空氣凈化器顆粒物凈化能效測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定研究

李澤文

摘 要：根據(jù)《空氣凈化器》（GB/T 18801—2015）中顆粒物凈化能效的測(cè)定方法，分析凈化能效測(cè)量時(shí)影響不確定度的各種因素，并借助CLJ-E3016激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器、DDP-100激光塵埃粒子稀釋器，通過測(cè)量試驗(yàn)對(duì)凈化能效測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行詳細(xì)評(píng)定。結(jié)果表明，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響的主要是儀器的示值誤差和流量誤差所引入的不確定度，本次評(píng)定結(jié)果可為提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供理論參考。

關(guān)鍵詞：空氣凈化器;凈化能效;不確定度評(píng)定

中圖分類號(hào)：X513 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）6-0121-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.028

Uncertainty Evaluation of Measurement Results of PM Cleaning Energy Efficiency of the Air Cleaner

LI Zewen

（Institute of Quality Inspection for Products， Longyan 364000，China）

Abstract：According to the determination method of PM cleaning energy efficiency in air cleaner （GB/T 18801—2015），the factors influencing uncertainty in cleaning energy efficiency measurement were analyzed.Through measurement test，the measurement results uncertainty of the cleaning energy efficiency were detailedly evaluated by means of CLJ-E3016 laser particle counter and DDP-100 laser dust particle dilutor.The results show that the uncertainties which came from indication error and flow error of the instrument had an important impact on the measurement.The evaluation results could provide a theoretical reference for improving the accuracy of the test results.

Keywords： air cleaner;cleaning energy efficiency;uncertainty evaluation

0 引言

近年來，人們的生活水平不斷提高，我國大氣環(huán)境中PM2.5濃度也明顯下降，但室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量卻未得到明顯改善。隨著室內(nèi)環(huán)境污染物的逐漸增多，人們開始關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量[1]。在室內(nèi)環(huán)境污染物中，顆粒物已成為室內(nèi)環(huán)境中的主要污染物之一，與人體健康息息相關(guān)[2]。不同粒徑的顆粒物對(duì)人體健康的影響也不盡相同，粒徑越小，對(duì)人體產(chǎn)生的危害也越大;粒徑在100 μm以上顆粒物因漂浮時(shí)間短，沉降快，不容易對(duì)人體產(chǎn)生影響;粒徑在100 μm以下顆粒物可長(zhǎng)期飄浮在空氣中，對(duì)環(huán)境能見度及人體呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響;粒徑在10 μm以下顆粒物可直接進(jìn)入呼吸系統(tǒng)，易誘發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病;粒徑在2.5 μm以下顆粒物可直接進(jìn)入肺泡，造成嚴(yán)重的肺部損傷;粒徑在1 μm以下顆粒物可通過肺泡進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，易誘發(fā)血栓、高血壓、心腦血管等疾病，且容易增加患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[3]。

空氣凈化器作為有效去除室內(nèi)顆粒物、改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的有力產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于居家、醫(yī)療、工業(yè)、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[4]。該產(chǎn)品起到有效改善空氣質(zhì)量、保護(hù)人體健康的重要作用，近年來備受消費(fèi)者的青睞。目前，空氣凈化器產(chǎn)品雖然發(fā)展迅速，但消費(fèi)市場(chǎng)中品種繁多，產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊[5]。在衡量該產(chǎn)品質(zhì)量的性能參數(shù)中，凈化能效是空氣凈化器提供潔凈空氣的能力體現(xiàn)，是表征空氣凈化器在額定狀態(tài)下對(duì)顆粒物凈化效率的重要參數(shù)，同時(shí)也是評(píng)價(jià)該產(chǎn)品質(zhì)量性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[6-8]。本研究根據(jù)《空氣凈化器》（GB/T 18801—2015）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，從試驗(yàn)全過程對(duì)影響空氣凈化器顆粒物凈化能效測(cè)量結(jié)果的不確定度各種因素進(jìn)行分析，并按照《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）要求，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確、系統(tǒng)地不確定度評(píng)定，以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為空氣凈化器顆粒物凈化能效測(cè)量提供理論參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?、依?jù)

①試驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)空氣凈化器顆粒物凈化能效測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。

②試驗(yàn)依據(jù)：《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）;《空氣凈化器》（GB/T 18801—2015）。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象、環(huán)境

①試驗(yàn)對(duì)象：空氣凈化器樣機(jī)一臺(tái)。

②試驗(yàn)環(huán)境：試驗(yàn)溫度為（25±2）℃;試驗(yàn)濕度為50%±10%。

1.3 試驗(yàn)儀器

①CLJ-E3016激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器：示值誤差為7.9%;流量誤差為2.7%;重復(fù)性誤差為1.4%。

②DDP-100激光塵埃粒子稀釋器：對(duì)最終測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生影響。

③HC-Y-1正壓法顆粒物發(fā)生裝置：對(duì)最終測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生影響。

