大风量空气净化器测试标准实验验证及相关思考

建筑最初建造的目的是营造一个安全、健康、舒适的活动场所。然而，目前建筑内的室内空气质量（IAQ）状况堪忧。联合国环境规划署的统计资料表明，尽管建筑用掉40%的能源，但目前建筑还不能维持一个健康的室内空气环境。世界卫生组织的统计数据显示，2019年世界上由于室内空气污染导致的死亡人数为320万人。其中一个主要原因是细颗粒物（PM2.5）污染物。而中国的年均室外PM2.5浓度是发达国家的3~4倍。这些PM2.5会随着渗透作用、建筑通风等方式进入室内。在中国，室内PM2.5有60%~80%来自室外，这一比例远远高于发达国家。同时，随着近年来空气传播传染性疾病的频繁暴发，也进一步加剧了室内环境的恶化。由于空气传播具有传播速度快、传播范围广、致病性强的特点，与通风状况良好的房间相比，无法或较难进行通风的相对密闭空间有更高的微生物致病风险，对于空气净化的需求也更大。

通风是解决上述“外患”和“内忧”最有效的方法。在室外PM2.5浓度较低的情况下可采用开窗通风的方式降低室内PM2.5污染物和室内CO ₂ 浓度。当室外PM2.5浓度较高时，则需要借助小型的新风系统提供室内所需要的新鲜空气。但是这样做势必会带入室外的PM2.5。这种情况下，就需要使用大风量的空气净化器来解决PM2.5污染物和微生物气溶胶。与此同时，近年来消费者对于空气净化器洁净空气量（CADR）的需求也在逐年上升。这意味着随着人们对于提升室内空气质量意识的增强，消费者趋向于购买大风量、大洁净能力的空气净化器设备。在2015年，可以提供400 m ³ /h洁净空气量的空气净化器设备在当时的主流市场内就可以称为大风量空气净化器，但随着对大风量产品的追捧和新冠疫情造成的冲击，近年来大风量空气净化器的标准被逐年提升，超过800 m ³ /h洁净空气量的空气净化器更是屡见不鲜，更多的适用于不同场合的商业空气净化器也出现在市场上。

大量研究表明，人们在低通风区域长时间反复接触病原体，会大大提升感染风险。一般来说，房间所需洁净空气量等于房间的体积乘以所需换气次数，较大洁净空气量的大风量空气净化器已显示出预防和减少空气传播疾病的巨大潜力。美国疾病控制与预防中心和加州公共卫生部等公共卫生部门建议，应使用多台配备高效过滤器（HEPA）的空气净化器限制新冠病毒在室内空间的传播，在通风不足的房间建议换气次数为4~6 h ^-1 ，推荐的教室最佳换气次数为6~12 h ^-1 。英国关于医院环境的研究发现，当空气净化器的换气次数高于9 h ^-1 时，新冠阳性受试者所在房间内空气病毒的载量明显减少。进一步研究表明，新冠病毒在换气次数为6 h ^-1 的普通病房中传播感染风险很大，在换气次数为12 h ^-1 的隔离房间空气中没有检测到病毒的存在。我国香港食物环境卫生署强制规定疫情期间公共场所换气次数在6 h ^-1 以上，以减少病毒传播。Zhao等人建议COVID-19流行期间应在牙科诊所应用空气净化器作为补充保护措施，在敞开式诊室使用较大洁净空气量的净化器，来保护病患免受呼吸系统疾病的侵害。Zhai等人选取典型公共空间对病毒颗粒物进行了模拟和跟踪，结果表明较大洁净空气量的空气净化器可有效净化室内“被污染”的空气。对比通风系统与空气净化器发现，相同风量下空气净化器的洁净空气量高于通风系统，因此安装具有较大洁净空气量的便携式空气净化器，是降低运行成本和暴露风险的合理办法。空气净化器逐渐向大风量、多场合、商住两用的趋势发展。

空气净化器洁净空气量的标准测试是在环境舱中进行的，大多数实验获得的洁净空气量低于制造商标称值，并且洁净空气量实验值随着环境舱体积的增大而减小，Noh等人提出采用有效空气净化比EACR（实际洁净空气量与标称洁净空气量的比值）来评价空气净化器的真实性能，EACR值在0.70~0.83范围内。文献采用数值模拟分析，研究了公共空间及卧室的污染物浓度分布，发现空气净化器的摆放位置不同会明显影响其净化效果。

