對(duì)空氣凈化器性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法的探討

王蔚然 朱焰

（1、飛利浦中國(guó)研究院 上海 200233；2、中國(guó)家用電器研究院 北京 100053）

1 引言

目前,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801-2008《空氣凈化器》正面臨修訂。涉及到該產(chǎn)品的性能指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，引起了標(biāo)準(zhǔn)修訂參與者的廣泛關(guān)注，本文試就該標(biāo)準(zhǔn)涉及到的主要性能指標(biāo)及相關(guān)的評(píng)價(jià)方法做一些探討，同時(shí)作出比對(duì)分析。

2 空氣凈化器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的主要性能指標(biāo)的確定

空氣凈化器作為以潔凈空氣為主要目的家用電器產(chǎn)品，評(píng)價(jià)其產(chǎn)品的質(zhì)量水準(zhǔn)、好壞優(yōu)劣，當(dāng)以其“潔凈空氣的能力”作為最基本的性能指標(biāo)。空氣凈化器的“潔凈空氣能力”不同，就決定了它們的品質(zhì)高低、質(zhì)量?jī)?yōu)劣。

圖1 室內(nèi)污染物下降為復(fù)合作用的結(jié)果

圖2 空氣凈化器和自然衰減共同作用下污染物下降示意圖

圖3 某空氣凈化器30m3實(shí)驗(yàn)艙甲苯下降曲線

在標(biāo)準(zhǔn)中，“潔凈空氣能力”又稱為“潔凈空氣量”，是指單位時(shí)間提供潔凈空氣的體積量，英文為clean air delivery rate，簡(jiǎn)稱為CADR，單位為：m /h，即，單位時(shí)間內(nèi)潔凈的空氣量。

需要特別指出的是，每一臺(tái)空氣凈化器的“潔凈空氣能力”都是針對(duì)特定的目標(biāo)污染物而設(shè)計(jì)的，所以，每一臺(tái)空氣凈化器的“潔凈空氣量”都需要指明針對(duì)的空氣污染物種類 換句話說(shuō)，如果不指明凈化污染物的對(duì)象，僅標(biāo)注一個(gè)“潔凈空氣量”即CADR的值，是沒(méi)有任何意義的。

之所以說(shuō)“潔凈空氣量”是空氣凈化器的最主要性能指標(biāo)，還在于其他的類似的空氣凈化指標(biāo)（或參數(shù)）均可以從這一指標(biāo)推導(dǎo)出，如，凈化效率、使用面積等，當(dāng)然，推導(dǎo)時(shí)需要規(guī)定必要的條件，如，被凈化的空間環(huán)境、污染物的性質(zhì)、初始濃度水平以及工作（凈化）時(shí)間等。

3 潔凈空氣量CADR評(píng)價(jià)法

評(píng)價(jià)一臺(tái)空氣凈化器的凈化能力強(qiáng)弱，國(guó)際上普遍采用CADR 評(píng)價(jià)法。因?yàn)?，這一指標(biāo)反映出了空氣凈化器的屬性。

3.1 潔凈空氣量CADR的本質(zhì)

根據(jù)定義，潔凈空氣量CADR是指一臺(tái)空氣凈化器在單位時(shí)間內(nèi)能提供的干凈空氣量，實(shí)際上也可以理解為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)空氣凈化器的風(fēng)量乘上單次過(guò)濾的效率所得。即

其中，C和C別為進(jìn)口處和出口處的污染物濃度；F為風(fēng)量；η為單次過(guò)濾效率（One-pass efficiency或Single-pass efficiency）。

假設(shè)每小時(shí)有300m污染物濃度為1mg/m的空氣通過(guò)某臺(tái)空氣凈化器，被凈化成了300m污染物濃度為0.1mg/m 的較干凈空氣，則對(duì)應(yīng)的CADR為：

由定義可以看出，CADR直接反映了空氣凈化器對(duì)于某種污染物的凈化能力，從理論上講與使用房間的大小和使用時(shí)間無(wú)關(guān)，屬于空氣凈化器的固有參數(shù)。CADR允許直接的加減運(yùn)算，即兩臺(tái)對(duì)某種污染物的CADR為100m /h空氣凈化器同時(shí)使用時(shí)，它們總的CADR應(yīng)當(dāng)為200m /h；或者，當(dāng)一臺(tái)空氣凈化器的CADR為200m /h時(shí)，其凈化能力就是CADR為100m/h的機(jī)器的兩倍。