④30 m3環(huán)境試驗(yàn)艙：試驗(yàn)溫度應(yīng)控制在（25±2）℃;試驗(yàn)濕度應(yīng)控制在50%±10%。

⑤AN1640B安全性能綜合分析儀：示值誤差為±（0.1%×讀數(shù)+0.1%×量程）。

1.4 試驗(yàn)步驟

按照《空氣凈化器》（GB/T 18801—2015）的試驗(yàn)方法要求進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟如下。

①輸入功率測(cè)試。將待試驗(yàn)空氣凈化器樣機(jī)與AN1640B安全性能綜合分析儀連接，調(diào)試樣機(jī)至試驗(yàn)額定狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行≥30 min，測(cè)量功率變化<1%，直接讀取測(cè)量值為額定功率。

②樣機(jī)調(diào)試。將待試驗(yàn)空氣凈化器樣機(jī)放置于30 m3環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)，調(diào)試樣機(jī)至試驗(yàn)額定狀態(tài)，檢查運(yùn)轉(zhuǎn)正常，關(guān)閉樣機(jī)。

③采樣點(diǎn)布置。采樣點(diǎn)應(yīng)避開進(jìn)出風(fēng)口，離墻壁距離>0.5 m，離艙地高度0.5～1.5 m，通過特氟龍軟管與DDP-100激光塵埃粒子稀釋器連接，顆粒物經(jīng)稀釋后進(jìn)入CLJ-E3016激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器。

④試驗(yàn)艙凈化。開啟空氣過濾器，凈化試驗(yàn)艙空氣，使顆粒物粒徑0.3 μm以上粒子背景濃度<1 000個(gè)/L，啟動(dòng)恒溫恒濕控制裝置，使艙內(nèi)溫度控制在（25±2）℃，濕度控制在50%±10%。

⑤標(biāo)準(zhǔn)顆粒物輸送。關(guān)閉空氣過濾器，開啟攪拌風(fēng)扇和循環(huán)風(fēng)扇，用HC-Y-1正壓法顆粒物發(fā)生裝置將一定量的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物輸送到試驗(yàn)艙內(nèi)，關(guān)閉輸送管閥門，攪拌風(fēng)扇再攪拌10 min后關(guān)閉，循環(huán)風(fēng)扇始終保持開啟。

⑥自然衰減測(cè)試。用CLJ-E3016激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器測(cè)試顆粒物初始濃度c0，保證試驗(yàn)開始時(shí)0.3 μm以上顆粒物濃度為2×106～2×107個(gè)/L，對(duì)應(yīng)時(shí)間為t=0 min，每2 min測(cè)試并記錄一次顆粒物濃度，連續(xù)測(cè)試20 min。

⑦總衰減測(cè)試。自然衰減測(cè)試結(jié)束后，開啟樣機(jī)至額定狀態(tài)，開啟時(shí)刻為t=0 min，每2 min測(cè)試并記錄一次顆粒物濃度，連續(xù)測(cè)試20 min。

2 顆粒物凈化能效測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

2.1 數(shù)學(xué)模型

[η=QP] ? ? ? ?（1）

式中：η為凈化能效，m3/（W·h）;Q為潔凈空氣量，m3/h;P為輸入功率，W。

[Q=60×（ke-kn）×V] ? ? （2）

式中：Q為潔凈空氣量，m3/h;ke為總衰減常數(shù)，min-1;kn為自然衰減常數(shù)，min-1;V為試驗(yàn)艙容積，30 m3。

2.2 測(cè)量不確定度來源分析

根據(jù)測(cè)量過程的數(shù)學(xué)模型及不確定度的傳播規(guī)律對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。結(jié)合數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)條件，本次試驗(yàn)考慮的不確定度來源及評(píng)定方法見表1，方案按照《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）要求執(zhí)行。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評(píng)定

2.3.1 自然衰減常數(shù)kn的測(cè)量不確定度評(píng)定。

2.3.1.1 重復(fù)性測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。[uknr]不確定度分量采用A類評(píng)定方法評(píng)定，在相同試驗(yàn)條件下，進(jìn)行自然衰減常數(shù)試驗(yàn)，通過10次獨(dú)立測(cè)量得到kn（min-1）分別為：0.005 1，0.004 5，0.005 4，0.005 6，0.005 4，0.005 3，0.005 1，0.004 9，0.004 9，0.005 5，平均值為0.005 17。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：.

