楊秀峰，夏利梅，周雪涵

(揚州大學(xué) 電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

人們大多數(shù)時間在室內(nèi)度過，因此室內(nèi)空氣環(huán)境對人體健康的影響較大[1,2].隨著大氣污染的加劇和霧霾天氣的頻發(fā)，室內(nèi)懸浮顆粒物濃度常常超標(biāo).Smith[3]指出，室內(nèi)顆粒物污染占室內(nèi)空氣污染的份額高達76%.因此，人們在關(guān)注室內(nèi)溫濕度的同時，越來越關(guān)注室內(nèi)空氣污染尤其是顆粒物污染的控制和治理.于是，空氣凈化器的應(yīng)用日益廣泛，未來將具有更大的市場潛力[4].

家用空氣凈化器的品牌眾多、功能和質(zhì)量參差不齊.現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801-2015《空氣凈化器》[5]和相關(guān)研究主要利用潔凈空氣量、累積凈化量和凈化能效等指標(biāo)評價空氣凈化器的性能[6,7].胡曉微等[8]指出了傳統(tǒng)評價指標(biāo)的局限性，提出了單位面積凈化量、單位時間凈化量及單位面積單位時間凈化量等補充性指標(biāo).然而，凈化效率是影響凈化器性能的重要因素，也是最直觀、最容易被普通消費者理解的性能指標(biāo).

已有研究的測試過程通常是先利用污染物發(fā)生器使試驗艙內(nèi)的污染物濃度升至較高水平，再關(guān)閉發(fā)生器，分別進行凈化器關(guān)閉和運行條件下室內(nèi)污染物的自然衰減試驗和總衰減試驗[5-9].實際上，凈化器運行過程中室內(nèi)通常有持續(xù)釋放的穩(wěn)定污染源，因此測試穩(wěn)定污染源條件下高污染房間(如會議室和棋牌室)內(nèi)凈化器的工作性能更有現(xiàn)實意義.燃香是室內(nèi)的常見污染源，Cheng等[10]報道了燃香煙霧的動力學(xué)特性及其對室內(nèi)環(huán)境的影響，張金萍[11]指出燃香對室內(nèi)顆粒數(shù)的影響主要集中在0.02～1.0 μm之間，后續(xù)有研究[12,13]探討了燃香空氣污染的特征，或利用燃香來模擬室內(nèi)污染源[14,15].本研究以燃香為室內(nèi)顆粒污染源，在試驗艙內(nèi)測試了一臺過濾式空氣凈化器對懸浮顆粒物的凈化性能，分析了不同風(fēng)量下的凈化效率，進而在顆粒物質(zhì)量守恒模型和實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了室內(nèi)顆粒物濃度的衰減特征和濃度達標(biāo)所需的時間，可為實際工況下高污染房間內(nèi)凈化器性能的測試、評價及選用提供實踐和理論參考.

1 測試過程

試驗艙內(nèi)部尺寸為4.89 m × 3.90 m × 2.68 m(長×寬×高)，面積為19.1 m2，體積為51.1 m3.試驗艙壁面材質(zhì)為彩鋼板，測試前先進行清潔，以消除壁面沉積顆粒物的影響.艙內(nèi)距地面0.8 m處放置了4盤點燃的蚊香，模擬均勻釋放顆粒物的室內(nèi)污染源；天花板處設(shè)置2臺吊扇(直徑70 mm，扇葉5片，功率20 W)，測試過程中保持運轉(zhuǎn)，可使艙內(nèi)污染物分布接近均勻；一臺嶄新的空氣凈化器放置在試驗艙地面中心，四周無其他物體，過濾單元非常清潔.顆粒物濃度由TSI DUSTTRAK-8530粉塵儀測得，艙內(nèi)溫度和濕度由SwemaAir300多功能氣流測試儀測得，凈化器循環(huán)風(fēng)量由TSI 8375M套帽式風(fēng)量罩測得.試驗艙平面布置見圖1.