需要指出的是，在實(shí)際對(duì)空氣凈化器的測(cè)試中，目標(biāo)污染物濃度水平在機(jī)器的連續(xù)工作下會(huì)降低，但嚴(yán)格來(lái)講，這種污染物濃度水平的降低，實(shí)際上是一個(gè)復(fù)合作用的過(guò)程，即由機(jī)器的凈化作用和污染物濃度水平自然衰減兩項(xiàng)復(fù)合作用形成的。見圖1。

圖2為室內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間下降的示意圖，顯示了空氣凈化器與自然衰減的共同作用。

3.2 污染物濃度水平變化與CADR的關(guān)系

顯然，室內(nèi)的污染物在任一時(shí)刻的減少量（下述公式等號(hào)左邊之項(xiàng)），等于以上復(fù)合作用帶來(lái)的污染物的去除量（下述公式等號(hào)右邊之項(xiàng)）。即：

其中V為房間或?qū)嶒?yàn)艙體積，C為污染物濃度，k 為自然衰減常數(shù)（單位為時(shí)間 ）。整理后，并定義總衰減系數(shù)

考慮CADR與C不相關(guān)的簡(jiǎn)化情況，由于t=0時(shí)C=C （即初始濃度），積分后得到：

此即為目前國(guó)標(biāo)GB/T 18801-2008附錄B“計(jì)算方法”中引用的公式。通常情況下，k 比起k 來(lái)說(shuō)要小很多，并且測(cè)量k需要一次額外的試驗(yàn)。所以在要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合，有時(shí)會(huì)忽略k，認(rèn)為k即為k 。

公式(4)即為在理想的環(huán)境狀況下，污染物濃度水平與CADR的關(guān)系。

3.3 如何測(cè)試計(jì)算空氣凈化器的CADR？

依據(jù)公式(4)，我們可以知道，空氣凈化器對(duì)于某種污染物的CADR可以通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙污染物濃度隨時(shí)間的變化來(lái)得到。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，CADR值通常使用多點(diǎn)擬合法求得，即測(cè)量多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，做出下降曲線的指數(shù)擬合。為了衡量擬合程度，通常使用相關(guān)系數(shù)R 做一個(gè)判斷。如加拿大標(biāo)準(zhǔn)NRCC-54013要求一般情形下顆粒物CADR計(jì)算時(shí)R 應(yīng)當(dāng)不低于0.95，氣態(tài)污染物CADR計(jì)算時(shí)R 不低于0.9。

圖4 某空氣凈化器30m 實(shí)驗(yàn)艙甲醛下降曲線

圖5 30m 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)不同CADR空氣凈化器“去除率”與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系

如果借助理想的理論公式，并只使用兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)直接計(jì)算，則是較簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)計(jì)算法，目前為日本空氣凈化器標(biāo)準(zhǔn)采用。

選取數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算具體的CADR時(shí)，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)污染物的不同屬性，注意測(cè)試方法的誤差和檢測(cè)限。一般情況下，當(dāng)污染物濃度太低時(shí)，測(cè)量誤差通常較大。而在空氣凈化器實(shí)驗(yàn)艙的測(cè)試條件下，污染物濃度處于一直變化中，不存在通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大量采樣的方法來(lái)富集極低濃度污染物到可測(cè)量濃度的條件。

以甲醛為例，按國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18883-2002規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為0.10mg/m 。目前大多數(shù)的測(cè)試方法，在此標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)尚能保證精度。但在更低濃度時(shí)誤差逐漸變大，低于此標(biāo)準(zhǔn)值50%，即0.05mg/m 以下時(shí)，更為精確測(cè)量的方法目前尚未見報(bào)道。因此，一個(gè)較為實(shí)際的數(shù)據(jù)點(diǎn)選取策略是，選取從初始濃度（通常為10倍標(biāo)準(zhǔn)值左右）開始到剛低于標(biāo)準(zhǔn)值濃度止（即為初始濃度十分之一左右）之間的數(shù)據(jù)計(jì)算CADR。只有確信測(cè)試儀器的精度可靠時(shí)，可以適當(dāng)增加后續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)參與計(jì)算。

圖3為某臺(tái)空氣凈化器在國(guó)外30m 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)測(cè)試所得的甲苯下降曲線。測(cè)量?jī)x器為PTRMS，采樣間隔為2s。

