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        空氣凈化器檢測用環(huán)境測試艙開發(fā)與應(yīng)用

        2017-11-07 09:18:45姜耀鵬滕振飛上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心上海006上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院上海006
        綠色建筑 2017年2期
        關(guān)鍵詞:空氣量凈化器顆粒物

        姜耀鵬,滕振飛(. 上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心,上海 006 ;. 上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(yīng)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(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心,上海 201206 ;2. 上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(biāo)。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(nèi)顆粒物和化學(xué)氣體污染物的有效手段[1]。在大氣灰霾和室內(nèi)人為活動等原因的共同影響下,導(dǎo)致了嚴(yán)重的室內(nèi)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(chǎn)品規(guī)范的主要手段[3-4]。

        為實現(xiàn)對空氣凈化器產(chǎn)品的凈化性能檢測,2016 年由上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院主持聯(lián)合多家相關(guān)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(wù),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(nèi)環(huán)境,是一種檢測和研究空氣凈化器凈化性能的重要設(shè)備。環(huán)境測試艙主要由艙體、空調(diào)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(diào)凈化系統(tǒng)在測試艙內(nèi)形成溫濕度和潔凈度滿足實驗要求的環(huán)境,然后在艙內(nèi)釋放一定量的污染物(顆粒物、微生物或化學(xué)污染物),開啟艙內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品,檢測艙內(nèi)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計建造,主要用于檢測空氣凈化器及相關(guān)室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品等。檢測項目主要包括:顆粒物及甲醛、苯等化學(xué)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(zhì)釋放量等。

        2 控制模式與參數(shù)

        2.1 風(fēng)閥控制

        開啟風(fēng)機(jī)前,需要首先選擇風(fēng)閥模式。風(fēng)閥狀態(tài)共有三種模式:密閉模式(測試狀態(tài))、內(nèi)循環(huán)模式(實驗前調(diào)試)和排風(fēng)模式(試驗后排氣)。試驗前,需要使環(huán)境測試艙內(nèi)環(huán)境滿足一定的溫濕度和潔凈度要求,需采用內(nèi)循環(huán)模式;當(dāng)艙內(nèi)溫濕度達(dá)到設(shè)定要求,采用密閉模式;當(dāng)完成發(fā)煙發(fā)塵、化學(xué)氣體發(fā)生試驗后,需采用排氣模式,排氣前經(jīng)過過濾吸附采集系統(tǒng)凈化。

        2.2 溫濕調(diào)控

        選擇風(fēng)閥模式后,在電加熱和電加濕的控制界面輸入需要達(dá)到的溫度和相關(guān)濕度(23 ℃ 和 50%),在風(fēng)機(jī)控制界面,輸入風(fēng)機(jī)運行頻率(25Hz),然后開啟風(fēng)機(jī)。根據(jù)艙內(nèi)實際環(huán)境狀況(溫濕度),選擇電加熱、電加濕或室外機(jī)(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(diào)控,而另外 2 根加熱器則需要人為開啟或關(guān)閉。如果艙內(nèi)溫度較低,則需要 3 根同時開啟,等接近控制溫度時,則可關(guān)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(diào))”和“電加濕(可調(diào))”即可。

        制冷通過開啟空調(diào)室外機(jī)實現(xiàn)。當(dāng)溫度超過試驗要求溫度,開啟室外機(jī),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(shù)指標(biāo)

        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(diào)節(jié)范圍:(20~30)℃

        調(diào)節(jié)精度:±2K

        測量精度:±0.1K

        (2) 相對濕度。

        調(diào)節(jié)范圍:(40~60)%RH

        調(diào)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(nèi)壁材質(zhì)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(nèi)顆粒物發(fā)塵、化學(xué)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(nèi)本體衰減應(yīng)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(jìn)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(nèi)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(biāo)稱顆粒物潔凈空氣量、類型及外觀尺寸選擇相應(yīng)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(diào)節(jié)到試驗的額定狀態(tài),檢驗運轉(zhuǎn)正常,然后關(guān)閉空氣凈化器,關(guān)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(jìn)樣口,監(jiān)測艙內(nèi)顆粒物濃度。

