影響空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量因素研究

楊焯靖 周夢然 賀 雷 焦 鵬 施清清

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

近年來全國多城市霧霾天氣愈發(fā)嚴(yán)重，室內(nèi)空氣質(zhì)量也嚴(yán)重下降，室內(nèi)環(huán)境顆粒物污染與人體健康息息相關(guān)[1]，且絕大多數(shù)人超過 80 % 以上的時(shí)間在室內(nèi)度過[2]，空氣凈化器作為可有效去除室內(nèi)顆粒物，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的環(huán)境電器，備受人們青睞。目前，空氣凈化器發(fā)展迅速，導(dǎo)致市場上凈化器品種繁多，質(zhì)量參差不齊，給市場監(jiān)管和消費(fèi)者選擇都增加了很大的難度。潔凈空氣量（CADR）是指單位時(shí)間對污染物凈化能力的參數(shù)，表示空氣凈化器提供潔凈空氣的速率。潔凈空氣量是判別空氣凈化器凈化效果的重要指標(biāo)之一，也是消費(fèi)者選擇空氣凈化器的重要參考指標(biāo)[3]。本文通過測量空氣凈化器在不同進(jìn)風(fēng)口尺寸、濾網(wǎng)阻力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)道密封性因素影響下空氣凈化器去除顆粒物的效果，論證這四種因素對空氣凈化器潔凈空氣量的影響，為前端開發(fā)高性能空氣凈化器提供一定參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)用某品牌空氣凈化器

1）不同的濾網(wǎng)裝配間隙：同一空氣凈化器匹配不同濾網(wǎng)裝配間隙；

2）不同阻力的過濾網(wǎng)：同一空氣凈化器匹配不同阻力的HEPA材質(zhì)過濾網(wǎng)；

3）調(diào)節(jié)不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)：同一空氣凈化器匹配不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速；

4）不同進(jìn)風(fēng)口面積的組件：同一空氣凈化器匹配不同面積的進(jìn)風(fēng)口組件。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

塵埃粒子計(jì)數(shù)器采用美國TSI公司生產(chǎn)的DUSTTRAK5832粉塵測定儀，可測量濃度范圍為0.001～150 mg/m3，粒徑范圍為 0.1～10 μm，可調(diào)流量范圍是 1.4～3 L/min。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)場所

根據(jù)國標(biāo)GB /T 18801-2015[4]規(guī)定采用長、寬、高分別為：3.5 m、3.4 m、2.4 m，體積為30 m3的封閉式實(shí)驗(yàn)室，其墻壁采用0.8 mm的浮法平面玻璃，經(jīng)過抗靜電劑清洗，減少艙內(nèi)顆粒物在壁面的吸附。艙內(nèi)1 個(gè)攪拌風(fēng)扇、1 個(gè)循環(huán)扇，保證艙內(nèi)空氣混合均勻。環(huán)境溫度為（25±2） ℃環(huán)境濕度為相對濕度（50±10） %。密閉性：換氣次數(shù)不大于0.05 h-1，無外界氣流、強(qiáng)烈陽光和其他輻射作用的室內(nèi)進(jìn)行。

1.2 潔凈空氣量的測試方法

根據(jù)國準(zhǔn) GB/T 18801-2015《空氣凈化器》規(guī)定執(zhí)行，將空氣凈化器放在實(shí)驗(yàn)室地面中心位置上，采樣點(diǎn)避開進(jìn)出風(fēng)口布置，離地1.2 mm，離墻1 mm；循環(huán)扇離地1.5 mm，離后墻0.4 mm；發(fā)煙器置于被測環(huán)境艙中。在實(shí)驗(yàn)室密閉情況下，打開高效空氣過濾器，使0.3 μm粒徑以上的顆粒物背景濃度小于1 000個(gè)/L；待顆粒物濃度穩(wěn)定并降低到適當(dāng)水平，關(guān)閉高效空氣過濾器，開啟循環(huán)扇和攪拌風(fēng)扇，同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)香煙放入煙霧發(fā)生裝置后啟動(dòng)裝置，當(dāng)0.3 μm以上顆粒物濃度達(dá)到2×106～2×107個(gè)/L時(shí)，關(guān)閉煙霧發(fā)生裝置，在攪拌10 min后關(guān)閉攪拌風(fēng)扇，循環(huán)風(fēng)扇一直保持開啟狀態(tài)；此時(shí)記為初始濃度，對應(yīng)時(shí)間為t=0 min，開啟空氣凈化器后，每2 min測定一次顆粒物濃度，連續(xù)測定20 min。

