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1、引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，人們的消費(fèi)水平也日益提高，室內(nèi)空氣污染問題得到越來越多的關(guān)注。據(jù)某幼兒園、寫字樓、家庭居室等180余戶的調(diào)查，依據(jù)GB/T 18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量》國家標(biāo)準(zhǔn)判定，室內(nèi)空氣質(zhì)量合格率僅為34.7%，污染問題主要集中在可吸入顆粒物、甲醛、苯、氨、TVOC、微生物等-[1]。作為室內(nèi)空氣凈化類家用電器，空氣凈化器近些年呈現(xiàn)井噴式的爆發(fā)，但不少國內(nèi)企業(yè)入行晚，研發(fā)實(shí)力薄弱，導(dǎo)致其產(chǎn)品質(zhì)量參次不齊。目前，空氣凈化器現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 4706.45-2008《家用和類似用途電器的安全 空氣凈化器的特殊要求》、GB/T 18801-2015《空氣凈化器》和GB 21551.3-2010《家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能空氣凈化器的特殊要求》。作為評價(jià)空氣凈化器對顆粒物、甲醛等目標(biāo)污染物凈化能力的潔凈空氣量（CADR），除菌能力的除菌率[2]等主要性能均需要在30m3試驗(yàn)艙中進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，研制30m3試驗(yàn)艙對于評測空氣凈化器凈化性能質(zhì)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2、空氣凈化器潔凈空氣量檢測方法

空氣凈化器凈化顆粒物、甲醛、甲苯等污染物的CADR試驗(yàn)過程如下：

1）穩(wěn)定的溫度、相對濕度、本底濃度等試驗(yàn)條件符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）向試驗(yàn)艙內(nèi)注入定量的目標(biāo)污染物，先后進(jìn)行自然衰減測試和總衰減測試，直到達(dá)到規(guī)定的測試時(shí)間停止實(shí)驗(yàn)；

3）自然衰減測試過程中，待測樣機(jī)處于停止工作狀態(tài)，總衰減測試過程中，待測樣機(jī)處于最高凈化狀態(tài)；

4）按標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)間短，測量試驗(yàn)艙內(nèi)污染物濃度，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分別獲得自然衰減系數(shù)kn和總衰減系數(shù)ke；

5）通過數(shù)據(jù)運(yùn)算，進(jìn)而獲得潔凈空氣量Q（mg/m3）[3]，具體如公式（1），其中V代表試驗(yàn)艙容積（m3）。

（1）

3、空氣凈化器30m3試驗(yàn)艙的設(shè)計(jì)

30m3試驗(yàn)艙的研制涉及空氣調(diào)節(jié)、材料、生物、化學(xué)、機(jī)械、電氣等多個(gè)學(xué)科、多個(gè)專業(yè)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。不同于高、低溫濕熱試驗(yàn)箱運(yùn)行時(shí)，恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組直接與試驗(yàn)箱內(nèi)部循環(huán)進(jìn)行濕量、熱量交換[4]，30m3試驗(yàn)艙屬于高度密閉型試驗(yàn)艙[5]，開始試驗(yàn)后，便不能與恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組進(jìn)行氣流上的濕熱交換。結(jié)合GB/T 18801-2015《空氣凈化器》國標(biāo)要求，本文所述30m3試驗(yàn)艙整體采用內(nèi)外艙嵌套式設(shè)計(jì)，主要由內(nèi)外艙主體、空氣凈化系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。具體原理見圖1。

3.1 內(nèi)外艙主體

內(nèi)艙為試驗(yàn)測試主體，內(nèi)部尺寸長*寬*高=3.5m*3.4m*2.5m，整體由不銹鋼框架組建，四壁采用鋼化玻璃，頂板以及地板采用不銹鋼，艙體拼接縫隙處采用聚四氟乙烯條及硅酮密封膠密封。頂部中央設(shè)有直徑1.2m的攪拌風(fēng)扇，用于混合污染物氣體；側(cè)方離地1.5m，距后壁0.4m處設(shè)有一循環(huán)風(fēng)扇，便于試驗(yàn)過程中空氣的循環(huán)；送樣口和采樣口總計(jì)8個(gè)，用于不同污染物的注入和采集。另外，試驗(yàn)艙內(nèi)部還設(shè)有照明裝置、紫外消毒燈、電源插座等。外艙采用防火、隔熱的巖棉板搭建，用于保證外艙環(huán)境處于恒溫環(huán)境，降低由于內(nèi)外艙熱交換對內(nèi)艙溫濕度的影響，進(jìn)而保證艙內(nèi)污染物的穩(wěn)定性。