圖1 試驗艙平面布置Fig.1 Configuration of the test chamber

測試過程按以下步驟進行：

(a) 關(guān)閉試驗艙門窗，點燃蚊香，開啟吊扇，使艙內(nèi)顆粒物逐漸混合均勻，記錄艙內(nèi)溫度和濕度；

(b) 吊扇攪拌5 min后沿試驗艙對角線測量離地1.2 m、間隔2.0 m的3個位置處的PM2.5和PM10濃度，分別取平均值為該時刻艙內(nèi)的PM2.5和PM10濃度，5 min后進行下一組測試，共測試10組，耗時50 min；

(c) 開啟空氣凈化器，間隔幾分鐘測試一組顆粒物濃度數(shù)據(jù)(包括艙內(nèi)濃度、凈化器進風(fēng)口和出風(fēng)口濃度)；

(d) 分別測量凈化器高、中、低檔的循環(huán)風(fēng)量；

(e) 關(guān)閉空氣凈化器，記錄試驗艙內(nèi)的溫濕度.

測試過程主要分為2個階段，步驟a)和b)為顆粒物發(fā)生量測試階段，步驟c)為空氣凈化器性能測試階段.測試過程中，蚊香始終點燃，持續(xù)釋放顆粒物；吊扇保持運行，以充分?jǐn)嚢枧搩?nèi)空氣.

2 測試結(jié)果及分析

2.1 顆粒物發(fā)生量

圖2給出了蚊香點燃、凈化器關(guān)閉階段(0～50 min)試驗艙內(nèi)的顆粒物濃度變化.由于試驗艙為密閉空間，且凈化器未啟動，故艙內(nèi)顆粒物濃度不斷上升.試驗艙內(nèi)的顆粒物質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中，c為顆粒物濃度，μg/m3；t為時間，s；M為顆粒物發(fā)生量，μg/s；V為試驗艙體積，m3.

由(1)式可以得到顆粒物的瞬時濃度為

(2)

式中：c0為顆粒物初始濃度，μg/m3.

圖2 顆粒物發(fā)生量測試Fig.2 Test of particulate generation rate

因此，對測得的顆粒物濃度數(shù)據(jù)進行線性擬合，所得直線的斜率即為M/V，進而可推算出4盤燃香的顆粒物發(fā)生量M分別為2.67 μg/s(PM2.5)和3.60 μg/s(PM10)，即每盤蚊香的PM2.5和PM10發(fā)生量分別為0.67 μg/s和0.9 μg/s. 圖2中的水平虛線對應(yīng)著《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 18883-2002[16]規(guī)定的室內(nèi)PM10濃度限值150 μg/m3，由圖可知4盤燃香同時點燃20分鐘后室內(nèi)顆粒物濃度即會超標(biāo).

2.2 低檔風(fēng)量凈化效果

實測得到的空氣凈化器高、中、低檔循環(huán)風(fēng)量分別為735 m3/h、400 m3/h和200 m3/h，對應(yīng)的換氣次數(shù)分別為14.4次/h、7.8次/h和3.9次/h，下文給出了低檔和高檔風(fēng)量條件下凈化器測試結(jié)果.顆粒物發(fā)生量測試完成后開啟空氣凈化器，蚊香繼續(xù)燃燒，試驗艙內(nèi)的顆粒物濃度逐漸降低.圖3給出了凈化器低檔風(fēng)量下試驗艙內(nèi)PM2.5和PM10的濃度變化情況.

圖3 低檔風(fēng)量下試驗艙內(nèi)的顆粒物濃度變化Fig.3 Variation of particulate concentration in test chamber for small air rate of air cleaner

假設(shè)試驗艙內(nèi)顆粒物均勻分布，不考慮粒子沉降，則凈化過程中室內(nèi)顆粒物質(zhì)量守恒方程為

Mdt-Qcdt=Vdc

(3)

式中：Q為凈化器循環(huán)風(fēng)量，m3/s；η為凈化器對顆粒物的一次凈化效率.

