陳琬玥，白 莉，倪沈陽，賀梓健

(吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，長春 130118)

0 引言

近年來，我國霧霾天氣頻發(fā)。即使室內(nèi)門窗緊閉，在風壓作用下室外氣流通過外圍護結(jié)構(gòu)縫隙滲透進入室內(nèi)的同時也將室外顆粒物帶入?？諝鈨艋魇侵笇諝庵械念w粒物、氣態(tài)污染物、微生物等一種或多種污染物具有一定去除能力的家用和類似用途的電器[1]，可以用來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。然而，當空氣凈化器擺放在房間不同位置時會使得室內(nèi)的氣流組織發(fā)生改變，從而產(chǎn)生不同的凈化效果[2]。

對于粒徑≤2.5 μm的可吸入細顆粒物由于其重力沉積作用較小，懸浮時間長，輸送距離遠，不易被徹底清除[3]。因而，室內(nèi)的氣流組織對細顆粒物的凈化效果影響作用偏大。研究表明，PM2.5的計重質(zhì)量濃度有92%左右集中在1.0～2.5 μm的較大顆粒物區(qū)間，粒徑≤0.3 μm的顆粒物質(zhì)量不起關(guān)鍵作用[4]。這表明，對PM2.5質(zhì)量濃度的測試結(jié)果可以較好地反映凈化器對1.0～2.5 μm的細顆粒物的凈化效果。另有研究顯示，我國典型城市霧霾天氣下同一時段實際大氣塵中的PM2.5在PM10中所占比例較大，且霧霾期PM2.5與PM10質(zhì)量濃度比值高于非霧霾期[5]，這表明霧霾期PM2.5細粒子的污染更為嚴重。而艾絨燃燒產(chǎn)生的顆粒物絕大多數(shù)是細顆粒物PM2.5[6]。因此，本人選擇艾絨為燃燒體置于窗外，模擬室外霧霾條件，使室外污染物僅通過外窗縫隙滲透進入室內(nèi)并均勻混合后，分別測試空氣凈化器在不同擺放位置開啟時對PM2.5凈化效果的影響，從而分析出一種霧霾天氣下更有效且節(jié)能的凈化器擺放方式。

1 研究方法

1.1 計算方法

1.1.1 潔凈空氣量CADR

CADR反映空氣凈化器單位時間去除某種空氣污染物后所能提供的不含該污染物的空氣體積，是表征空氣凈化器在額定狀態(tài)和規(guī)定的條件下凈化能力的參數(shù)。潔凈空氣輸出比率越大，凈化器的凈化效率越高。計算公式為：

CADR=(Ke-Kn)V，

(1)

式中：Ke為開啟凈化器情況下房間內(nèi)污染物的總衰減常數(shù)，min-1；Kn為不開凈化器條件下房間內(nèi)污染物自然衰減常數(shù)，min-1；V為被測房間體積，m3；其中Ke、Kn由式(2)計算，利用自然衰減工況質(zhì)量濃度變化計算得到的污染物衰減常數(shù)K即為Ke，利用總衰減工況下污染物質(zhì)量濃度變化計算得到的污染物衰減常數(shù)即為Kn。

(2)

式中：Ct為污染物某一時刻t的質(zhì)量濃度，μg/m3；C0為初始時刻t=0時的污染物質(zhì)量濃度，μg/m3；t為測試時間，min-1。

1.1.2 有效凈化效率η

有效凈化效率η為單位送風量下的潔凈空氣量，是空氣凈化器清除某一種污染物的凈化效率：

(3)

式中Q為空氣凈化器額定風量，m3/h。

1.1.3 氣流分布效率η*

氣流分布效率是指空氣凈化器有效凈化效率和單通效率的比值。

(4)

式中：η1為空氣凈化器的單通效率，η1=(Cin-Cout)/Cin，其中Cin為空氣凈化器進風口污染物質(zhì)量濃度，μg/m3；Cout為空氣凈化器出風口污染物質(zhì)量濃度，μg/m3。

1.1.4 凈化能效ηE

凈化能效ηE是指空氣凈化器在額定狀態(tài)下單位功耗所產(chǎn)生的潔凈空氣量，單位[m3/(w·h)]。本次實驗選擇的空氣凈化器在不同位置開啟相同時間產(chǎn)生的耗電量均為0.04 N/(w·h)，凈化能效直接反映產(chǎn)品的設(shè)計和制造水平。

(5)

