空氣凈化器檢測用環(huán)境測試艙開發(fā)與應(yīng)用

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到的溫度和相關(guān)濕度(23 ℃ 和 50%)，在風(fēng)機控制界面，輸入風(fēng)機運行頻率(25Hz)，然后開啟風(fēng)機。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(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)室外機實現(xiàn)。當(dāng)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(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(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。

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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(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進中心；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。