1.3 潔凈空氣量的計(jì)算方法

潔凈空氣量CDAR為：

式中：

CDAR—潔凈空氣量，單位為立方米每小時(shí)（m3/h）；

Ke—開空氣凈化器后的總衰減常數(shù)，單位為每分（min-1）；

Kn—開空氣凈化器前的自然衰減常數(shù)，單位為每分（min-1）；

V—實(shí)驗(yàn)室容積，單位為立方米（m3）。

污染物的總衰減常數(shù)Kn和自然衰減常數(shù)Ke可由式（3）計(jì)算得到，開空氣凈化器前自然衰減工況濃度變化計(jì)算的污染物衰減常數(shù)K即為自然衰減常數(shù)Ke；開空氣凈化器后總衰減工況下污染物濃度變化計(jì)算的污染物衰減常數(shù)K即為總衰減常數(shù)Kn。

式中：

Ct—開空氣凈化器后時(shí)間t的顆粒物濃度，單位為個(gè)每升（個(gè)/L）；

C0—開空氣凈化器前的初始顆粒物濃度，單位為個(gè)每升（個(gè)/L）；

ti—第i各取樣點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間，單位為每分（min-1）；

t—時(shí)間，單位為分（min）；

n—采樣次數(shù)。

2 試驗(yàn)方案驗(yàn)證及結(jié)果

2.1 濾網(wǎng)裝配密封性對潔凈空氣量的影響情況

同一空氣凈化器分別匹配5組不同濾網(wǎng)裝配間隙，其裝配關(guān)系見圖1，并同步更換同型號(hào)新過濾網(wǎng)，均使用高檔運(yùn)行20 min；測試結(jié)果見表1，不同濾網(wǎng)裝配間隙所對應(yīng)測得的潔凈空氣量數(shù)值變化趨勢見圖2。

圖1 濾網(wǎng)與風(fēng)道縱向裝配示意圖

表1測試數(shù)據(jù)表明，裝配間隙由0 mm增加到8 mm時(shí)，CDAR由282 m3/h減小到251 m3/h，CDAR會(huì)隨濾網(wǎng)裝配間隙變大而減小，其變化趨勢如圖2 所示。分析原因?yàn)闉V網(wǎng)與風(fēng)道裝配存在間隙時(shí)，一部分空氣從裝配間隙直接到達(dá)出風(fēng)口吹出，未經(jīng)過過濾網(wǎng)過濾，減小了有效過濾的空氣量，從而使CDAR降低。若濾網(wǎng)與風(fēng)道裝配無間隙，則CDAR不會(huì)受到影響。

圖2 不同過濾網(wǎng)裝配間隙所測的潔凈空氣量變化趨勢

表1 不同濾網(wǎng)風(fēng)道縱向裝配間隙測試結(jié)果

2.2 濾網(wǎng)阻力對潔凈空氣量的影響情況

同一空氣凈化器分別匹配5組不同阻力的濾網(wǎng)，濾網(wǎng)阻力值根據(jù)國標(biāo)GB/T 14295-2019空氣過濾器[5]測試得出，均使用高檔運(yùn)行20 min；測試結(jié)果見表2，不同濾網(wǎng)阻力所對應(yīng)測得的潔凈空氣量數(shù)值變化趨勢見圖3。

表2測試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)匹配濾網(wǎng)阻力在41.5 Pa時(shí)，測試CADR為295 m3/h，當(dāng)匹配濾網(wǎng)阻力57.8 Pa時(shí)，測試CADR為241 m3/h，CADR會(huì)隨濾網(wǎng)阻力變大而逐漸變小，其變化趨勢如圖3所示。分析為濾網(wǎng)阻力變大，單位時(shí)間內(nèi)過濾的空氣量減小，從而導(dǎo)致潔凈空氣量減少。

圖3 不同阻力濾網(wǎng)所測的潔凈空氣量變化趨勢

表2 匹配不同阻力的濾網(wǎng)搭配測試結(jié)果

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速對潔凈空氣量的影響情況

同一空氣凈化器分別匹配10 組不同電機(jī)轉(zhuǎn)速，并同步更換同型號(hào)新過濾網(wǎng)，均運(yùn)行20 min；測試結(jié)果見表3，不同電機(jī)轉(zhuǎn)速所對應(yīng)測得的潔凈空氣量數(shù)值變化趨勢見圖4 。