[ukn=110-1i=110（kni-kn）2=0.000 34 min-1]

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uknr=uknkn=0.066]

2.3.1.2 CLJ-E3016激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB。uB不確定度分量采用B類評(píng)定方法評(píng)定，具體如下。

①儀器示值誤差為7.9%，服從均勻分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

[uB1=7.9%3=0.046]

②儀器流量誤差為2.7%，服從均勻分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uB2=2.7%3=0.016]

③儀器重復(fù)性誤差為1.4%，服從正態(tài)分布，包含因子[k=1.96]。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uB3=1.4%1.96=0.007]

2.3.1.3 合成自然衰減常數(shù)kn標(biāo)準(zhǔn)不確定度uckn。各相對(duì)不確定度分量[uknr]、[uB1]、[uB2]和[uB3]互不相關(guān)。

[ucknr=uknr2+uB12+uB22+uB32=0.082]

[uckn=ucknr×kn=0.000 43 min-1]

2.3.2 總衰減常數(shù)ke的測(cè)量不確定度評(píng)定。

2.3.2.1 重復(fù)性測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uker]。[uker]不確定度分量采用A類評(píng)定方法評(píng)定，在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行總衰減常數(shù)試驗(yàn)，通過10次獨(dú)立測(cè)量得到ke（min-1）分別為：0.108 8，0.108 1，0.108 5，0.106 9，0.107 7，0.109 7，0.107 8，0.107 8，0.108 0，0.106 7，平均值為0.108 0。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

[uke=110-1i=110（kei-ke）2=0.000 87 min-1]

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uker=ukeke=0.008 1]

2.3.2.2 CLJ-E3016激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB。uB不確定度分量采用B類評(píng)定方法評(píng)定，具體如下。

①儀器示值誤差為7.9%，服從均勻分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uB1=7.9%3=0.046]

②儀器流量誤差為2.7%，服從均勻分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uB2=2.7%3=0.016]

③儀器重復(fù)性誤差為1.4%，服從正態(tài)分布，包含因子[k=1.96]。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uB3=1.4%1.96=0.007]

2.3.2.3 合成總衰減常數(shù)ke標(biāo)準(zhǔn)不確定度[ucke]。各相對(duì)不確定度分量[uker]、[uB1]、[uB2]和[uB3]互不相關(guān)。

[ucker=uker2+uB12+uB22+uB32=0.050]

[ucke=ucker×ke=0.005 4 min-1]

2.3.3 輸入功率P的測(cè)量不確定度評(píng)定。

2.3.3.1 重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量up。up不確定度分量采用A類評(píng)定方法評(píng)定，在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行輸入功率試驗(yàn)，通過10次獨(dú)立測(cè)量得到P值（W）分別為：21.6，21.6，21.5，21.6，21.5，21.4，21.5，21.5，21.4，21.4，平均值為21.5。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

[uP=110-1i=110（Pi-P）2=0.082 W]

2.3.3.2 AN1640B安全性能綜合分析儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB。uB不確定度分量采用B類評(píng)定方法評(píng)定，具體如下。

儀器示值誤差為±0.071 5 W（儀器量程50 W），服從均勻分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：[uB4=0.071 53=0.041 W]

2.3.3.3 合成輸入功率P標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucP。各不確定度分量up和[uB4]互不相關(guān)。

[ucP=uP2+uB42=0.092 W]

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

數(shù)學(xué)模型：

[η=QP=60×（ke-kn）×VP=1 800×（ke-kn）P]

式中：V為試驗(yàn)艙容積，30 m3。因標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uckn、ucke、ucP互不相關(guān)，并將實(shí)際數(shù)據(jù)代入得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

[uc=?η?ke2u2cke+?η?kn2u2ckn+?η?P2u2cP=0.455 m3/（W·h）]

式中，靈敏系數(shù)：

[?η?ke=1 800P，?η?kn=-1 800P，]

[?η?P=-1 800（ke-kn）P2]

2.5 擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取置信概率p=95%，包含因子k=2，即可得擴(kuò)展不確定度U95，如下：

[U95=kuc=2×0.455=0.91 m3/（W·h）]

2.6 測(cè)量結(jié)果不確定度報(bào)告

本次評(píng)定條件下擴(kuò)展不確定度U95=0.91 m3/（W·h），包含因子k=2，即可得顆粒物凈化能效測(cè)量結(jié)果為η=（8.61±0.91） m3/（W·h），k=2。

3 結(jié)語

根據(jù)本次不確定度評(píng)定結(jié)果可以看出，對(duì)空氣凈化器顆粒物凈化能效測(cè)量時(shí)，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響的主要是儀器的示值誤差和流量誤差所引入的不確定度，其次是重復(fù)性測(cè)量誤差和儀器重復(fù)性誤差所引入的不確定度。因此，在日常檢驗(yàn)工作中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)儀器的定期檢定和校準(zhǔn)，做好重要儀器的期間核查，并根據(jù)《空氣凈化器》（GB/T 18801—2015）中試驗(yàn)方法要求，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，可通過內(nèi)部質(zhì)控和外部質(zhì)控等比對(duì)方式，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本次對(duì)空氣凈化器顆粒物凈化能效測(cè)量的不確定度評(píng)定結(jié)果為η=（8.61±0.91）m3/（W·h），k=2。

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