凈化過程中艙內(nèi)顆粒物的瞬時濃度為

(4)

式中：c′0為凈化器啟動時(圖2中的50 min)的艙內(nèi)顆粒物濃度，μg/m3；Qη/V為衰減常數(shù)(1/s)，在風(fēng)量Q和體積V已知時僅取決于一次凈化效率η；Qη表示凈化器提供潔凈空氣的速率，相當(dāng)于國家標(biāo)準(zhǔn)中的潔凈空氣量CADR[5,9,17,18].

因此，將測得的顆粒物濃度數(shù)據(jù)擬合為指數(shù)函數(shù)，由函數(shù)的衰減常數(shù)可推算出一次凈化效率η.根據(jù)圖3的擬合結(jié)果推算得到的凈化器低檔風(fēng)量對應(yīng)的一次凈化效率分別為54.3%(PM2.5)和56.6%(PM10).

所測空氣凈化器的進風(fēng)口位于機器下部，出風(fēng)口分別位于機器上部和左右兩側(cè).實驗過程中，分別測得了凈化器進風(fēng)口和出風(fēng)口處的顆粒物濃度，可據(jù)此計算出局部凈化效率ηi和平均凈化效率ηa,公式如下：

(5)

凈化器低檔風(fēng)量條件下，實測得到的各出風(fēng)口處的凈化效率如表1所示，表中的平均凈化效率ηa與圖3中曲線擬合得到的衰減常數(shù)導(dǎo)出的一次凈化效率η吻合較好，這說明(3)式關(guān)于室內(nèi)顆粒物均勻分布且忽略粒子沉降的假設(shè)是合理的.

表1 低檔風(fēng)量下的凈化效率

2.3 高檔風(fēng)量凈化效果

低檔風(fēng)量凈化過程測試結(jié)束后，關(guān)閉凈化器，蚊香繼續(xù)燃燒，使試驗艙內(nèi)的顆粒物濃度上升至較高水平后再次開啟凈化器，進行高檔風(fēng)量下的凈化性能測試，結(jié)果見圖4.將測試數(shù)據(jù)擬合為指數(shù)衰減曲線，并根據(jù)衰減常數(shù)推算出凈化器對PM2.5和PM10的一次凈化效率分別為57.4%和60.3%.

圖4 高檔風(fēng)量下試驗艙內(nèi)的顆粒物濃度變化Fig.4 Variation of particulate concentration in test chamber for large air rate of air cleaner

由高檔風(fēng)量下凈化器進、出風(fēng)口處的顆粒物濃度算得的凈化效率如表2所示，其結(jié)果與圖4中擬合曲線的衰減常數(shù)對應(yīng)的一次凈化效率非常接近.

表2 高檔風(fēng)量下的凈化效率

對比高、低風(fēng)量的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，前者對應(yīng)的一次凈化效率比后者約高4%，這是因為該凈化器的顆粒物凈化機理為機械捕集，故風(fēng)速越大，攔截效應(yīng)越強，一次過濾效率越高[17].表1和表2還表明，凈化器上部過濾裝置和側(cè)邊過濾裝置的凈化效率相差不大，前者比后者略高.

根據(jù)凈化器的風(fēng)量和凈化效率可以計算得到潔凈空氣量CADR為449.82 m3/h，為標(biāo)稱值(538 m3/h)的83.6%，低于國標(biāo)GB/T 18801-2015規(guī)定的潔凈空氣量實測值不應(yīng)低于標(biāo)稱值90%的要求.該凈化器高檔風(fēng)量下的額定功率為75 W，凈化能效為5.998 m3/(W·h)，國標(biāo)GB/T 18801-2015規(guī)定對顆粒物的凈化能效η顆粒物≥ 5 m3/(W·h)為高效級，故本凈化器屬于高效級.

