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 實驗原理

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗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 實驗儀器

塵埃粒子計數(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 實驗場所

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的封閉式實驗室，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 個攪拌風(fēng)扇、1 個循環(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驗室地面中心位置上，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。在實驗室密閉情況下，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/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，同時將標(biāo)準(zhǔn)香煙放入煙霧發(fā)生裝置后啟動裝置，當(dāng)0.3 μm以上顆粒物濃度達(dá)到2×106～2×107個/L時，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)；此時記為初始濃度，對應(yīng)時間為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（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—實驗室容積，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）計算得到，開空氣凈化器前自然衰減工況濃度變化計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—開空氣凈化器后時間t的顆粒物濃度，單位為個每升（個/L）；

C0—開空氣凈化器前的初始顆粒物濃度，單位為個每升（個/L）；

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

t—時間，單位為分（min）；

n—采樣次數(shù)。

2 試驗方案驗證及結(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，CDAR由282 m3/h減小到251 m3/h，CDAR會隨濾網(wǎng)裝配間隙變大而減小，其變化趨勢如圖2 所示。分析原因為濾網(wǎng)與風(fēng)道裝配存在間隙時，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，測試CADR為295 m3/h，當(dāng)匹配濾網(wǎng)阻力57.8 Pa時，測試CADR為241 m3/h，CADR會隨濾網(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，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，CADR基本在307 m3/h左右，不再增大。綜上：當(dāng)轉(zhuǎn)速較小的時候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，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，潔凈空氣量小；轉(zhuǎn)速上升達(dá)到一定值時，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，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)口面積較小的時候，CADR會隨著進(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，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，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小；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，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。