目前，尽管中国新发布的空气净化器测试标准对于大风量空气净化器的测试方法进行了补充，推荐使用81 m ³ 的环境舱对洁净空气量在800~2 000 m ³ /h的空气净化器进行测试评价，这一改动为大风量空气净化器的评价提供了指导方法，使得国标在测试覆盖广度上领先于世界。但这一补充仍未对空气净化器洁净空气量与适合的测试舱体积进行分析，仍存在继续探讨的空间。本研究利用不同体积的环境舱对大风量空气净化器进行性能测评，从有效数据、环境舱内污染物均匀度及测试结果准确性等方面对环境舱体积与其适合的空气净化器风量进行分析，结果可为相关测试方法及标准的制定提供参考。

国内外标准对空气净化器的性能测试作出了规定，本研究中通过对这些标准的对比研究，分析空气净化器性能测试的研究现状和不足。空气净化器的使用和相应的测试标准兴起于西方发达国家，之后传入我国。笔者汇总了国际上比较具有代表性的空气净化器标准，如：美国标准ANSI/AHAM AC-1-2006《便携家用电动式空气清洁器的性能测试方法》、加拿大标准NRCC-54013-2011《便携式空气净化器测试方法》、国际电工委员会标准IEC/PAS 62587-2008《便携式家用电动室内空气净化器性能测试方法》、日本标准JEM 1467-2013《家庭用空气清净机》和韩国标准SPS-KACA002-132:2018《室内空气净化器》，并将这些标准从测试环境舱、测试方法、测试尘源、数据收集和适用空间几个方面与中国标准GB/T 18801—2022《空气净化器》进行对比，如表1所示。

从表1可以看出，对于空气净化器净化颗粒物的洁净空气量的测试一般是在密闭环境舱内进行的。在对数据进行分析计算时，需要进行几个假设：1） 在环境舱内释放的用来表征污染工况的颗粒物在环境舱内混合均匀；2） 空气净化器在环境舱内净化的每一时刻满足动态稳定，且环境舱内颗粒物浓度应符合指数函数衰减规律；3） 由于环境舱内颗粒物浓度分布均匀，可以采用某一测点的数值来近似表示整个环境舱内的平均浓度。通过实验和计算分析可以看出，这些假设条件是在一定范围内成立的。对于不同洁净空气量的空气净化器性能测试，其适合的环境舱体积是不同的。中国、美国和韩国的标准中，对于不同洁净空气量的空气净化器测试在环境舱体积方面有相关规定，对于洁净空气量处于30~800 m ³ /h的空气净化器推荐使用30 m ³ 左右的环境舱进行性能测试。加拿大和日本的空气净化器测试标准没有对这一问题进行规定。对比不同国家空气净化器性能测试标准，其适用的洁净空气量一般小于1 000 m ³ /h，对于更大净化能力的空气净化器，尤其是应用于商业、公共建筑和工业厂房环境中的空气净化器，没有相应的测试标准。按照现行的标准在较小体积的环境舱内测试大风量空气净化器，会导致测量结果失真，无法对空气净化器的净化水平进行准确测量。因此，应根据大风量空气净化器的特点，研究环境舱体积与空气净化器洁净空气量测试之间的关系，制定相应的评价标准。

本研究选择某品牌AS488BWB型号大风量空气净化器（尺寸为590 mm×320 mm×1 840 mm），参照GB/T 18801—2022《空气净化器》中的测试方法进行性能测试，并探究空气净化器净化颗粒物的洁净空气量与测试环境舱体积之间的关系。空气净化器性能测试示意图见图1，该空气净化器有3个挡位，额定风量分别为1 200 m ³ /h（大挡位）、1 000 m ³ /h（中挡位）和800 m ³ /h（小挡位）。空气净化器整机内装有2块滤材为聚丙烯（PP）的高效过滤器。

空气净化器净化颗粒物的洁净空气量的测试步骤如下：

实验开始前，将待测试的空气净化器放入环境舱内，对所要进行测试的运行模式试运行，确保空气净化器工作正常后关闭待机。将环境舱内温湿度控制在标准所规定的范围内，并对环境舱内空气进行净化，使测试前环境舱内0.3 μ m颗粒物浓度保持在1 000个/L以下，准备开始实验。

空气净化器净化颗粒物的洁净空气量根据颗粒物衰减法计算得出，正式的测试实验分为自然衰减系数测试实验和总衰减系数测试实验。在进行自然衰减系数测试时，待测空气净化器呈关闭状态。开启循环风扇，启动粒子计数器自动记录环境舱内颗粒物浓度。利用发烟器将香烟尘通入环境舱内，在循环风扇的搅动下逐渐混匀，使实验开始时环境舱内0.3 μ m颗粒物浓度达到（2~20）×10 ⁶ 个/L。待颗粒物浓度达到要求后，即可开始实验。每2 min测定并记录1次颗粒物浓度，连续检测20 min，根据获取的数据进行自然衰减系数的计算。总衰减系数的测试与自然衰减系数的测试步骤相似。待环境舱内颗粒物浓度达到要求后，开启空气净化器。每2 min测定并记录1次颗粒物浓度，连续检测20 min，根据获取的数据进行总衰减系数的计算。