式中N為凈化器開啟的耗電量，N/(w·h)。

1.2 實驗環(huán)境及器材

本次實驗選擇了一個長6 m，寬4 m，高4 m的被動房作為實驗場所，在西窗外點燃艾絨，使得滲透風僅通過西側(cè)的窗戶縫隙進入室內(nèi)，并從東側(cè)門流出。選取了一臺具有高效凈化能力的濾網(wǎng)式空氣凈化器，這臺凈化器濾網(wǎng)解除傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，搭載納米催化技術(shù)，使得吸附面積較大，凈化效率更高。同時為保證實驗精度，本實驗選用可以多種粒徑探頭轉(zhuǎn)換的激光粉塵檢測儀，放置于位于房間正中央的三角支架上，支架頂端距離地面1 m。為避免相對濕度對實驗結(jié)果的影響，房間內(nèi)布置了1臺恒濕器使實驗過程中的相對濕度始終保持在40%左右。

實驗設(shè)備及測點的布置如圖1所示。將凈化器分別擺放在如圖所示的位置A、位置B、位置C對滲透進室內(nèi)的細顆粒物進行凈化測試。

圖1 實驗設(shè)備及測點布置圖

1.3 實驗過程

1)為保持每組實驗的初始條件相同，實驗前先開啟空氣凈化器至最高檔位風量，待室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度降低至標準規(guī)定的顆粒物質(zhì)量濃度，關(guān)閉空氣凈化器。

2)在西窗外點燃艾絨40 min，充分模擬室外霧霾條件，使得燃燒產(chǎn)物透過外窗縫隙滲透進入室內(nèi)。

3)分別將凈化器擺放在如圖1所示的位置A、位置B、位置C處。每組實驗都開啟凈化器至最高檔位風量，并同時開啟激光粉塵檢測儀，連續(xù)測定并記錄室內(nèi)細顆粒物的質(zhì)量濃度30次，每次測定采樣時間為1 min，測定完成后，篩選數(shù)值大于檢測儀器下限的數(shù)據(jù)點作為有效數(shù)據(jù)點，并選取篩選后的第一個數(shù)據(jù)點作為房間內(nèi)的初始質(zhì)量濃度C0(t=0 min)。

2 測試結(jié)果

2.1 凈化器擺放不同位置時的凈化效果比較

2.1.1 凈化器在不同位置開啟對PM2.5的瞬時過濾效率

從圖2可以看出，在凈化器開啟的前10 min內(nèi)，放置在不同位置的瞬時凈化效率大小關(guān)系為：ηa>ηb>ηc；在凈化器開啟10 min后，ηb>ηa>ηc。這可能是以下原因?qū)е隆?/p>

圖2 凈化器不同位置開啟時對PM2.5瞬時凈化效率

在凈化器剛開啟階段，窗縫處滲透進入的細顆粒物數(shù)量較多，一部分顆粒物在慣性碰撞或與壁面碰撞過程中凝并成較粗的粒子并向下沉降。當凈化器在位置A開啟時，在靠近窗縫下方形成回旋氣流，凝并增大的較粗粒子由凈化器進風口吸入，導致凈化器在位置A開啟的初始階段對PM2.5過濾效率較大。凈化后的空氣由凈化器頂端的出風口送入室內(nèi)并隨室內(nèi)氣流向上運動，同時帶動細顆粒物緩慢上升。受窗口處風速影響，氣流在上升的同時還向房間中間區(qū)域水平運動。由于速度梯度大，顆粒物幾乎不發(fā)生擴散，所以一段時間后A區(qū)域處顆粒物質(zhì)量濃度較小，從而使得凈化器能夠捕捉到的顆粒物也減少，對PM2.5的過濾效率也由此降低。氣流到達天花板附近，在房間頂部形成顆粒物質(zhì)量濃度較高的氣流層。受天花板和壁面的阻擋碰撞和顆粒物之間的慣性碰撞凝并，氣流有回返現(xiàn)象，絕大部分落于位置B的垂直面附近，位置B附近的顆粒物數(shù)量增多，受凈化器前方氣流擾動，PM2.5更易被卷吸過濾掉，因而當凈化器在位置B開啟一段時間后，對PM2.5的過濾效率逐漸大于同一時段凈化器在位置A開啟時對PM2.5的過濾效率。