根據(jù)上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，15分鐘左右甲苯的濃度已經(jīng)下降到初始濃度的十分之一。因?yàn)镻TRMS的測(cè)量精度較高，我們選取了前20分鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)R 為0.994，k為10.914·h 。該實(shí)驗(yàn)艙對(duì)于甲苯的k 為0.012·h。據(jù)此，可以計(jì)算出該空氣凈化器的針對(duì)甲苯的CADR為327m/h。

圖4為同型號(hào)空氣凈化器在上海30m試驗(yàn)艙內(nèi)測(cè)試所得的甲醛下降曲線。測(cè)量?jī)x器為PPM htv-M，采樣間隔為2min。

該試驗(yàn)表明，在第22分鐘時(shí)的數(shù)據(jù)正好低于（或等于）標(biāo)準(zhǔn)值。由于甲醛測(cè)試儀器的精度限制，我們選取前22分鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)R為0.975，k為6.330·h。該實(shí)驗(yàn)艙對(duì)于甲醛的k為0.050·h。因此，可以得出該空氣凈化器的甲醛CADR為188m/h。

4 “去除率”評(píng)價(jià)法

“去除率”評(píng)價(jià)的是針對(duì)空氣凈化器在時(shí)間t時(shí)對(duì)目標(biāo)污染物的凈化效果做出的評(píng)價(jià)，按其定義為：

但是應(yīng)該注意，“去除率”（或“凈化效率”）實(shí)際上是一個(gè)相對(duì)值，在假設(shè)的環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)的理想狀態(tài)時(shí)，它僅是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。

如果考慮到自然衰減的作用，一個(gè)改進(jìn)的做法是在公式(5)算出來(lái)的總“去除率”后再剔除自然衰減帶來(lái)的影響，得到空氣凈化器“去除率”。本文以下均考慮較簡(jiǎn)化的情況，即忽略自然衰減帶來(lái)的影響。

4.1 “去除率”并非表征空氣凈化器的本質(zhì)指標(biāo)

在市場(chǎng)宣傳中，不少?gòu)S家喜歡使用“去除率”高達(dá)多少的語(yǔ)句來(lái)顯示空氣凈化器的性能。

須知，評(píng)價(jià)一臺(tái)空氣凈化器的“去除率”（或“凈化效率”）是需要規(guī)定清楚試驗(yàn)條件的（本文第一章中曾做了說(shuō)明）。顯而易見，“去除率”與實(shí)驗(yàn)艙的大小及測(cè)試時(shí)間緊密相關(guān)。由公式(4)可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)艙大小和測(cè)試時(shí)間確定時(shí)，“去除率”可以由CADR計(jì)算得出，但這一結(jié)果是一個(gè)理論值。由于CADR是一個(gè)大于或等于0的數(shù)，無(wú)上限，而“去除率”是100%減去CADR取負(fù)后的指數(shù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際上為一個(gè)0%～100%之間的比值。

為了使讀者能夠較直觀認(rèn)識(shí)空氣凈化器的CADR 和“去除率”之間的關(guān)系，我們依據(jù)公式(4)，用計(jì)算機(jī)模擬出在30m 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，不同CADR（單位為m /h）的空氣凈化器在一個(gè)小時(shí)內(nèi)“去除率”與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系。由于公式(4)是適用于顆粒物及氣態(tài)污染物的通用公式，因此圖5中所示CADR和“去除率”的關(guān)系并不限于某一種特定污染物。

由圖5可以明確看出，潔凈空氣能力強(qiáng)的（即CADR值大）機(jī)器，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下，僅需要幾分鐘，就可以將污染物的濃度水平去除掉90%，而CADR值小的機(jī)器，在相同的時(shí)間內(nèi)只能去除掉10%多一些。換句話說(shuō)，空氣凈化器的CADR的不同，其潔凈空氣能力的強(qiáng)弱顯而易見。

4.2 “去除率”的測(cè)試受不同污染物濃度的影響明顯

從實(shí)際操作上來(lái)說(shuō)，“去除率”的測(cè)試方法相對(duì)簡(jiǎn)單，只要測(cè)量初始濃度和時(shí)間t時(shí)的終止?jié)舛燃纯?。但是此方法同時(shí)也帶來(lái)一個(gè)缺點(diǎn)，即時(shí)間t時(shí)的測(cè)量誤差，直接決定了“去除率”的可靠性。前面已經(jīng)闡述，對(duì)于氣態(tài)污染物而言，低濃度時(shí)的精確測(cè)量較為困難。以甲醛為例，當(dāng)濃度從初始的1mg/m 下降到0.05mg/m時(shí)，很難再有可靠的測(cè)量。也就是說(shuō)，假設(shè)某次甲醛測(cè)試，得到“去除率”為95%，在重復(fù)測(cè)試中，出現(xiàn)94%或者96%亦屬正常。