污染物的浓度随时间呈指数函数变化趋势，由式（1）表示：

式中 C _t 为t时刻的颗粒物浓度，个/L； C ₀ 为初始时刻环境舱内的颗粒物浓度，个/L； k 为衰减常数，min ^-1 ； t 为时间，min。

根据自然衰减系数和总衰减系数测试中收集到的数据，利用统计学软件进行拟合回归并保证拟合优度 R ² 不小于0.98，得到每次实验的 k 值。

空气净化器净化颗粒物的洁净空气量按式（2）计算：

式中 Q 为洁净空气量，m ³ /h； k _e 为总衰减常数，min ^-1 ； k _n 为自然衰减常数，min ^-1 ； V 为实验环境舱体积，m ³ 。

3.1 环境舱体积对有效数据的影响

在空气净化器进行洁净空气量测试中，有效数据的收集对空气净化器性能评估的准确性十分重要。在GB/T 18801—2022《空气净化器》中对测试数据的有效性给出了定义。为了对空气净化器的洁净空气量进行准确计算，从测试仪器检出限、环境舱内实验浓度和数据计算拟合优度等方面进行了严格的规定。在进行环境舱测试时，激光粒子计数器的量程应大于10 ⁶ 个/L，颗粒物质量浓度测试仪的不确定度应在±0.001 mg/m ³ 内。如图2所示，将标准中规定的800 m ³ /h洁净空气量的空气净化器置于30 m ³ 的环境舱内进行模拟计算，环境舱内颗粒物浓度满足指数衰减规律。对于收集到的有效数据，其数值应高于实验开始前环境舱内的背景浓度，同时应高于检测仪器下限。在数据分析过程中，应确保至少9个有效数据进行函数拟合，同时 R ² 应不小于0.98。但在实际的大风量空气净化器测试中，环境舱的体积会影响到有效数据的收集。由于大风量空气净化器具有良好的颗粒物净化性能，使得环境舱内的颗粒物浓度迅速下降，实验测试时间也相应缩短，导致无法收集到足够数量的有效数据用于洁净空气量计算。

表2展示了不同风量挡位的空气净化器在30、60、90 m ³ 环境舱中的洁净空气量测试结果和相应收集到的有效数据。为了避免不同工况下测试颗粒物累积导致的空气净化器滤芯性能变化，每挡风量下均采用同批次下相同新滤芯进行对比实验。从表2中的实验数据可以看出，相同运行挡位的空气净化器在不同体积的实验环境舱中进行洁净空气量测试，其测试结果相差很大。在进行的多组实验下，收集到的有效数据数量大部分不能满足标准中规定的9个有效数据要求。有效数据的缺失会使洁净空气量的计算值偏小，造成空气净化器性能被低估和错估。 R ² 数据表明，当测试的空气净化器净化能力远超某一体积实验环境舱下的净化需求时，环境舱内的颗粒物浓度下降规律已不满足稳态指数函数下降规律，此时应对实验环境舱体积和空气净化器的洁净空气量进行科学匹配。

3.2 大尺寸环境舱体积对环境舱内污染物浓度分布均匀度的影响

本研究中将大风量空气净化器放置于90 m ³ 环境舱进行不同运行挡位下的洁净空气测试，如图3所示，环境舱内按照与空气净化器不同的相对位置布置6个污染物浓度采样点位，分析不同点位污染物浓度变化，给出空间内的洁净空气量分布。考虑到空气净化器的送风方向会影响到环境舱内的气流组织，尤其是在大体积环境舱内，因此布置的6个污染物浓度采样点分别位于空气净化器两侧，其高度均为1.2 m。基于不同采样点位获得的污染物数据，分别计算各自点位所得到的空气净化器洁净空气量，其结果如表3所示。在90 m ³ 测试环境舱内，过大的体积造成了空间内洁净换气次数的减少，同时也造成了污染物浓度分布的不均匀度提升。测试结果显示，该不均匀度已达到42%以上。在国内外标准中，对于空气净化器的环境舱测试方法均基于衰减法，而该方法的初始假设之一即是要保证环境舱内污染物的均匀性，从而可以利用环境舱内空间中点的污染物浓度来等效表示环境舱内的平均浓度。在不均匀度较高的工况下，环境舱内污染物浓度变化已不满足指数衰减规律，因此会造成测量计算的较大误差。同时，从表3中的测试数据也可以发现，空间内不同点位的测试不均匀度随着风量减少而逐渐增大，这一规律也符合流体力学的一般规律。

