空氣凈化器檢測(cè)用環(huán)境測(cè)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(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(cè)用環(huán)境測(cè)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(cè)用環(huán)境測(cè)試艙的原理，說明測(cè)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(cè)試方法和測(cè)試過程。最后通過案例介紹環(huán)境測(cè)試艙的實(shí)用性。

環(huán)境測(cè)試艙； 測(cè)評(píng)； 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(dòng)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(duì)空氣凈化器的需求顯著升高。空氣凈化器市場(chǎng)日益活躍，對(duì)其凈化性能的有效測(cè)評(píng)和驗(yàn)證是產(chǎn)品規(guī)范的主要手段[3-4]。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化器產(chǎn)品的凈化性能檢測(cè)，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(cè)用環(huán)境測(cè)試艙，用于空氣凈化器性能檢測(cè)服務(wù)，并致力于對(duì)空氣凈化器市場(chǎng)有效評(píng)測(cè)和規(guī)范[5]。

1 環(huán)境測(cè)試艙原理

環(huán)境測(cè)試艙可以模擬受污染的室內(nèi)環(huán)境，是一種檢測(cè)和研究空氣凈化器凈化性能的重要設(shè)備。環(huán)境測(cè)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(cè)系統(tǒng)組成。首先，通過空調(diào)凈化系統(tǒng)在測(cè)試艙內(nèi)形成溫濕度和潔凈度滿足實(shí)驗(yàn)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(cè)艙內(nèi)污染物濃度隨著時(shí)間變化趨勢(shì)，通過計(jì)算推演得出空氣凈化產(chǎn)品的凈化性能效果。

環(huán)境測(cè)試艙的研制主要參照美國(guó) 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(cè)定》等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造，主要用于檢測(cè)空氣凈化器及相關(guān)室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品等。檢測(cè)項(xiàng)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(cè)試狀態(tài))、內(nèi)循環(huán)模式(實(shí)驗(yàn)前調(diào)試)和排風(fēng)模式(試驗(yàn)后排氣)。試驗(yàn)前，需要使環(huán)境測(cè)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(yàn)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(yùn)行頻率(25Hz)，然后開啟風(fēng)機(jī)。根據(jù)艙內(nèi)實(shí)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(shí)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(shí)開啟，等接近控制溫度時(shí)，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(shí)現(xiàn)。當(dāng)溫度超過試驗(yàn)要求溫度，開啟室外機(jī)，持續(xù)工作，直到溫度滿足試驗(yàn)要求。

2.3 環(huán)境測(cè)試艙主要技術(shù)指標(biāo)

為滿足空氣凈化器檢測(cè)需要，同時(shí)研制開發(fā)了 30 m3大型環(huán)境測(cè)試艙和 3 m3中型環(huán)境測(cè)試艙，2 個(gè)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(cè)量精度：±0.1K

(2) 相對(duì)濕度。

調(diào)節(jié)范圍：(40～60)%RH

調(diào)節(jié)精度：±5%RH

測(cè)量精度：±1%RH

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

由于環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)顆粒物發(fā)塵、化學(xué)氣體發(fā)生試驗(yàn)過程中，環(huán)境測(cè)試艙本體存在對(duì)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(duì)空氣凈化器性能測(cè)評(píng)中排除，因此需要自然衰減測(cè)試、空氣凈化器的總體衰減測(cè)試，通過 2次試驗(yàn)完成對(duì)空氣凈化器凈化效率測(cè)試。以下以顆粒物潔凈空氣量測(cè)評(píng)為例，進(jìn)行說明。

3.1 測(cè)試過程

測(cè)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(cè)試艙內(nèi)測(cè)試顆粒物濃度前，首先選擇采集時(shí)間間隔步長(zhǎng)，單位可為秒、分鐘和小時(shí)，比如，2 min。測(cè)評(píng)空氣凈化器步驟如下：

3.1.1 顆粒物的自衰減試驗(yàn)

(1) 根據(jù)待測(cè)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(cè)試艙，并將其放置于測(cè)試艙的中心位置。把空氣凈化器調(diào)節(jié)到試驗(yàn)的額定狀態(tài)，檢驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，然后關(guān)閉空氣凈化器，關(guān)閉測(cè)試艙的艙門。

(2) 開啟激光粒子計(jì)數(shù)器，用硅膠管連接采樣口、稀釋裝置及激光粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)樣口，監(jiān)測(cè)艙內(nèi)顆粒物濃度。