3.2 空氣凈化系統(tǒng)

為滿足試驗(yàn)艙本底濃度的要求，試驗(yàn)艙配置的空氣凈化系統(tǒng)包含兩套組合式過濾模塊，主要由中、高效過濾器、風(fēng)機(jī)、活性炭過濾器等組成，分別位于送風(fēng)管道和排風(fēng)管道中，前者結(jié)合空氣循環(huán)系統(tǒng)中的內(nèi)循環(huán)操作模式，可有效凈化、吸附試驗(yàn)艙內(nèi)部的污染物，為試驗(yàn)艙提供符合標(biāo)準(zhǔn)要求的潔凈空氣；后者結(jié)合換氣操作模式，可有效保證試驗(yàn)艙排出的氣體符合環(huán)保排放要求，減少大氣環(huán)境污染。其中，中效過濾器、高效過濾器主要用于過濾粒徑1μm以及0.3μm以上的顆粒物；而活性炭過濾器主要用于吸附分解甲醛、苯、TVOC等氣態(tài)有機(jī)污染物[6]。

3.3 溫濕度控制系統(tǒng)

溫濕度控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)艙的溫度以及相對濕度，由蒸發(fā)器、加熱器、加濕器、變頻風(fēng)機(jī)等組成。選用恒溫恒濕機(jī)組制冷量5KW，制熱量4.5KW，加濕量5kg/h，風(fēng)量3000m3/h，控制原理圖如圖2所示。以試驗(yàn)艙的回風(fēng)溫度、濕度作為基準(zhǔn)點(diǎn)，控制器實(shí)時(shí)檢測并將其與設(shè)定的溫度、濕度進(jìn)行對比，通過執(zhí)行PID算法[7]，自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)（降溫、除濕），加熱器、加濕器的輸出功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)艙的恒溫恒濕控制。

3.4 空氣循環(huán)系統(tǒng)

空氣循環(huán)系統(tǒng)包含換氣、內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)等三種模式。換氣是指氣流從新風(fēng)閥經(jīng)內(nèi)艙送風(fēng)閥、內(nèi)艙出風(fēng)閥、排風(fēng)閥、組合式過濾模塊至排風(fēng)管道，主要用于試驗(yàn)結(jié)束后的排出殘余污染物；內(nèi)循環(huán)是指恒溫恒濕空調(diào)結(jié)合組合式過濾模塊與內(nèi)艙形成循環(huán)系統(tǒng)的過程，在此過程中，新風(fēng)閥、排風(fēng)閥關(guān)閉，內(nèi)艙送風(fēng)閥、內(nèi)艙出風(fēng)閥、回風(fēng)閥打開，主要用于試驗(yàn)開始前的調(diào)節(jié)內(nèi)艙溫度、相對濕度、以及本底濃度階段；外循環(huán)是指恒溫恒濕空調(diào)結(jié)合組合式過濾模塊與外艙形成循環(huán)系統(tǒng)的過程，在此過程中，新風(fēng)閥、排風(fēng)閥、內(nèi)艙送風(fēng)閥、內(nèi)艙出風(fēng)閥、關(guān)閉，外艙送風(fēng)閥、外艙出風(fēng)閥、回風(fēng)閥打開，主要用于試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的外艙保溫。

3.5 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

結(jié)合空氣凈化器檢測試驗(yàn)過程，為提高檢測效率，試驗(yàn)艙應(yīng)用PLC控制器、HMI觸摸屏等自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對終端器件的集中監(jiān)控，包含試驗(yàn)內(nèi)外艙的溫濕度、待測樣機(jī)的能耗數(shù)據(jù)采集，攪拌風(fēng)扇、循環(huán)風(fēng)扇、照明裝置、消毒燈、閥門、風(fēng)機(jī)等的集中控制，系統(tǒng)集成圖如圖3所示。