3.3 待测空气净化器洁净空气量测试准确度与环境舱体积之间的关系分析

本研究中提出了一种等效洁净空气量换气次数，其为空气净化器的洁净空气量与测试该净化器所使用的环境舱体积的比值。图4显示了在30、60、90 m ³ 环境舱内所进行的不同空气净化器性能测试实验结果。研究中将所测空气净化器的洁净空气量与该净化器真实的洁净空气量（真实的洁净空气量为净化器额定风量与高效过滤器净化效率的乘积）进行比例计算，将该值作为测试准确度来进行比较分析。图4中的结果说明，待测空气净化器的洁净空气量需要与环境舱体积进行设计与匹配。当洁净空气量换气次数过小时，意味着该空气净化器被置于了过大尺寸的环境舱内，环境舱内的污染物均匀度受到影响，其测试准确度逐渐下降。而当洁净空气量换气次数过大时，意味着空气净化器被置于了过小尺寸的环境舱内，环境舱内的污染物浓度下降过快，不足以提供足够的有效数据，从而影响测试准确度。因此，通过对不同环境舱、不同风量的空气净化器进行比较分析，为获得较为准确的测试结果，其洁净空气量换气次数应处于10~20 h ^-1 之间。

随着近年来空气净化器市场的发展，以及学者们对空气净化器使用的相关研究，中国空气净化器测试标准已经进行了多次修订及改版，近期中国家电标委会也要拓展目前空气净化器测试标准中对于大风量净化器的测试，如增补相应的大尺寸环境舱以满足大风量净化器的测试需求。但是原本的标准是针对家用产品的，用来评价商用产品存在气流组织、能效、噪声不适用的制约，需要制订专门针对商业空气净化器的新标准，尤其是在累积洁净量（CCM）及测试尘源上，商业大风量空气净化器的测试与家用产品存在着很大的差异。

对于累积洁净量的测试，家用空气净化器使用3 m ³ 环境舱进行加速测试，而商业大风量空气净化器尺寸较大，需对加速实验环境舱体积进行相应的拓展设计。使用现行国家标准评价大风量空气净化器CCM级别，结果均远高于P4级别，因此国标中CCM分级需要重新划定。根据过滤器更换时间为6个月，制定针对适用于公共建筑的大型空气净化器的分级建议。

对于家用空气净化器性能的测试，国标采用香烟尘，这是为了评价在卧室内空气净化器对于吸烟这一典型污染尘源进行净化的效果，但此尘源对于商业大风量空气净化器的测试不适用。商业空气净化器的使用场所定位为办公室、医院、电影院等非居住环境，其净化场景多样，使用需求往往针对的不只是香烟烟雾，更应使用具有中国环境特色的大气尘进行模拟测试。香烟尘的粒径大多分布在 0.1~1 μ m，A2尘大多分布在1~100 μ m，相较于大气尘来说，香烟尘过细而A2尘过粗。结合氯化钾（KCl）的粒径分布，建议在没有研究出我国特色的实验尘源之前，使用KCl固体颗粒物来进行商业空气净化器的性能测试。

此外，商业空气净化器风量较大，为了降低净化器的阻力，高效过滤器一般选用PP材料驻极体滤芯，实验使用的香烟烟雾浓度过高且烟雾中含有丙酮、乙醇、甲醛等数千种有机化学物质，能减弱或消除驻极体的静电力。将香烟烟雾作为粉尘源，可能会错误判断内置PP材料驻极体过滤器的空气净化器的寿命。

1) 针对洁净空气量大于800 m ³ /h的空气净化器进行了研究，通过对不同测试环境舱尺寸的研究，发现30 m ³ 环境舱不适用于测试大风量空气净化器，主要是因为较大的洁净空气量导致性能测试实验环境舱内污染物浓度下降过快，有效数据数量不足，导致计算误差增大，从而影响性能测试准确度。

2） 在研究过程中，将大风量空气净化器放置于90 m ³ 环境舱进行性能测试，通过数据分析发现，空气净化器的性能测试需要对环境舱尺寸上限进行限制。实验结果表明，较大的环境舱体积导致了环境舱内污染物均匀度发生变化，使得环境舱内污染物不再遵循指数衰减规律，导致测试结果出现较大偏差。

3） 通过对不同风量净化器在不同尺寸环境舱下的性能测试结果进行分析，总结出空气净化器额定洁净空气量与环境舱尺寸之间的关系。对于测试环境舱体积的设计与其适合的空气净化器风量测试范围，需要综合考虑测试数据有效性和环境舱污染物均匀性，从而合理地进行环境舱尺寸与所测试空气净化器风量之间的匹配。对于空气净化器性能测试，为获得较为准确的测试结果，其洁净空气量换气次数应处于10~20 h ^-1 之间。

致谢

感谢LG电子公司提供大风量净化器实验设备。