多數(shù)情況下，空氣凈化器使用物理過(guò)濾技術(shù)凈化顆粒物，所以顆粒物CADR與“去除率”的關(guān)系，可以較好地符合圖5所示的模擬結(jié)果。而對(duì)于氣態(tài)污染物多使用活性炭或化學(xué)吸附技術(shù)，其吸附效率在測(cè)試過(guò)程中存在一定的不穩(wěn)定性，所以與圖5的理論結(jié)果吻合程度通常有一定偏差，同時(shí)給重復(fù)測(cè)試帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。至于部分空氣凈化器對(duì)某些特別的污染物采取了非過(guò)濾非吸附式主動(dòng)凈化的技術(shù)（如往空氣中釋放抑菌成分達(dá)到除菌效果），與公式(4)的理論基礎(chǔ)相差較大，因此對(duì)該特別污染物的“去除率”不適用圖5所示關(guān)系。

對(duì)氣態(tài)污染物“去除率”來(lái)說(shuō)，重復(fù)測(cè)試中出現(xiàn)幾個(gè)點(diǎn)百分比的偏差，對(duì)于空氣凈化器之間性能的比較，可能產(chǎn)生較大影響。以測(cè)試時(shí)間t為60min為例，CADR為150m /h的空氣凈化器與CADR為300m /h的空氣凈化器的實(shí)際性能相差一倍，但是“去除率”只相差一個(gè)點(diǎn)百分比。如果測(cè)量帶來(lái)的誤差超過(guò)了這一個(gè)點(diǎn)，則可能出現(xiàn)測(cè)試得到的“去除率”和實(shí)際性能倒掛的情況。

因此，為避免出現(xiàn)上述情況，建議應(yīng)根據(jù)空氣凈化器的凈化對(duì)象及能力，適時(shí)適度地選擇實(shí)驗(yàn)艙大小、測(cè)試時(shí)的初始濃度水平以及測(cè)試時(shí)間等參數(shù)，以便使測(cè)試結(jié)果盡可能地反映實(shí)際真實(shí)情況，并與對(duì)應(yīng)理論計(jì)算相吻合。需要明確的是，對(duì)于氣態(tài)污染物，測(cè)試準(zhǔn)確度有保證的情況下只能評(píng)價(jià)相對(duì)較低的“去除率”（譬如，不大于95%）。這與目前廠家熱衷于宣傳接近99%的“去除率”的初衷，存在一定差別。

4.3 “去除率（風(fēng)量決定測(cè)試時(shí)間）”和單次過(guò)濾效率之間的關(guān)系

作為對(duì)“去除率”評(píng)價(jià)法的一種嘗試，有觀點(diǎn)提出了依據(jù)空氣凈化器風(fēng)量來(lái)決定測(cè)試時(shí)間的方法。風(fēng)量較大的空氣凈化器，需要的時(shí)間較短；風(fēng)量較小則時(shí)間較長(zhǎng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的固定測(cè)試時(shí)間的“去除率”，我們稱其為“去除率（風(fēng)量決定測(cè)試時(shí)間）”的評(píng)價(jià)法。

該方法試圖通過(guò)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，給風(fēng)量較?。ㄍǔＧ闆r下CADR也較?。┑目諝鈨艋魈峁┮粋€(gè)和大風(fēng)量空氣凈化器一樣的較高“去除率”，對(duì)于促進(jìn)小風(fēng)量空氣凈化器的發(fā)展有一定積極作用。該評(píng)價(jià)的核心是：

其中α為常數(shù)，F(xiàn)為風(fēng)量，然后依據(jù)公式(5)評(píng)價(jià)“去除率”。為了了解該評(píng)價(jià)方法的實(shí)質(zhì)，我們把公式(6)代入公式(4)，為簡(jiǎn)化起見忽略自然衰減系數(shù)，得：

再把公式(1)代入公式(7)，依據(jù)公式(3)的形式進(jìn)行整理，得：

其中α為常數(shù)，V為試驗(yàn)艙大小，η為單次過(guò)濾效率。由公式(8)可以看出，“去除率（風(fēng)量決定測(cè)試時(shí)間）”事實(shí)上評(píng)價(jià)了一個(gè)單一指標(biāo)，既空氣凈化器凈化材料在設(shè)計(jì)風(fēng)量下的單次過(guò)濾效率。

