張維超 張曉 郭侃 李軼 陳揚 劉皓男

1.中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司 北京 100176；2.中國家用電器研究院 北京 100053

0 引言

當(dāng)室外空氣質(zhì)量糟糕時，居民會將住宅的門窗長期置于關(guān)閉狀態(tài)以隔絕室外空氣污染物，但同時也限制了自然通風(fēng)，導(dǎo)致CO2和異味在室內(nèi)不斷累積，陷入新鮮空氣供給的困局。此外，國內(nèi)大多數(shù)建筑物的密閉性并不理想，室外空氣中的顆粒物仍會通過門窗的縫隙滲透到室內(nèi)[1]，進(jìn)一步降低室內(nèi)空氣質(zhì)量?？諝鈨艋髂苡行コ諝庵蓄w粒污染物，但若不及時更換濾網(wǎng)，容易引發(fā)異味和二次污染問題[2]。通過機械通風(fēng)，將過濾后的新風(fēng)灌入室內(nèi)，是改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的另一有效手段。相比空氣凈化器，家用新風(fēng)機除了在源頭上過濾去除典型的顆粒物污染物外，還通過室內(nèi)外空氣置換來調(diào)節(jié)室內(nèi)CO2的含量和其他化學(xué)污染物，并將由吸煙、烹調(diào)以及人體代謝等日常活動引發(fā)的異味及難以去除的氣態(tài)污染物排到室外[3-6]，是空氣凈化器所不具備的功能。家用新風(fēng)機已成為繼空氣凈化器之后又一新興家用空氣凈化產(chǎn)品，是應(yīng)對住宅室內(nèi)空氣質(zhì)量“內(nèi)外交困”局面的有效手段。

隨著家用新風(fēng)機需求的興起，國內(nèi)市場上涌現(xiàn)出的新風(fēng)機產(chǎn)品種類日益增多，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，但是缺少統(tǒng)一的參數(shù)用于產(chǎn)品間的性能對比，消費者在選購時存在嚴(yán)重的盲目性。潔凈空氣是室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品給用戶最直接的感受，因而潔凈空氣量（CADR）或潔凈新風(fēng)量（CADRF）是評價設(shè)備凈化性能最廣泛采用的指標(biāo)，能直接反映其凈化能力大小，被作為空氣凈化器和家用新風(fēng)機凈化性能的參數(shù)。關(guān)于空氣凈化器的凈化性能測試，國內(nèi)外已有成熟的方法和標(biāo)準(zhǔn)，大多基于衰減法，通過數(shù)據(jù)回歸算出污染物在密閉試驗艙內(nèi)的衰減系數(shù)k，進(jìn)而求得污染物的CADR值[7]。需要注意的是，上述過程中的試驗艙始終處于密閉狀態(tài)，不涉及與外界大氣環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的過程。家用新風(fēng)機則不同，其就是要通過室內(nèi)外空氣交換來凈化室內(nèi)空氣，若室外空氣中存在著某種污染物，目標(biāo)污染物會隨著室內(nèi)外氣體交換而不斷遷移，不宜用上述衰減法獲取相關(guān)凈化性能指標(biāo)。

從新鮮空氣獲取方式來看，新風(fēng)機與管道式通風(fēng)機相似，但后者結(jié)構(gòu)與風(fēng)量往往較大，在中國家庭中很少使用。此外，管道式通風(fēng)機的污染物凈化性能評價是通過標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道上下游污染物濃度下降的比例來衡量[8]，單次過濾效率會受到溫/濕度、新風(fēng)停留時間、污染物初始濃度等環(huán)境因子影響，而潔凈新風(fēng)量是由過濾效率和新風(fēng)風(fēng)量共同決定。對于顆粒物，隨著濾網(wǎng)容塵量的增加，空氣阻力加大，但是風(fēng)機的工作狀態(tài)不變，新風(fēng)風(fēng)量則有所下降，潔凈新風(fēng)量下降；對于氣態(tài)污染物，隨著吸附量增大，單次過濾效率下降，潔凈新風(fēng)量也會下降。僅通過上述測得的單次凈化效率用于凈化性能評價難以真實體現(xiàn)家用新風(fēng)機給用戶帶來的潔凈新風(fēng)感受。事實上，室外空氣中若存在某種污染物，其濃度必然相對恒定，更適宜基于穩(wěn)態(tài)法對目標(biāo)污染物進(jìn)行質(zhì)量衡算來評價家用新風(fēng)機的凈化性能[9]。