(3) 開啟空調(diào)凈化系統(tǒng)，凈化測(cè)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(gè)/L，使艙內(nèi)溫度和相對(duì)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(dòng)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(yàn)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(dòng)后，用激光粒子計(jì)數(shù)器測(cè)定顆粒物的初始濃度。試驗(yàn)開始時(shí)0.3μm以上顆粒物的粒子濃度應(yīng)為 2×106～2×107個(gè)/L，計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng) t=0 min。

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

(8) 記錄試驗(yàn)時(shí)艙內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度和大氣壓。

3.1.2 顆粒物的總衰減試驗(yàn)

(1) 按照顆粒物自衰減試驗(yàn)中步驟 ①～⑥ 的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

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

(3) 關(guān)閉空氣凈化器，記錄試驗(yàn)時(shí)艙內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度和大氣壓。

3.2 測(cè)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(jì)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(jì)算。測(cè)試艙內(nèi)污染物的濃度隨時(shí)間的變化符合指數(shù)函數(shù)的變化趨勢(shì)，用式 (1) 表示：

式中：ct——在時(shí)間 t 時(shí)的顆粒物濃度，個(gè)/L；

c0——在 t=0 時(shí)初始顆粒物濃度，個(gè)/L；

k ——衰減常數(shù)，min-1；

t ——時(shí)間，min。

kn和 ke通過不運(yùn)行和運(yùn)行空氣凈化器試驗(yàn)，即自然衰減實(shí)驗(yàn)和總衰減試驗(yàn)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(gè)取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，min；

lwcti——第i個(gè)取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的污染物濃度自然對(duì)數(shù)；

n ——采樣次數(shù)。

顆粒物潔凈空氣量測(cè)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(jì)算：

其中：xi=ti

yi=lncti

式中：R2——相關(guān)系數(shù)的平方；

ti——第 i 個(gè)取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，i=1，2，3，…n，min；

lwcti——第i個(gè)取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的污染物濃度自然對(duì)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(jì)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(cè)試艙體積，m3。

(3) 空氣凈化器對(duì)顆粒物的凈化能效根據(jù)式(5)計(jì)算：

式中：η ——凈化能效，m3/(W·h)；

Q ——目標(biāo)污染物潔凈空氣量實(shí)驗(yàn)值，m3/h；

P ——輸入功率實(shí)測(cè)值，W。

4 應(yīng)用案例

某品牌 X 型號(hào)空氣凈化器銘牌標(biāo)識(shí)顆粒物潔凈空氣量值為 650 m3/h，在 30 m3測(cè)試艙(圖 1)中進(jìn)行測(cè)評(píng)。測(cè)試過程中用 TSI 3340 粒子計(jì)數(shù)設(shè)備(圖 2)測(cè)試顆粒物濃度。

圖1 30 m3大型環(huán)境測(cè)試艙

圖2 TSI 3340 粒子計(jì)數(shù)器

(1) 潔凈空氣量測(cè)試過程中測(cè)試艙內(nèi)溫濕度變化情況。顆粒物潔凈空氣量測(cè)試過程持續(xù)時(shí)間按約為 60 min，每間隔 10 min 選取一個(gè)點(diǎn)記錄溫度、相對(duì)濕度。GB/T 18801—2015 要求測(cè)試過程中溫度控制在 (25±2)℃，相對(duì)濕度控制在 (50±10)%。如圖 3、圖 4 所示，溫度、相對(duì)濕度都滿足國(guó)標(biāo)要求。

圖3 測(cè)試過程中溫度隨時(shí)間變化圖

圖4 測(cè)試過程中相對(duì)濕度隨時(shí)間變化圖

(2) 潔凈空氣量測(cè)試過程自衰減和總衰減擬合曲線。初始濃度測(cè)定后，顆粒物潔凈空氣量自衰減和總衰減數(shù)據(jù)采集時(shí)間都為 20 min，采樣間隔 2 min。測(cè)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(jì)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(jì)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(shí)測(cè)功率為 138 W，根據(jù)公式 (5) 計(jì)算此空氣凈化器對(duì)顆粒物的凈化能效η=4.43 m3/(W·h)。

此品牌空氣凈化器的實(shí)測(cè)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(jí)指標(biāo)，可判定這臺(tái)空氣凈化器樣機(jī)的顆粒物凈化能效等級(jí)為合格級(jí)。

5 結(jié) 語

環(huán)境測(cè)試艙通過營(yíng)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(cè)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化器類凈化產(chǎn)品性能測(cè)評(píng)。本文介紹了 30 m3環(huán)境測(cè)試艙的原理和環(huán)境控制模式，并對(duì)空氣凈化器的關(guān)鍵性能指標(biāo)潔凈空氣量(CADR)測(cè)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(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(hào)F幢211室，郵編：201206。