【論文】基于試驗驗證的家用新風機凈化性能評價方法

0 引言

當室外空氣質量糟糕時，居民會將住宅的門窗長期置于關閉狀態以隔絕室外空氣污染物，但同時也限制了自然通風，導致CO2和異味在室內不斷累積，陷入新鮮空氣供給的困局。此外，國內大多數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^[1]，進一步降低室內空氣質量?？諝鈨艋髂苡行コ諝庵蓄w粒污染物，但若不及時更換濾網，容易引發異味和二次污染問題^[2]。通過機械通風，將過濾后的新風灌入室內，是改善室內空氣質量的另一有效手段。相比空氣凈化器，家用新風機除了在源頭上過濾去除典型的顆粒物污染物外，還通過室內外空氣置換來調節室內CO2的含量和其他化學污染物，并將由吸煙、烹調以及人體代謝等日?；顒右l的異味及難以去除的氣態污染物排到室外^[3-6]，是空氣凈化器所不具備的功能。家用新風機已成為繼空氣凈化器之后又一新興家用空氣凈化產品，是應對住宅室內空氣質量“內外交困”局面的有效手段。

隨著家用新風機需求的興起，國內市場上涌現出的新風機產品種類日益增多，并且結構復雜多樣，但是缺少統一的參數用于產品間的性能對比，消費者在選購時存在嚴重的盲目性。潔凈空氣是室內空氣凈化產品給用戶最直接的感受，因而潔凈空氣量（CADR）或潔凈新風量（CADRF）是評價設備凈化性能最廣泛采用的指標，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機凈化性能的參數。關于空氣凈化器的凈化性能測試，國內外已有成熟的方法和標準，大多基于衰減法，通過數據回歸算出污染物在密閉試驗艙內 的衰減系數k，進而求得污染物的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，不涉及與外界大氣環境進行物質交換的過程。家用新風機則不同，其就是要通過室內外空氣交換來凈化室內空氣，若室外空氣中存在著某種污染物，目標污染物會隨著室內外氣體交換而不斷遷移，不宜用上述衰減法獲取相關凈化性能指標。

從新鮮空氣獲取方式來看，新風機與管道式通風機相似，但后者結構與風量往往較大，在中國家庭中很少使用。此外，管道式通風機的污染物凈化性能評價是通過標準化風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、新風停留時間、污染物初始濃度等環境因子影響，而潔凈新風量是由過濾效率和新風風量共同決定。對于顆粒物，隨著濾網容塵量的增加，空氣阻力加大， 但是風機的工作狀態不變，新風風量則有所下降，潔凈新風量下降；對于氣態污染物，隨著吸附量增大，單次過濾效率下降，潔凈新風量也會下降。僅通過上述測得的單次凈化效率用于凈化性能評價難以 真實體現家用新風機給用戶帶來的潔凈新風感受。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，更適宜基于穩態法對目標污染物進行質量衡算來評價家用新風機的凈化性能^[9]。

本研究中，基于穩態法構建了家用新風機凈化性能測試試驗模擬艙，對家用新風機在用戶室內現實環境進行模擬，以體現消費者實際新風感受^[10]。通過對室內污染物質量濃度進行衡算，構建出室內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機 （如：A型單向流和B型雙向流新風機），用上述試驗模擬艙和試驗方法對其凈化性能進行測試，并作數據對比，測試結果一致性高。此外，將污染物穩態控制模型對不同類型新風機的適用性進行分析，所得到的測試結果穩定、可靠。

1 模擬試驗艙與方法

1.1 模擬試驗艙及參數

家用新風機凈化性能測試系統包括3個主要部分：送風段、試驗艙和排風段。送風段負責向試驗艙提供穩定濃度的室外污染物，由顆粒物過濾器、氣態污染物凈化裝置、加濕器、送風機、污染物投放 裝置、風量測試裝置等構成。試驗艙內安裝新風機，模擬新風機安裝后的家居環境。包括81 m3、30 m3、3 m3三種體積的試驗艙，試驗艙的相關參數符合QB/T 5364 2019《空氣凈化器測試用試驗艙技術要 求和評價方法》的要求。排風段負責將試驗艙內的污染物向外排出，模擬家居環境的漏風，同時來控制試驗艙內穩定的壓差，即微正壓。排風段主要由輔助排風機構成。測試裝置示意圖如圖1 ^[11]所示。

1.2 試驗方法

試驗時，將待測新風機放置于模擬試驗艙內，關閉試驗艙門，打開新風機和輔助風機，調節至試驗艙內的壓差測點P3為（5～7）Pa；關閉新風機和輔助風機，打開攪拌風扇，使用氣溶膠發生器發生10% 的氯化鉀（KCl）溶液往試驗艙內通入顆粒物，測試顆粒物粒徑為 （0.3～10）μm，當艙內濃度高于105 個/L時，關閉艙內污染物投放裝置，本底投入完成后打開新風機和輔助風機使P3維持（5～7）Pa；同 時快速打開送風段處的艙外污染物投放裝置位置，持續發生污染物，發生濃度應在2 105 個/L～2 106 個/L范圍內，使用粒子計數器持續監測試驗艙內和進風口顆粒物濃度；測試時間最長為20 min， 結束時刻以104 個/L與20 min為依據，以先達到者為結束點；測試完成后通過質量守恒方程公式擬合計算新風機的凈化效果，計算公式 詳見公式（1）、公式（2）和公式（3），結果以新風凈化率和潔凈新風量表示[11]。

