 2×106～2×107個/L，計算時對應 t=0 min。

(7) 測試艙內的初始濃度測定后，每 2 min 測定并記錄一次顆粒物的濃度，連續(xù)測定 20 min。

(8) 記錄試驗時艙內的溫度、相對濕度和大氣壓。

3.1.2 顆粒物的總衰減試驗

(1) 按照顆粒物自衰減試驗中步驟 ①～⑥ 的規(guī)定進行試驗。

(2) 測試艙內的初始濃度測定后，開啟待測空氣凈化器至額定狀態(tài)，開啟的時刻為 t=0 min，同時開始取樣進行測定，每 2 min 測定并記錄一次顆粒物的濃度，連續(xù)測定 20 min。

(3) 關閉空氣凈化器，記錄試驗時艙內的溫度、相對濕度和大氣壓。

3.2 測試數(shù)據(jù)處理方法

自衰減和總衰減數(shù)據(jù)采集完畢后，用下列公式計算出自衰減常數(shù)、總衰減常數(shù)、潔凈空氣量和凈化效能等數(shù)據(jù)。

(1) 空氣凈化器顆粒物衰減常數(shù)根據(jù)式(1)、(2)、(3)計算。測試艙內污染物的濃度隨時間的變化符合指數(shù)函數(shù)的變化趨勢，用式 (1) 表示：

式中：ct——在時間 t 時的顆粒物濃度，個/L；

c0——在 t=0 時初始顆粒物濃度，個/L；

k ——衰減常數(shù)，min-1；

t ——時間，min。

kn和 ke通過不運行和運行空氣凈化器試驗，即自然衰減實驗和總衰減試驗前提下，按照式 (2) 做 lncti和 t 的線性回歸，可求得自衰減系數(shù) kn和 ke總衰減系數(shù) ：

式中：k——衰減常數(shù)，min-1；

ti——第 i 個取樣點對應的時間，min；

lwcti——第i個取樣點對應的污染物濃度自然對數(shù)；

n ——采樣次數(shù)。

顆粒物潔凈空氣量測試中，要求衰減函數(shù)的相關系數(shù)R2應當不小于 0.98，按照式 (3) 計算：

其中：xi=ti

yi=lncti

式中：R2——相關系數(shù)的平方；

ti——第 i 個取樣點對應的時間，i=1，2，3，…n，min；

lwcti——第i個取樣點對應的污染物濃度自然對數(shù)；

n ——采樣次數(shù)。

(2) 空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量根據(jù)式(4)計算：

式中：Q——潔凈空氣量，m3/h；

ke——總衰減系數(shù)，min-1；

kn——自衰減系數(shù)，min-1；

V—環(huán)境測試艙體積，m3。

(3) 空氣凈化器對顆粒物的凈化能效根據(jù)式(5)計算：

式中：η ——凈化能效，m3/(W·h)；

Q ——目標污染物潔凈空氣量實驗值，m3/h；

P ——輸入功率實測值，W。

4 應用案例

某品牌 X 型號空氣凈化器銘牌標識顆粒物潔凈空氣量值為 650 m3/h，在 30 m3測試艙(圖 1)中進行測評。測試過程中用 TSI 3340 粒子計數(shù)設備(圖 2)測試顆粒物濃度。

圖1 30 m3大型環(huán)境測試艙

圖2 TSI 3340 粒子計數(shù)器

(1) 潔凈空氣量測試過程中測試艙內溫濕度變化情況。顆粒物潔凈空氣量測試過程持續(xù)時間按約為 60 min，每間隔 10 min 選取一個點記錄溫度、相對濕度。GB/T 18801—2015 要求測試過程中溫度控制在 (25±2)℃，相對濕度控制在 (50±10)%。如圖 3、圖 4 所示，溫度、相對濕度都滿足國標要求。

圖3 測試過程中溫度隨時間變化圖

圖4 測試過程中相對濕度隨時間變化圖

(2) 潔凈空氣量測試過程自衰減和總衰減擬合曲線。初始濃度測定后，顆粒物潔凈空氣量自衰減和總衰減數(shù)據(jù)采集時間都為 20 min，采樣間隔 2 min。測試數(shù)據(jù)擬合曲線見圖 5。

圖5 自衰減擬合曲線圖

(3) 顆粒物潔凈空氣量計算。根據(jù)擬合曲線可以得到自衰減系數(shù)=0.007 0 和總衰減系數(shù) =0.346 4。由式 (4) 計算得出空氣凈化器樣機的顆粒物潔凈空氣量 Q=611 m3/h。該空氣凈化器樣機實測功率為 138 W，根據(jù)公式 (5) 計算此空氣凈化器對顆粒物的凈化能效η=4.43 m3/(W·h)。

此品牌空氣凈化器的實測顆粒物潔凈空氣量為標稱顆粒物潔凈空氣量的 94%，稍小于標稱顆粒物潔凈空氣量值。根據(jù) GB/T 18801—2015 顆粒物凈化能效分級指標，可判定這臺空氣凈化器樣機的顆粒物凈化能效等級為合格級。

5 結 語

環(huán)境測試艙通過營造可控可調節(jié)的人工環(huán)境，并結合顆粒物、化學污染物檢測設備，可實現(xiàn)對空氣凈化器類凈化產品性能測評。本文介紹了 30 m3環(huán)境測試艙的原理和環(huán)境控制模式，并對空氣凈化器的關鍵性能指標潔凈空氣量(CADR)測試具體說明。

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TU50

A

1674-814X(2017)02-0055-04

2016-12-28

姜耀鵬，現(xiàn)供職于上海新能源科技成果轉化與產業(yè)促進中心；滕振飛，現(xiàn)供職于上海產業(yè)技術研究院。作者通信地址：上海市浦東新區(qū)金蘇路200號F幢211室，郵編：201206。