由表3 數(shù)據(jù)表明：電機(jī)轉(zhuǎn)速從 1 000 r/min提升到1 400 r/min時(shí)，CADR從181 m3/h增大到267 m3/h，此階段CDAR隨著轉(zhuǎn)速的增大而快速的增大；轉(zhuǎn)速由1 400 r/min提升到1 600 r/min過程中，CADR從267 m3/h增大到293 m3/h，此階段CDAR隨著轉(zhuǎn)速的增大而緩慢的增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 700 r/min提升到1 900 r/min時(shí)，CADR基本在307 m3/h左右，不再增大。綜上：當(dāng)轉(zhuǎn)速較小的時(shí)候CADR隨著轉(zhuǎn)速的提高而快速增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時(shí)，CADR增大的速率減緩直至穩(wěn)定不變，其變化趨勢如圖4 所示。分析為電機(jī)轉(zhuǎn)速低，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量小，凈化效率低，潔凈空氣量??；轉(zhuǎn)速上升達(dá)到一定值時(shí)，受濾網(wǎng)過濾能力的限制，凈化效率逐漸穩(wěn)定，潔凈空氣同步趨于穩(wěn)定。

圖4 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速為所測的潔凈空氣量變化趨勢

表3 匹配不同電機(jī)轉(zhuǎn)速測試結(jié)果

2.4 進(jìn)風(fēng)口面積對潔凈空氣量的影響情況

同一空氣凈化器分別匹配10 組不同面積的進(jìn)風(fēng)口（見圖5），并同步更換同型號(hào)新過濾網(wǎng)，均使用高檔運(yùn)行20 min；測試結(jié)果見表4，不同面積進(jìn)風(fēng)口所對應(yīng)測得的潔凈空氣量數(shù)值變化趨勢見圖6 。

圖5 百葉窗進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖

由表4 數(shù)據(jù)表明，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口面積從2 280 mm2增加到3 591 mm2時(shí)，潔凈空氣量從249 m3/h增大到268 m3/h，此階段CADR隨著進(jìn)風(fēng)口面板增大而增大；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口面積從3 780 mm2增加到5 163 mm2過程中，潔凈空氣量逐漸穩(wěn)定到270 m3/h左右，此階段CADR逐漸穩(wěn)定不增大。綜上：當(dāng)進(jìn)風(fēng)口面積較小的時(shí)候，CADR會(huì)隨著進(jìn)風(fēng)口面積增大而增大，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口面積進(jìn)一步增大時(shí)，CADR逐漸趨于穩(wěn)定不再增大，其變化趨勢如圖6 所示。分析為進(jìn)風(fēng)口面積過小時(shí)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量小，空氣凈化器凈化效率低，進(jìn)風(fēng)口面積變大，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量隨之增加，凈化效率因此也逐漸提高，潔凈空氣量隨之上升；當(dāng)進(jìn)風(fēng)面積達(dá)到一定量時(shí)，受空氣凈化器電機(jī)轉(zhuǎn)速及過濾網(wǎng)過濾能力的限制，凈化效率不再提高，因此潔凈空氣量逐漸趨于穩(wěn)定。

表4 匹配不同面積進(jìn)風(fēng)口測試結(jié)果

圖6 不同面積進(jìn)風(fēng)口所測的潔凈空氣量變化趨勢

3 結(jié)論

在研究進(jìn)風(fēng)口面積、濾網(wǎng)阻力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、濾網(wǎng)裝配間隙對空氣凈化器潔凈空氣量的測試試驗(yàn)中，潔凈空氣量隨濾網(wǎng)阻力、濾網(wǎng)裝裝配間隙的變大而減??；隨進(jìn)風(fēng)口面積和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變大而減小，但當(dāng)進(jìn)風(fēng)口面積和電機(jī)轉(zhuǎn)速增大到一定值時(shí)，潔凈空氣量逐漸趨于穩(wěn)定。因此在空氣凈化器開發(fā)階段，盡可能的降低濾網(wǎng)阻力、消除濾網(wǎng)裝配間隙，防止影響潔凈空氣量降低，同時(shí)匹配最優(yōu)的進(jìn)風(fēng)口尺寸和電機(jī)轉(zhuǎn)速，獲得最佳潔凈空氣量參數(shù)，提高產(chǎn)品競爭力和用戶使用滿意度。