本研究中，基于穩(wěn)態(tài)法構(gòu)建了家用新風(fēng)機凈化性能測試試驗?zāi)M艙，對家用新風(fēng)機在用戶室內(nèi)現(xiàn)實環(huán)境進(jìn)行模擬，以體現(xiàn)消費者實際新風(fēng)感受[10]。通過對室內(nèi)污染物質(zhì)量濃度進(jìn)行衡算，構(gòu)建出室內(nèi)污染物凈化效率計算方程。針對同種型號和不同型號的家用新風(fēng)機（如：A型單向流和B型雙向流新風(fēng)機），用上述試驗?zāi)M艙和試驗方法對其凈化性能進(jìn)行測試，并作數(shù)據(jù)對比，測試結(jié)果一致性高。此外，將污染物穩(wěn)態(tài)控制模型對不同類型新風(fēng)機的適用性進(jìn)行分析，所得到的測試結(jié)果穩(wěn)定、可靠。

1 模擬試驗艙與方法

1.1 模擬試驗艙及參數(shù)

家用新風(fēng)機凈化性能測試系統(tǒng)包括3個主要部分：送風(fēng)段、試驗艙和排風(fēng)段。送風(fēng)段負(fù)責(zé)向試驗艙提供穩(wěn)定濃度的室外污染物，由顆粒物過濾器、氣態(tài)污染物凈化裝置、加濕器、送風(fēng)機、污染物投放裝置、風(fēng)量測試裝置等構(gòu)成。試驗艙內(nèi)安裝新風(fēng)機，模擬新風(fēng)機安裝后的家居環(huán)境。包括81 m3、30 m3、3 m3三種體積的試驗艙，試驗艙的相關(guān)參數(shù)符合QB/T 5364—2019《空氣凈化器測試用試驗艙技術(shù)要求和評價方法》的要求。排風(fēng)段負(fù)責(zé)將試驗艙內(nèi)的污染物向外排出，模擬家居環(huán)境的漏風(fēng)，同時來控制試驗艙內(nèi)穩(wěn)定的壓差，即微正壓。排風(fēng)段主要由輔助排風(fēng)機構(gòu)成。測試裝置示意圖如圖1[11]所示。

圖1 家用新風(fēng)機凈化性能模擬試驗艙測試裝置

1.2 試驗方法

試驗時，將待測新風(fēng)機放置于模擬試驗艙內(nèi)，關(guān)閉試驗艙門，打開新風(fēng)機和輔助風(fēng)機，調(diào)節(jié)至試驗艙內(nèi)的壓差測點P3為（5～7）Pa；關(guān)閉新風(fēng)機和輔助風(fēng)機，打開攪拌風(fēng)扇，使用氣溶膠發(fā)生器發(fā)生10%的氯化鉀（KCl）溶液往試驗艙內(nèi)通入顆粒物，測試顆粒物粒徑為（0.3～10）μm，當(dāng)艙內(nèi)濃度高于105個/L時，關(guān)閉艙內(nèi)污染物投放裝置，本底投入完成后打開新風(fēng)機和輔助風(fēng)機使P3維持（5～7）Pa；同時快速打開送風(fēng)段處的艙外污染物投放裝置位置，持續(xù)發(fā)生污染物，發(fā)生濃度應(yīng)在2×105個/L～2×106個/L范圍內(nèi)，使用粒子計數(shù)器持續(xù)監(jiān)測試驗艙內(nèi)和進(jìn)風(fēng)口顆粒物濃度；測試時間最長為20 min，結(jié)束時刻以104個/L與20 min為依據(jù)，以先達(dá)到者為結(jié)束點；測試完成后通過質(zhì)量守恒方程公式擬合計算新風(fēng)機的凈化效果，計算公式詳見公式（1）、公式（2）和公式（3），結(jié)果以新風(fēng)凈化率和潔凈新風(fēng)量表示[11]。

依據(jù)艙內(nèi)污染物質(zhì)量守恒：單位時間中模擬艙外引入的室外污染物量，減去單位時間從模擬艙內(nèi)去除或稀釋凈化的污染物量，等于單位時間模擬艙內(nèi)污染物的變化量。據(jù)此列出，艙內(nèi)污染物變化的方程如公式（1）：