        (3) 開啟空調(diào)凈化系統(tǒng),凈化測試艙內(nèi)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(nèi)溫度和相對濕度達(dá)到規(guī)定狀態(tài)。

        (4) 待艙內(nèi)顆粒物背景濃度降低到適合水平,記錄顆粒物背景濃度,關(guān)閉空調(diào)凈化系統(tǒng),啟動攪拌風(fēng)扇和循環(huán)風(fēng)扇。

        (5) 將標(biāo)準(zhǔn)香煙放入香煙發(fā)生器內(nèi),開啟香煙發(fā)生器,向艙內(nèi)釋放香煙煙霧,達(dá)到一定的量后,關(guān)閉香煙發(fā)生器,攪拌風(fēng)扇再攪拌 10 min,使顆粒物污染物混合均勻后關(guān)閉攪拌風(fēng)扇。試驗過程中,循環(huán)風(fēng)扇一直保持開啟狀態(tài)。

        (6) 待攪拌風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)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(yīng)為 2×106~2×107個/L,計算時對應(yīng) t=0 min。

        (7) 測試艙內(nèi)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(nèi)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(jìn)行試驗。

        (2) 測試艙內(nèi)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(jìn)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(guān)閉空氣凈化器,記錄試驗時艙內(nèi)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(nèi)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(yīng)的時間,min;

        lwcti——第i個取樣點對應(yīng)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(guān)系數(shù)R2應(yīng)當(dāng)不小于 0.98,按照式 (3) 計算:

        其中:xi=ti

        yi=lncti

        式中:R2——相關(guān)系數(shù)的平方;

        ti——第 i 個取樣點對應(yīng)的時間,i=1,2,3,…n,min;

        lwcti——第i個取樣點對應(yīng)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(biāo)污染物潔凈空氣量實驗值,m3/h;

        P ——輸入功率實測值,W。

        4 應(yīng)用案例

        某品牌 X 型號空氣凈化器銘牌標(biāo)識顆粒物潔凈空氣量值為 650 m3/h,在 30 m3測試艙(圖 1)中進(jìn)行測評。測試過程中用 TSI 3340 粒子計數(shù)設(shè)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(nèi)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(biāo)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(jī)的顆粒物潔凈空氣量 Q=611 m3/h。該空氣凈化器樣機(jī)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(biāo)稱顆粒物潔凈空氣量的 94%,稍小于標(biāo)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(biāo),可判定這臺空氣凈化器樣機(jī)的顆粒物凈化能效等級為合格級。

        5 結(jié) 語

        環(huán)境測試艙通過營造可控可調(diào)節(jié)的人工環(huán)境,并結(jié)合顆粒物、化學(xué)污染物檢測設(shè)備,可實現(xiàn)對空氣凈化器類凈化產(chǎn)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(guān)鍵性能指標(biāo)潔凈空氣量(CADR)測試具體說明。

        [1] 張寅平,鄧啟紅,錢華,等. 中國室內(nèi)環(huán)境與健康研究進(jìn)展報告2012[C].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:242-261.

        [2] 姜耀鵬,滕振飛. 我國室內(nèi)空氣污染特點及空氣凈化技術(shù)研究統(tǒng)計分析[J].綠色建筑,2016(6):52-56.

        [3] 朱春,李景廣.室內(nèi)PM2.5氣態(tài)污染物實驗艙測試研究—以蚊香散發(fā)源為例[J].綠色建筑,2014(1): 27-30.

        [4] 高立新,陸亞俊.室內(nèi)空氣凈化器的現(xiàn)狀及改進(jìn)措施[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,36 (2):199-201.

        [5] 鄧高峰,李增和,王志勇.大型環(huán)境測試艙研制與應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2011(3):21-23.

        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(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心;滕振飛,現(xiàn)供職于上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)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。

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