綠色建筑室內空氣凈化技術效果評測研究

張鵬 吳瓊 彭嫚 劉芳

1 中國建筑設計研究院有限公司

2 國住人居工程顧問有限公司

3 建筑環境優化設計與評測北京市重點實驗室

4 北京建筑大學環境與能源工程學院

室內空氣中的可吸入顆粒物和裝修污染物會導致在室人員產生不舒適的感覺，如頭暈、煩躁、惡心等，甚至還會引發病態建筑綜合癥（SBS）、與建筑有關的疾病（BRI）以及多種化學污染物過敏癥（MCS）[1]等系列疾病。因此，如何利用現有評測技術，量化空氣凈化技術的效能等，判斷建筑是否達到建筑使用者“健康”，“適用”和“高效”的要求，已經成為國內外研究熱點。

1 研究背景

京津冀地區是全國空氣污染最嚴重的地區之一，居民及消費者對室內空氣凈化技術的使用需求較為普遍。益普索Ipsos 發布的《2018 居住健康舒適需求調研報告》中指出，七成以上中高收入人群家庭面臨家居污染嚴重的問題，對健康升級需求提高，為了進一步改善室內居住環境，大眾平均愿意支付約8000 元/年，但針對市面上幾種主流的空氣凈化技術的實際應用效果，還缺乏專門性的對比研究，導致了消費者忽視自身家居最主要的污染風險、盲目采用集成概念多的產品而帶來的能效浪費和效率下降。此外，對于一般設計人員，在工程設計階段，對于如何正確識別建筑室內污染源并選用適宜的凈化技術，保障居室內空間能夠快速有效地得到改善，也還存在概念不清晰，缺乏效果實際體驗等問題，因此有必要對其進行驗證式的探索。

2 實驗裝置設計

為了解決現有凈化技術評測方法形式單一、靈活度低、可視化程度低的問題，本項目設計了一種由凈化技術檢測裝置、小型集成化多污染監測技術、多元非線性回歸技術數學模型三部分組成的評測方案：

空氣凈化技術檢測裝置（如圖1），與現有檢測方法相比，本裝置實現了如下靈活可調、操作簡單、數據記錄和實驗過程可視化的優點：

圖1 實驗裝置模型圖

a）通過設置污染物發生器，可以產生不同類型的污染物（PM2.5、甲醛氣體、VOCs 等），通過設置多個卡槽，置放不同的凈化模塊，能夠檢測不同凈化技術（如HEPA、活性炭等）對同一類型污染物在不同風速下的凈化效果。能夠檢測同種凈化技術對不同類型的污染物在不同風速下的凈化效果。能夠通過設置凈化模塊的組成個數和間距，以檢測不同凈化技術的協同作用，以及不同種類的凈化技術的集成順序對凈化效果的影響。

b）箱體采用亞克力透明材質，實現了實驗過程的全程可視化，能夠觀測到箱體內的實驗過程，隨時掌握實驗過程中的情況，以便隨時應對。

c）設置風機調速器，可實現風機的無級調速，以檢測不同風速對凈化技術效率的影響。

d）可分模塊安裝，結構簡單，安裝和拆卸方便，通用性強。

小型集成化多污染監測技術，即室內環境檢測終端AirBox 傳感器，可同時自動記錄室內PM2.5、甲醛、VOCs 等污染物濃度以及溫度、濕度等，在檢測裝置外（室內）設置攪拌風扇和空氣檢測傳感器1，實時記錄室內污染物均勻濃度，代表凈化技術的循環凈化效率；在裝置內，凈化模塊與風機之間的凈化段，設置傳感器2，實時記錄污染物經過濾網凈化后的污染物濃度，代表凈化技術的單次凈化效率。傳感器通過網絡可與手機APP 或電腦軟件相連，實時將傳感器檢測數據和曲線傳送到手機和電腦上，也可以選擇日期下載數據，實現遠程同時監測或下載任何時間段的數據。

圖2 評測原型樣機實物照片

3 研究方法

3.1 凈化技術選擇依據

本課題在經過技術專利比例、用戶需求、市場滲透率三個方面綜合考量后（圖3），選用HEPA 技術、活性炭技術和光觸媒技術三種典型主流技術進行了評測比對。

圖3 市場主流技術的各方面對比

3.2 室內空氣污染環境模擬與凈化

經過前期試驗測試，本項目使用燃燒成分最接近霧霾的金鹿牌蚊香（圖4）來模擬室內可吸入顆粒物濃度超標環境，使用甲醛AR 溶液稀釋至30%～40%，靜置室內揮發，以模擬室內裝修污染環境（圖5）。實驗房間為36 m3大小，釋放污染物至空氣嚴重污染的程度（PM2.5＞250 μg/m3，甲醛濃度約0.35 mg/m3，接近新房剛裝修完畢的狀態），從室內取出污染源，開啟凈化裝置，記錄時間，房間密封。每隔1 min 記錄一次傳感器1 和傳感器2 的數據，待室內空氣凈化至國家標準（PM2.5＜35 μg/m3，甲醛濃度≤0.1 mg/m3）以下，關閉檢測裝置，整理傳感器數據，分析實驗結果。