4、空氣凈化器30m3試驗(yàn)艙性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證研制的30m3試驗(yàn)艙的相關(guān)性能，依據(jù)JJF（輕工）102-2018《空氣凈化器性能試驗(yàn)艙校準(zhǔn)規(guī)范》計(jì)量規(guī)范，分別對試驗(yàn)艙容積、試驗(yàn)環(huán)境溫濕度、氣密性、混合度、回收率、本底濃度[8]等六個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證。

4.1試驗(yàn)艙容積測量

應(yīng)用鋼尺采用幾何測量法直接測量試驗(yàn)艙的尺寸，實(shí)測長3.48m，寬3.39m，高2.51m，容積為29.61m3，滿足試驗(yàn)艙尺寸誤差≤±1%的特性，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1：試驗(yàn)艙幾何尺寸測量數(shù)據(jù)表

4.2試驗(yàn)艙內(nèi)溫濕度測量

試驗(yàn)環(huán)境溫濕度的變化影響著空氣凈化器的運(yùn)行狀態(tài)以及顆粒物、甲醛等污染物的擴(kuò)散系數(shù)，保持艙內(nèi)溫濕度恒定是一項(xiàng)檢測試驗(yàn)的必備要求。設(shè)定試驗(yàn)艙溫度25℃，相對濕度50%RH，開啟內(nèi)循環(huán)調(diào)節(jié)內(nèi)艙環(huán)境，達(dá)到設(shè)定溫濕度運(yùn)行穩(wěn)定后，開始測試試驗(yàn)艙溫濕度，測試間隔為2min，測試時(shí)間30min，測量數(shù)據(jù)如表2所示。由數(shù)據(jù)可知，溫度平均值為24.8℃，最大偏差為0.2℃，相對濕度平均值為50.9%RH，最大偏差為2.9%RH，說明試驗(yàn)艙的溫濕度穩(wěn)定性好，滿足規(guī)范要求的溫度誤差小于±2℃，濕度誤差小于±5%RH。

表2：試驗(yàn)環(huán)境溫濕度測量數(shù)據(jù)表

4.3 氣密性試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)艙內(nèi)有濃度較高的污染物，氣密性差的試驗(yàn)艙不僅導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且泄漏的污染物還會危害實(shí)驗(yàn)人員的身體健康，因此，試驗(yàn)艙的氣密性至關(guān)重要。選用CO2作為示蹤氣體進(jìn)行氣密性測試。運(yùn)行測試艙達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)后，密閉試驗(yàn)艙，開啟攪拌風(fēng)扇、循環(huán)風(fēng)扇，二氧化碳發(fā)生器通過注入口注入CO2，混合均勻，并使初始濃度達(dá)到（2000mg/m3~4000mg/m3）；停止攪拌風(fēng)扇，開始測試，采樣間隔5min，測試時(shí)間1h。二氧化碳（CO2）濃度衰減符合公式2指數(shù)函數(shù)變化趨勢，實(shí)際測試結(jié)果見表3。

（2）

式中

ct為時(shí)間t時(shí)的CO2濃度，mg/m3；

c0為t=0時(shí)的二氧化碳初始濃度，mg/m3；

K為衰減常數(shù)，h--1；

t為時(shí)間，h。

通過線性擬合lnc(t)與t，可以得出換氣次數(shù)K=0.025h--1，小于規(guī)范要求的0.05h--1，表明試驗(yàn)艙的氣密性良好，泄漏量小，符合規(guī)范要求。

表3:氣密性試驗(yàn)CO2濃度數(shù)據(jù)表

4.4 混合度試驗(yàn)

混合度影響污染物在試驗(yàn)艙內(nèi)的分布均勻狀態(tài)，如不能混合均勻，則不利于空氣凈化器的重復(fù)性評價(jià)。選用CO2作為示蹤氣體進(jìn)行混合度測試，試驗(yàn)艙處于換氣狀態(tài)，上送下排，內(nèi)艙送風(fēng)閥，內(nèi)艙出風(fēng)閥打開，運(yùn)行攪拌、循環(huán)風(fēng)扇，調(diào)整送風(fēng)量為15m3/h，送風(fēng)管道口CO2濃度穩(wěn)定為（3000±1000）mg/m3，檢測排風(fēng)口的CO2濃度，測試間隔5min，測試時(shí)間2h。實(shí)際測試數(shù)據(jù)如表4，結(jié)合混合度公式（3）（4），得出本文研制的試驗(yàn)艙混合度為82.1%，滿足規(guī)范規(guī)定＞80%的要求。