依據艙內污染物質量守恒：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去除或稀釋凈化的污染物量，等于單位時間模擬艙內污染物的變化量。據此列出，艙內污染物變化的方程如公式（1）：   

式中：

C-試驗艙內濃度，單位為微克每立方米（μg/m3 ）；

t-測試時間，單位為小時（h）；

QF-進風量，單位為立方米每小時（m3 /h）；

CF-進風口濃度，單位為微克每立方米（μg/m3 ）；

εF-新風凈化率，用百分數表示；

QP-排風量，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，單位為h-1，不同污染物要分別測試k值，依據GB/T 18801進行測試；

V-艙體積，單位為立方米（m3 ）；

QR-內循環進風量，單位為立方米每小時（m3 /h）；

εR-內循環凈化率，用百分數表示。對于A型和B型新風機，QR和εR都等于0，可以得到公式（2）。

式中：

C0-試驗艙內濃度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，通過對試驗艙內實際測試的不同時刻的濃度值進行數據回歸，參照數據回歸原理，擬合曲線點與記錄點離差的平方和最小為最優判據，可求得εF和QRεR。

注：試驗過程中，排風量QP包含新風機的排風及試驗艙泄漏導致的排風，動態平衡狀態下一般認為等于進風量，即QP=QF。

ε F即為新風凈化率，可進一步求得QFε F，即為潔凈新風量q F （qF=QFεF）。

QRεR即為內循環潔凈空氣量（qR=QRεR）。

2 結果與討論

2.1 不同機型的顆粒污染物凈化性能測試

國內市場上出現的家用新風機機型目前主要有4種，為單向流型（A型）、雙向流型（B型）、單向流+內循環型（C型）以及雙向流+內循環型（D型），其機型構造的示意圖如圖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行測試。

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

2.2 A型新風機凈化性能試驗驗證

2.2.1 不同風量規格A型新風凈化機的顆粒物凈化率測定

根據上述測試操作對A型樣機進行顆粒物凈化效率，本次測試樣機選取了行業內的主流品牌樣機，風量基本涵蓋了單向流樣機的風量范圍。多組測試間的溫濕度相似，過程中各自穩定，其大小滿足測試要求。運用理論計算公式，計算出新風凈化率εF，再根據所測風量QF，進而求得潔凈新風量qF，測試選取了17款樣機，風量由小到大，測試結果詳見表1。新風機的顆粒物凈化率高低主要取決于內部裝配的HEPA濾網性能，HEPA濾網過濾效率越高，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，這也代表了新風機行業內顆粒物凈化能力的水平。

2.2.2 不同進風濃度下A型新風機的顆粒物凈化效率測定

對同一臺A型新風機在不同進風濃度下測試顆粒物凈化效率和潔凈新風量，但是進風濃度的選取應符合規定的要求：2 105 個/L ～2 106 個/L。本次試驗選取4個風量不同規格的新風機進行比對，測試結果見表2。從表中可以看出，改變進風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，這也驗證了顆粒物凈化效率試驗方法的穩定性和進風濃度規定范圍的合理性。

2.3 B型新風機凈化性能試驗驗證

2.3.1 不同風量規格B型新風凈化機的顆粒物凈化率測定

如圖2所示，B型雙向流新風機同時具有送風和排風功能，相比A型樣機，安裝方式更復雜，但是排風氣流比較穩定。

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

2.3.2 不同進風濃度下B型新風機的顆粒物凈化效率測定

對同一臺B型新風機在不同進風濃度下測試顆粒物凈化效率和潔凈新風量，但是進風濃度的選取應符合規定的要求：2 105 個/L～2 106 個/L。本次試驗選取5個風量不同規格的新風機進行比對，測試結果見表4。從數據中可以看出，改變進風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，這也驗證了顆粒物凈化效率試驗方法的穩定性和進風濃度規定范圍的合理性。

C型和D型家用新風機目前市場上出現的產品還較少，都具有內循環功能，測試數據相對來說較少，但A型和C型新風功能原理相同，B和D型原理相同，這里暫時不做討論分析，待產品豐富和時機成熟后選擇合適樣機補充測試。

3 結論

本文基于質量守恒定律提出了一種家用新風機凈化效率測試的通用方法，能夠應對市場當前和未來的新風機類型。當前市場上常見的新風機類型主要為單向流A型新風機、帶有熱回收功能的雙向流B型新風機；當室外污染物很重時，如果長期開啟新風機，可能存在往室內倒灌污染物的風險，這個時候就需要開啟室內凈化器來提供干凈的空氣，因此未來會出現集成單向流和內循環功能的C型新風機、集成雙向流和內循環功能的D型新風機四種類型的新風機產品。當前行業內的通風凈化標準大部分是采用“一次性顆粒物凈化效率”表 征產品的凈化效果，一次性凈化效率不適用于C型和D型產品，且無法準確模擬得出新風機在家庭環境使用狀態下的凈化效果?；谫|量守恒，研究模擬新風機在家庭實際場所下的使用狀態，通過“微正 壓”試驗環境和動態試驗艙建立了針對家用新風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臺不同類型新風機機型進行多次測試，同時對約10個型號的同一新風機重復測試，重復試驗的偏差在3%以內，由此可見試驗結果具有穩定性和可復現性，通過試驗結果證明了評價方法的可行性和科學性。