圖4 霧霾模擬-蚊香燃燒

圖5 室內裝修模擬-甲醛靜置揮發

3.3 數據記錄與分析

本項目進行了如下5 項對比實驗：

1）使用HEPA 技術凈化PM2.5 顆粒物；

2）使用活性炭技術凈化PM2.5 顆粒物；

3）使用光觸媒技術凈化甲醛氣體；

4）使用活性炭技術凈化甲醛氣體；

5）使用HEPA+光觸媒+活性炭集成技術凈化PM2.5+甲醛的復雜污染物環境。

室內污染環境模擬完畢后，開啟凈化裝置時的時間設置為t0，室內初始濃度為c0，每隔1 min 記錄數據，至t min 凈化結束后，整理數據，總結濃度下降趨勢線，可以橫向對比不同凈化技術的凈化效率，即只看傳感器1 的數據，計算某一種凈化技術循環凈化效率：

式中：c0為室內（傳感器1）初始濃度，ct為凈化后（傳感器1）達標濃度。

循環凈化效率代表建筑通風系統的凈化效率，E越大，建筑室內空氣凈化效率越高。

也可以縱向對比同一凈化技術在不同污染物濃度環境下的凈化效率，即同一時間c（n0＜n≤t）凈化模塊前后的傳感器所記錄的濃度差，也是單次凈化效率：

式中：cn為進風側濃度，也是室內污染物濃度（傳感器1），cn’為出風側濃度（傳感器2）。

單次凈化效率代表凈化技術的凈化效率，E’越大，凈化技術效率越高。

4 實驗結果與驗證

4.1 PM2.5 的凈化實驗

針對PM2.5 的凈化技術評測實驗（圖6），每分鐘記錄的數據結合多元非線性回歸技術模擬出整個實驗過程的趨勢線，可以看出現有凈化技術在顆粒物等固態物污染治理方面不存在瓶頸，HEPA 技術已能實現高效凈化，而HEPA+活性炭+光觸媒3 種技術集成的效果略高于單一HEPA 技術，整體凈化趨勢類似HEPA 技術，均在1 小時內將空氣從嚴重污染凈化至等級“優”（0～35 μg/m3），凈化效率均在97%以上。

圖6 三組技術凈化PM2.5 評測比對

根據室外霧霾污染程度來計算進入室內的空氣固態污染物濃度降到一級空氣品質（0～35 μg/m3）所需時間（min）如表1：

表1 不同室外霧霾污染降到一級空氣品質所需時間（min）

消費者或樓宇物業管理人員可根據當天的空氣品質情況，選擇適宜的除霾技術和運行時間。

4.2 甲醛氣體污染的凈化實驗

針對甲醛氣體的凈化技術評測實驗，時間較長，每隔5 分鐘篩選1 個數據匯總出折線圖（圖7），可以看出單獨使用活性炭或光觸媒技術只能將甲醛從0.40 mg/m3凈化至0.15-0.18 mg/m3的程度，活性炭下降速率為0.153mg/h，光觸媒為0.198 mg/h，是活性炭的1.3 倍，兩者均不能凈化至0.1 mg/m3以下；而HEPA+活性炭+光觸媒集成技術能在兩小時內凈化至GB/T 18883《室內空氣質量標準》中規定的0.1 mg/m3以下，能在8 小時內凈化至穩定狀態0.05 mg/m3以下。

圖7 三組技術集成凈化甲醛評測比對

根據室內裝修污染程度來計算室內空氣凈化至國標以下（0.1 mg/m3）所需時間（min）如表2、3：

表2 活性炭和光觸媒對室內污染凈化效果

表3 HEPA+活性炭+光觸媒對室內污染凈化效果

從表2、3 可以看出，氣態污染物在較高濃度的污染環境中凈化速率比較快，而在日常生活的污染物低濃度（甲醛0.1 mg/m3左右）環境，凈化效率只在40%～60%之間，而且采用單一技術基本不能凈化至國家標準限值以下，因此，應根據室內裝修情況和污染濃度采用相應的集成技術。

綜合以上兩種不同類型污染物的凈化實驗，在京津冀霧霾嚴重地區，HEPA 技術能快速過濾掉絕大多數的細顆粒物，而在HEPA 濾網之前先使用活性炭吸附進行中效過濾，既能實現高效過濾固態污染物又可以延長HEPA 濾網的使用時間。而在氣態污染物處理方面，效率和耗時明顯低于固態污染物，光觸媒、活性炭等單一技術只在中高濃度污染環境中有效，低濃度環境中基本無效，但集成技術存在一定程度的效果疊加作用，能明顯提高凈化效率至89%左右，極大縮短了凈化時間。

5 結論

現有空氣凈化技術評測多在環境艙內模擬研究，污染物釋放濃度高，成分相對穩定單一，與實際污染環境偏離較大[2]。本項目研究的室內空氣凈化技術評測，所得的不同污染濃度下所需的凈化時間，能夠指引消費者需要根據自身家居污染情況選擇適宜的凈化技術產品，不必盲目選擇過多的技術集成；對于科研人員，依托現有凈化技術，加強提高氣態污染物在低濃度污染環境中凈化效率的研究，進一步做到普適性與專一性兼顧，完善相應的檢測及治理技術。