式中：

C-試驗艙內(nèi)濃度，單位為微克每立方米（μg/m3）；

t-測試時間，單位為小時（h）；

QF-進(jìn)風(fēng)量，單位為立方米每小時（m3/h）；

CF-進(jìn)風(fēng)口濃度，單位為微克每立方米（μg/m3）；

εF-新風(fēng)凈化率，用百分?jǐn)?shù)表示；

QP-排風(fēng)量，單位為立方米每小時（m3/h）；

k-試驗艙在密閉情況下的自然衰減系數(shù)，單位為h-1，不同污染物要分別測試k值，依據(jù)GB/T 18801進(jìn)行測試；

V-艙體積，單位為立方米（m3）；

QR-內(nèi)循環(huán)進(jìn)風(fēng)量，單位為立方米每小時（m3/h）；

εR-內(nèi)循環(huán)凈化率，用百分?jǐn)?shù)表示。

對于A型和B型新風(fēng)機，QR和εR都等于0，可以得到公式（2）。

式中：

C0-試驗艙內(nèi)濃度C的初始值，單位為微克每立方米（μg/m3）。

對于C型和D型新風(fēng)機，QR和εR都不等于0，可以得到公式（3）。

已知QF，QP，V，C0，通過對試驗艙內(nèi)實際測試的不同時刻的濃度值進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，參照數(shù)據(jù)回歸原理，擬合曲線點與記錄點離差的平方和最小為最優(yōu)判據(jù)，可求得εF和QRεR。

注：試驗過程中，排風(fēng)量QP包含新風(fēng)機的排風(fēng)及試驗艙泄漏導(dǎo)致的排風(fēng)，動態(tài)平衡狀態(tài)下一般認(rèn)為等于進(jìn)風(fēng)量，即QP=QF。

εF即為新風(fēng)凈化率，可進(jìn)一步求得QFεF，即為潔凈新風(fēng)量qF（qF=QFεF）。

QRεR即為內(nèi)循環(huán)潔凈空氣量（qR=QRεR）。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同機型的顆粒污染物凈化性能測試

國內(nèi)市場上出現(xiàn)的家用新風(fēng)機機型目前主要有4種，為單向流型（A型）、雙向流型（B型）、單向流+內(nèi)循環(huán)型（C型）以及雙向流+內(nèi)循環(huán)型（D型），其機型構(gòu)造的示意圖如圖2所示，通過上述測試方法分別對4種機型的顆粒污染物的凈化性能進(jìn)行測試。

如圖2所示，A型和C型單向流新風(fēng)機只提供送風(fēng)，不提供排風(fēng)，新風(fēng)機引入的室外空氣與室內(nèi)空氣混合后，通過室內(nèi)外壓差從門窗等縫隙外滲被動排到室外，結(jié)構(gòu)較為簡單。

2.2 A型新風(fēng)機凈化性能試驗驗證

2.2.1 不同風(fēng)量規(guī)格A型新風(fēng)凈化機的顆粒物凈化率測定

根據(jù)上述測試操作對A型樣機進(jìn)行顆粒物凈化效率，本次測試樣機選取了行業(yè)內(nèi)的主流品牌樣機，風(fēng)量基本涵蓋了單向流樣機的風(fēng)量范圍。多組測試間的溫濕度相似，過程中各自穩(wěn)定，其大小滿足測試要求。運用理論計算公式，計算出新風(fēng)凈化率εF，再根據(jù)所測風(fēng)量QF，進(jìn)而求得潔凈新風(fēng)量qF，測試選取了17款樣機，風(fēng)量由小到大，測試結(jié)果詳見表1。新風(fēng)機的顆粒物凈化率高低主要取決于內(nèi)部裝配的HEPA濾網(wǎng)性能，HEPA濾網(wǎng)過濾效率越高，一般整機凈化能力越高；17款樣機的顆粒物凈化效率基本都在80%以上，這也代表了新風(fēng)機行業(yè)內(nèi)顆粒物凈化能力的水平。

表1 A型新風(fēng)機顆粒物凈化效率測試結(jié)果匯總

2.2.2 不同進(jìn)風(fēng)濃度下A型新風(fēng)機的顆粒物凈化效率測定

對同一臺A型新風(fēng)機在不同進(jìn)風(fēng)濃度下測試顆粒物凈化效率和潔凈新風(fēng)量，但是進(jìn)風(fēng)濃度的選取應(yīng)符合規(guī)定的要求：2×105個/L～2×106個/L。本次試驗選取4個風(fēng)量不同規(guī)格的新風(fēng)機進(jìn)行比對，測試結(jié)果見表2。從表中可以看出，改變進(jìn)風(fēng)的濃度會對顆粒物凈化效率有一定的影響，但是造成的差異不大，都在5%以內(nèi)，這也驗證了顆粒物凈化效率試驗方法的穩(wěn)定性和進(jìn)風(fēng)濃度規(guī)定范圍的合理性。

表2 同一A型新風(fēng)機在不同進(jìn)風(fēng)濃度下的顆粒物凈化效率測試結(jié)果匯總

2.3 B型新風(fēng)機凈化性能試驗驗證

2.3.1 不同風(fēng)量規(guī)格B型新風(fēng)凈化機的顆粒物凈化率測定

如圖2所示，B型雙向流新風(fēng)機同時具有送風(fēng)和排風(fēng)功能，相比A型樣機，安裝方式更復(fù)雜，但是排風(fēng)氣流比較穩(wěn)定。