（3）

（4）

式中

σmax為混合度，%；

tn為試驗(yàn)艙一次換氣所需時(shí)間，2h；

cm（t）為排風(fēng)口處監(jiān)測的二氧化碳濃度，mg/m3；

c（t）為完全混合時(shí)，排風(fēng)口處的濃度理論值，mg/m3；

cinlet為送風(fēng)口的二氧化碳濃度，mg/m3；

c1為試驗(yàn)艙內(nèi)測試開始時(shí)的本底濃度，mg/m3；

k0為混合度試驗(yàn)過程中設(shè)定的換氣次數(shù)，0.5h--1；

t為時(shí)間，h。

表4：混合度試驗(yàn)CO2濃度數(shù)據(jù)表

4.5 回收率測試

不同材料的試驗(yàn)艙內(nèi)壁對污染物的吸附性不同，對于保證空氣凈化器復(fù)現(xiàn)性評價(jià)來說，回收率是一項(xiàng)重要指標(biāo)。分別用甲苯、正十二烷、四苯基環(huán)己烯三種污染物進(jìn)行回收率測試。試驗(yàn)艙穩(wěn)定在25℃，50%RH條件后，密閉試驗(yàn)艙，開啟攪拌風(fēng)扇，揮發(fā)污染物，使初始濃度至2.0±0.2mg/m3，60分鐘后記錄污染物終止?jié)舛?。各污染物測試數(shù)據(jù)表如表5，結(jié)合公式（5），得到試驗(yàn)回收率R甲苯=92.3%，R正十二烷=85.9%，R四苯基環(huán)乙烯=82.2%，說明試驗(yàn)艙內(nèi)壁的吸附性較小，滿足規(guī)范要求的回收率≥80%的要求。

（5）

式中：

R為回收率，%；

c2為初始理論濃度，mg/m3；

c3為終止?jié)舛?，mg/m3。

表5:回收率數(shù)據(jù)表

4.6 本底濃度測試

試驗(yàn)艙材料及密封材料往往會散發(fā)出一定的污染物，在使用前，應(yīng)測定各污染物的本底濃度排除影響。試驗(yàn)艙運(yùn)行穩(wěn)定后，密閉測試艙2h，保持?jǐn)嚢栾L(fēng)扇處于運(yùn)行狀態(tài)，分別采樣檢測艙內(nèi)顆粒物、甲醛、TVOC、甲苯的濃度，每10min測試一次，測量3次取平均值。最終實(shí)測本底濃度：顆粒物（0.3μm以上）891個(gè)/L，甲醛0.02mg/m3，TVOC0.11mg/m3，甲苯0.04mg/m3，滿足規(guī)范要求的顆粒物（0.3μm以上粒徑）≤1000個(gè)/L，甲醛≤0.05mg/m3，TVOC：≤0.30mg/m3，甲苯：≤0.10mg/m3。

5、結(jié)論

通過對試驗(yàn)艙的多項(xiàng)測試，得出以下結(jié)果：試驗(yàn)艙容積為30m3；試驗(yàn)環(huán)境溫濕度恒定，25℃，50%RH偏差較小；試驗(yàn)艙氣密性良好，換氣次數(shù)＜0.05h-1；污染物混合均勻，混合度＞80%；艙體吸附性小，污染物回收率≥80%；本底濃度低，顆粒物（0.3μm以上粒徑）≤1000個(gè)/L，甲醛≤0.05mg/m3，TVOC≤0.30mg/m3，甲苯≤0.10mg/m3。試驗(yàn)艙的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB/T 18801-2015《空氣凈化器》國家標(biāo)準(zhǔn)，以及JJF 102-2018《空氣凈化器性能試驗(yàn)艙校準(zhǔn)規(guī)范》計(jì)量規(guī)范的相關(guān)要求，可以應(yīng)用于空氣凈化器的性能檢驗(yàn)。該試驗(yàn)艙的研制，對國內(nèi)空氣凈化器產(chǎn)品質(zhì)量提高，改善居民室內(nèi)污染狀況，具有較大的實(shí)際意義，而且對國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，為質(zhì)量監(jiān)督部門提供公正的檢測數(shù)據(jù)依據(jù)，營造公平競爭的市場環(huán)境具有非常重要的推動作用。

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