2.1.2 凈化器在不同位置開啟時對PM2.5的整體凈化效果

將凈化器在不同位置開啟時分別測得的參數(shù)按式(2)～(5)計算，并將計算結(jié)果列于表1。從表中可以看出，凈化器在不同位置開啟時的CADR值大小關(guān)系為：CADRb>CADRa>CADRc；有效凈化效率ηb>ηa>ηc；凈化器在位置B開啟時的氣流分布效率明顯高于位置A和位置C，η2a和η2c僅能達到65%～70%左右，而η2b卻能達到80%以上。而從凈化能效上來看，凈化器在位置B開啟時的ηE明顯高于在位置A或者位置C。這表明，空氣凈化器在不同位置開啟會造成室內(nèi)氣流組織的不同而影響凈化器的凈化效果，且對細顆粒物影響作用更大；凈化器在位置B開啟時對室內(nèi)氣流組織的影響最大，使得整體凈化效果最好。

表1 凈化器不同位置開啟對PM2.5整體凈化效果

2.2 凈化器在不同位置開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減變化

從圖3中可以看出，當凈化器不開啟時，PM2.5質(zhì)量濃度自然衰減程度較小。這是因為滲透風溫度高于室溫，氣流進入室內(nèi)后向上偏移，尤其對于PM2.5細顆粒物，由于其重力作用小，更不易沉降下來。

從圖3中還可以看出，凈化器在位置B開啟對PM2.5質(zhì)量濃度凈化衰減程度高于位置A，這可能是因為：室內(nèi)空氣在窗縫處流速較大，滲透進室內(nèi)的顆粒物受到室內(nèi)外空氣溫差和室內(nèi)熱源引起的熱浮力影響而易從房間底部向上運動。其中PM2.5又有很好的氣流跟隨性[7]，而凈化器進風口又位于機體兩側(cè)，故而不易被凈化器捕捉過濾掉。而室內(nèi)空氣整體流速較慢，當凈化器在位置B開啟時，室內(nèi)氣流受到強烈擾動，凈化器周圍的細顆粒物在風機作用下被凈化器過濾掉，同時輸出潔凈空氣，使得PM2.5質(zhì)量濃度衰減得更快。而凈化器在位置C時，PM2.5質(zhì)量濃度雖然整體上呈下降趨勢，但在凈化過程中波動很大。位置C靠近門，門外走廊溫度低于室內(nèi)，從門縫滲透進的冷空氣下沉，同時室內(nèi)受熱的空氣膨脹上升而形成空氣對流現(xiàn)象。由此造成凈化器入風口和出風口氣流分布不均勻而導致PM2.5質(zhì)量濃度在凈化過程中波動很大。

圖3 凈化器不同位置開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減曲線

2.3 凈化器在不同位置開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減不同百分比所需時間

分別將凈化器在位置A、B、C開啟，測得PM2.5質(zhì)量濃度衰減40%、50%、60%所需的時間并列于表2中。從表中可以看出，當凈化器在位置B開啟時，PM2.5質(zhì)量濃度衰減40%，50%，60%所需時間均為最短，在位置C開啟時，所需時間均為最長。從圖4中可以更直觀地看出，凈化器在位置B開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減50%所需時間和凈化器在位置A開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減40%所需時間基本相同，而凈化器在位置B開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減60%所需時間比凈化器在位置C開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減40%所需時間還要短。凈化器開啟時間越長，消耗的電能越多。因此，當需要凈化相同質(zhì)量濃度的PM2.5時，將凈化器放在位置B開啟更節(jié)能。

3 結(jié)語

1)在凈化器開啟的初始階段，凈化器在位置A開啟對PM2.5的過濾效率最高。而在凈化器開啟的整個階段，凈化器在位置B開啟對PM2.5的凈化效果最好，在位置C開啟對PM2.5的凈化效果最差。

表2 凈化器不同位置開啟時PM2.5質(zhì)量濃度衰減不同百分比所需時間

圖4 凈化器不同位置PM2.5濃度衰減不同百分比所需時間

2)為使PM2.5質(zhì)量濃度下降相同數(shù)值，凈化器在位置B開啟所需時間最短，也最節(jié)能。

3)氣流組織對細顆粒物凈化效果的影響較大，改善空氣凈化器對室內(nèi)氣流組織的影響會提高空氣凈化器的凈化效果。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 18801—2015 空氣凈化器[S].北京：中國標準出版社，2015.

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[6] 黃健.艾灸診室PM2.5物理化學特征與毒理研究[D].北京：北京中醫(yī)藥大學，2016.

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