根據(jù)1.2的試驗步驟對B型樣機進(jìn)行顆粒物凈化效率，本次測試樣機選取了行業(yè)內(nèi)的主流品牌樣機，風(fēng)量基本涵蓋了雙向流樣機的風(fēng)量范圍。多組測試間的溫濕度相似，過程中各自穩(wěn)定，其大小滿足測試要求。運用理論計算公式，計算出新風(fēng)凈化率εF，再根據(jù)所測風(fēng)量QF，進(jìn)而求得潔凈新風(fēng)量qF，測試選取了10余款樣機，風(fēng)量有小到大，結(jié)果見表3。從結(jié)果可以看出，顆粒物凈化效率基本都在70%以上同時結(jié)合表1，可以看出B型新風(fēng)機的顆粒物凈化效率整體水平略低于A型新風(fēng)機，B型新風(fēng)機相比較于A型新風(fēng)機不僅具有排風(fēng)功能，還同時具有換熱功能，這彌補了B型新風(fēng)機在其他性能參數(shù)上的不足。

表3 B型新風(fēng)機顆粒物凈化效率測試結(jié)果匯總

2.3.2 不同進(jìn)風(fēng)濃度下B型新風(fēng)機的顆粒物凈化效率測定

對同一臺B型新風(fēng)機在不同進(jìn)風(fēng)濃度下測試顆粒物凈化效率和潔凈新風(fēng)量，但是進(jìn)風(fēng)濃度的選取應(yīng)符合規(guī)定的要求：2×105個/L～2×106個/L。本次試驗選取5個風(fēng)量不同規(guī)格的新風(fēng)機進(jìn)行比對，測試結(jié)果見表4。從數(shù)據(jù)中可以看出，改變進(jìn)風(fēng)的濃度會對顆粒物凈化效率有一定的影響，但是造成的差異不大，都在5%以內(nèi)，這也驗證了顆粒物凈化效率試驗方法的穩(wěn)定性和進(jìn)風(fēng)濃度規(guī)定范圍的合理性。

表4 同一B型新風(fēng)機在不同進(jìn)風(fēng)濃度下的顆粒物凈化效率測試結(jié)果匯總

C型和D型家用新風(fēng)機目前市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品還較少，都具有內(nèi)循環(huán)功能，測試數(shù)據(jù)相對來說較少，但A型和C型新風(fēng)功能原理相同，B和D型原理相同，這里暫時不做討論分析，待產(chǎn)品豐富和時機成熟后選擇合適樣機補充測試。

3 結(jié)論

本文基于質(zhì)量守恒定律提出了一種家用新風(fēng)機凈化效率測試的通用方法，能夠應(yīng)對市場當(dāng)前和未來的新風(fēng)機類型。當(dāng)前市場上常見的新風(fēng)機類型主要為單向流A型新風(fēng)機、帶有熱回收功能的雙向流B型新風(fēng)機；當(dāng)室外污染物很重時，如果長期開啟新風(fēng)機，可能存在往室內(nèi)倒灌污染物的風(fēng)險，這個時候就需要開啟室內(nèi)凈化器來提供干凈的空氣，因此未來會出現(xiàn)集成單向流和內(nèi)循環(huán)功能的C型新風(fēng)機、集成雙向流和內(nèi)循環(huán)功能的D型新風(fēng)機四種類型的新風(fēng)機產(chǎn)品。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的通風(fēng)凈化標(biāo)準(zhǔn)大部分是采用“一次性顆粒物凈化效率”表征產(chǎn)品的凈化效果，一次性凈化效率不適用于C型和D型產(chǎn)品，且無法準(zhǔn)確模擬得出新風(fēng)機在家庭環(huán)境使用狀態(tài)下的凈化效果?；谫|(zhì)量守恒，研究模擬新風(fēng)機在家庭實際場所下的使用狀態(tài)，通過“微正壓”試驗環(huán)境和動態(tài)試驗艙建立了針對家用新風(fēng)機的凈化效果評價方法，適用于A型、B型、C型和D型四種新風(fēng)機。為了驗證試驗方法的可行性，選用大約30臺不同類型新風(fēng)機機型進(jìn)行多次測試，同時對約10個型號的同一新風(fēng)機重復(fù)測試，重復(fù)試驗的偏差在3%以內(nèi)，由此可見試驗結(jié)果具有穩(wěn)定性和可復(fù)現(xiàn)性，通過試驗結(jié)果證明了評價方法的可行性和科學(xué)性。