對(duì)于空氣凈化器來(lái)說(shuō)，凈化材料的單次過(guò)濾效率固然是一個(gè)重要指標(biāo)，但是，相對(duì)空氣凈化器來(lái)講，整機(jī)的設(shè)計(jì)能力更為關(guān)鍵，并直接決定了整機(jī)的性能?？諝鈨艋鞯脑O(shè)計(jì)不應(yīng)當(dāng)為追求某個(gè)部件的最佳效率，而忽略整機(jī)的性能。

通常情況下，尤其對(duì)于氣態(tài)污染物而言，低風(fēng)量意味著凈化材料表面空氣的流速更慢，其單次過(guò)濾效率相對(duì)較高。也就是說(shuō)，如果依據(jù)“去除率（風(fēng)量決定測(cè)試時(shí)間）”來(lái)評(píng)價(jià)的話，使用相同凈化材料的情況下，小風(fēng)量的空氣凈化器比大風(fēng)量的空氣凈化器的結(jié)果更好，而同一臺(tái)空氣凈化器，低風(fēng)模式比高風(fēng)模式的結(jié)果更好。這也正說(shuō)明了為什么產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中需要設(shè)置“凈化能效水平”這一指標(biāo)。

5 分析及結(jié)論

對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，空氣凈化器性能最直接的反映由以下兩個(gè)問(wèn)題決定：

(1)當(dāng)進(jìn)入到一個(gè)有空氣污染的房間，空氣凈化器可以在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將空氣凈化干凈？

(2)當(dāng)房間內(nèi)污染源持續(xù)存在時(shí)（如新裝修房間），開啟空氣凈化器究竟可以將空氣潔凈程度保持在一個(gè)什么水準(zhǔn)？

由公式(4)可以看出，第一個(gè)問(wèn)題里消費(fèi)者所關(guān)心的時(shí)間t和k是一個(gè)乘法的關(guān)系。也就是說(shuō)，當(dāng)初始污染物濃度和期望達(dá)到的干凈程度（即期望的污染物濃度）都確定的情況下，t和k的乘積是一個(gè)常數(shù)。在忽略自然衰減系數(shù)及房間大小確定的情況下，t和CADR的乘積是常數(shù)。也就是說(shuō)CADR每大一倍，理論上，凈化時(shí)間就會(huì)縮短一倍。

對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，我們假設(shè)室內(nèi)污染源的釋放速率恒定為γ，單位為mg/h。則：

其中，k 為不包括通風(fēng)因素的自然衰減常數(shù)，k 為通風(fēng)帶來(lái)的衰減常數(shù)，V為房間體積，C 為不開啟空氣凈化器時(shí)房間內(nèi)污染物的穩(wěn)態(tài)濃度，C 為開啟空氣凈化器時(shí)房間內(nèi)污染物的穩(wěn)態(tài)濃度。整理后得到：

由于k 通常很小，k在正常情況下也較小（門窗未大幅度開啟的情況下通常小于0.5·h），而一臺(tái)性能較優(yōu)秀的空氣凈化器（譬如CADR達(dá)到150m /h）對(duì)于一間空曠體積達(dá)到30m 的房間來(lái)說(shuō)k 在5以上，遠(yuǎn)大于k和k。所以從公式(10)可以看出，最終房間空氣的污染物濃度C 與空氣凈化器的CADR也是成簡(jiǎn)單的相乘關(guān)系。也就是說(shuō)CADR每大上一倍，理論上可以使室內(nèi)空氣污染物穩(wěn)態(tài)時(shí)的濃度下降一倍。

綜上所述，對(duì)于顆粒物或氣態(tài)污染物（如甲苯、甲醛等）而言，使用對(duì)應(yīng)的潔凈空氣量CADR作為主要性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，非常好的反映了消費(fèi)者對(duì)凈化效果的核心關(guān)注。“去除率”作為一種簡(jiǎn)潔的測(cè)試方法，在對(duì)應(yīng)的CADR方法尚未明確或較難適用的情況下，可以直接反映某項(xiàng)性能，不失為一種有效的參考性方法。但是實(shí)驗(yàn)艙體積，初始濃度，測(cè)試環(huán)境均需做好規(guī)定，以便消費(fèi)者可以在不同空氣凈化器之間做出比較。