2.4 濃度衰減方程

(4)式表明，若已知顆粒物發(fā)生量M、凈化器循環(huán)風(fēng)量Q、一次凈化效率η、房間體積V和室內(nèi)顆粒物初始濃度c′0，可以得到空氣凈化過程中室內(nèi)顆粒物濃度的衰減規(guī)律.本文在線性擬合得到的顆粒物發(fā)生量M和凈化器進、出風(fēng)口處實測濃度得到的平均凈化效率ηa的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了凈化過程中顆粒物濃度的衰減方程，并與試驗艙內(nèi)實測濃度擬合得到的衰減方程(見圖3和圖4)進行對比，見表3.

表3 顆粒物濃度衰減方程

由表3可知，兩種方法得到的顆粒物濃度衰減方程的衰減常數(shù)吻合較好，這是因為兩種方法對應(yīng)的凈化效率非常接近.但是，兩類衰減方程的常數(shù)項差別較大(尤其是低檔風(fēng)量工況)，主要是由于凈化器開啟一段時間后才能到達穩(wěn)定狀態(tài)，從而可能導(dǎo)致擬合曲線的起點偏移.總體來說，兩種方法得到的衰減方程均能正確反映凈化過程中室內(nèi)顆粒物濃度的衰減特征.

2.5 濃度達標(biāo)所需時間

由式(3)可知，若室內(nèi)顆粒物發(fā)生量M

(5)

圖5以c′0=450 μg/m3、Qη=450 m3/h為例，給出了不同的單位面積污染物釋放量m和房間面積A的條件下，從凈化器開始工作到顆粒物濃度降至達標(biāo)濃度所需的時間，圖中的54 m2為該凈化器標(biāo)稱的適用面積. 圖5表明，m或A越大，室內(nèi)顆粒物濃度達標(biāo)所需的時間越長.3條曲線的最右側(cè)點分別對應(yīng)著3個房間的單位面積污染物釋放量m的最大值，如果m超過該值，該臺凈化器無法使室內(nèi)濃度降至達標(biāo)濃度.由此可見，凈化器的適用面積不僅取決于凈化性能Qη，還與初始濃度c0′、單位面積污染物釋放量m有關(guān)，高污染房間的凈化器選用應(yīng)綜合考慮上述因素.

圖5 室內(nèi)污染物濃度達標(biāo)所需的時間Fig.5 Time needed for reducing the particulate concentration to the standard

3 結(jié)論

本研究測試了試驗艙內(nèi)污染源穩(wěn)定散發(fā)條件下空氣凈化器對懸浮顆粒物的凈化性能，分析了不同風(fēng)量下凈化器的凈化效率和室內(nèi)顆粒物濃度的衰減特性，可為實際工況下高污染房間內(nèi)凈化器性能的測試和評價提供實踐和理論參考.主要研究結(jié)論如下：

(1) 燃香可持續(xù)穩(wěn)定地散發(fā)顆粒物，每盤蚊香的PM2.5和PM10發(fā)生量分別為0.67 μg/s和0.9 μg/s；

(2) 由凈化器進、出風(fēng)口處的顆粒物濃度計算得到的凈化效率與室內(nèi)顆粒物濃度擬合曲線推算的凈化效率吻合較好；

(3) 該款凈化器低檔和高檔風(fēng)量條件下測得的PM2.5凈化效率分別為55.1%和59.4%，PM10凈化效率分別為57.2%和61.2%，高檔風(fēng)量對應(yīng)的一次凈化效率比低檔風(fēng)量對應(yīng)的一次凈化效率約高4%；

(4) 由顆粒物發(fā)生量和測得的凈化效率導(dǎo)出的顆粒物濃度衰減方程與室內(nèi)顆粒物濃度數(shù)據(jù)擬合得到的濃度衰減方程均能準(zhǔn)確反映凈化過程中室內(nèi)顆粒物濃度的指數(shù)衰減特征；

(5) 凈化器適用面積不僅取決于凈化性能，還與初始濃度、單位面積污染物釋放量有關(guān)，高污染房間的凈化器選用應(yīng)綜合考慮上述因素.