空氣凈化器綜合性能分析

白 莉 張美玲

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

20世紀(jì)90年代以前,我國(guó)居民所關(guān)注的建筑室內(nèi)污染物主要是由于人員活動(dòng)(如吸煙、燃煤、烹調(diào)等)引起的SO2,CO2,到90年代末期,隨著建筑裝修行業(yè)的興起,以裝飾裝修材料釋放的甲醛為代表的氣態(tài)污染物成為室內(nèi)污染的最大源頭.近年來(lái),中國(guó)秋冬季霧霾時(shí)有發(fā)生,PM2.5等顆粒物已成為新的“隱形殺手”[1],特別是在北方地區(qū),嚴(yán)重影響人們的健康.最初人們?cè)陟F霾天氣選擇關(guān)閉門(mén)窗躲避危害,然而效果并不理想,因?yàn)槭彝獯髿忸w粒物濃度與室內(nèi)的呈正相關(guān),顆粒物會(huì)通過(guò)門(mén)窗縫隙和新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi),另外室內(nèi)建筑裝飾裝修材料自身散發(fā)氣態(tài)污染物,如甲醛、氡、苯系物等[2],還有人為活動(dòng)如抽煙、烹飪等都會(huì)造成室內(nèi)污染物濃度超標(biāo).鑒于這種情況,多采用“凈化器+自然通風(fēng)”和“過(guò)濾器+機(jī)械通風(fēng)”的方式來(lái)保障室內(nèi)空氣品質(zhì)[1],“凈化器+自然通風(fēng)”的方式應(yīng)用更為普遍,空氣凈化器逐漸成為家用必備電器之一.

空氣凈化器是指能夠吸附、分解或轉(zhuǎn)化各類(lèi)空氣污染物(主要包括霧霾產(chǎn)生的PM2.5等顆粒物、揮發(fā)性氣體污染物如甲醛等以及細(xì)菌微生物),有效提高空氣清潔度的家電產(chǎn)品,其中室內(nèi)污染物包括:PM2.5、甲醛、苯、二手煙、油煙異味、細(xì)菌病毒等.從采用的技術(shù)方面,空氣凈化器可劃分為3大類(lèi),過(guò)濾式、電凈化式、復(fù)合式空氣凈化器,本文對(duì)市面在售空氣凈化器的潔凈空氣量(Clean air delivery rate,英文縮寫(xiě)為 CADR,用作以下簡(jiǎn)稱(chēng))、累積凈化量(Cumulate clean mass ,英文縮寫(xiě)為CCM,用作以下簡(jiǎn)稱(chēng))、凈化能效等級(jí)和噪音等4個(gè)指標(biāo)與《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)做了對(duì)比分析.

1 空氣凈化器主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

依據(jù)2015年新國(guó)標(biāo)《空氣凈化器》,優(yōu)良的空氣凈化器具有以下條件:高CADR、高CCM、高凈化能效和低噪音,即“三高一低”的選擇標(biāo)準(zhǔn).

1.1 潔凈空氣量(CADR)

CADR是衡量空氣凈化器凈化效率的指標(biāo),與使用面積有關(guān),CADR越高,表示凈化器去除污染物的效果越好.

1.2 累積凈化量(CCM)

CCM是指凈化器在特定的實(shí)驗(yàn)條件下運(yùn)行一段時(shí)間后,CADR衰減至初始CADR的50%時(shí),此空氣凈化器累積凈化的室內(nèi)污染物總量(單位為mg),凈化器的CCM越大,可凈化的污染物越多,過(guò)濾網(wǎng)的壽命越長(zhǎng),但過(guò)濾器的壽命也取決于污染物的初始濃度、凈化器的風(fēng)量和運(yùn)行時(shí)間等因素,實(shí)際使用過(guò)程中,用戶應(yīng)及時(shí)更換濾網(wǎng),避免造成二次污染.

表1表示凈化器對(duì)顆粒物CCM的評(píng)價(jià),但當(dāng)實(shí)測(cè)顆粒物CCMMPM<3 000mg時(shí),不對(duì)其進(jìn)行CCM評(píng)價(jià).

表2表示凈化器對(duì)典型氣態(tài)污染物甲醛CCM的評(píng)價(jià),但當(dāng)實(shí)測(cè)典型氣態(tài)污染物甲醛CCM即MF<3 000mg時(shí),不對(duì)其進(jìn)行CCM評(píng)價(jià).

表2 凈化器對(duì)典型氣態(tài)污染物甲醛CCM的評(píng)價(jià)[3]Table 2 CCM of typical gaseous pollutant formaldehyde evaluation by purifier

1.3 凈化能效

優(yōu)質(zhì)的凈化器不僅凈化效率高,而且能耗低,凈化能效是一個(gè)非常重要的考量指標(biāo),它是指凈化器的CADR實(shí)測(cè)值與輸入功率實(shí)測(cè)值的比值,顆粒物和氣態(tài)污染物的凈化能效等級(jí)劃分見(jiàn)表3.

表3 顆粒物和氣態(tài)污染物的凈化能效等級(jí)Table 3 Level of purifyingenergy efficiency of particulate matter and gaseous pollutants

凈化器的凈化能效按式(1)計(jì)算:

(1)

式中,η為凈化能效,m3/(W·h);Q為CADR實(shí)測(cè)值,m3/h;P為輸入功率實(shí)測(cè)值,W.

1.4 噪聲

我國(guó)規(guī)定的空氣凈化器在運(yùn)行時(shí)的噪聲與CADR息息相關(guān),CADR越大,對(duì)應(yīng)的噪聲越大,表4列出了CADR實(shí)測(cè)值與噪聲實(shí)測(cè)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,國(guó)標(biāo)中的噪聲指的是聲功級(jí)而非聲壓級(jí),聲壓級(jí)的數(shù)值隨距離的改變而改變,是一個(gè)不確定值,用戶在購(gòu)買(mǎi)凈化器時(shí)要注意區(qū)分.

表4 CADR對(duì)應(yīng)的噪聲值Table 4 The noise value corresponding to CADR

2 空氣凈化器性能參數(shù)分析

2.1 空氣凈化器性能對(duì)比分析

2017年凈化器銷(xiāo)量如圖1所示.由圖1可知，進(jìn)口品牌占據(jù)著凈化器的主要市場(chǎng),以上9款銷(xiāo)量占優(yōu)的凈化器涵蓋了中國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)多個(gè)國(guó)家的品牌凈化器,凈化方式多樣,基本上采用了幾乎所有凈化技術(shù),具有一定的代表性.

本文以圖1所列9款凈化器為目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表5.

圖1 2017年空氣凈化器銷(xiāo)量占比圖Fig.1 Proportion of air purifier sales in 2017

由表5可見(jiàn), CADR大的空氣凈化器更受歡迎,市面在售空氣凈化器普遍為高效凈化器,風(fēng)量以300m3/h～500m3/h居多,顆粒物的CADR較高,由此可見(jiàn)凈化器普遍以去除顆粒物為主,針對(duì)室內(nèi)裝飾裝修材料產(chǎn)生的顆粒污染物進(jìn)行去除;

以凈化甲醛和苯為輔,針對(duì)城市工業(yè)污染、冬季燃煤和汽車(chē)尾氣產(chǎn)生的臭氧、二氧化硫和二氧化氮進(jìn)行凈化,部分品牌凈化器標(biāo)識(shí)了相應(yīng)的CADR檢測(cè)值,但可去除的顆粒物主要是PM2.5,只有少數(shù)凈化器可去除PM0.3及粒徑更小的顆粒物.

廣義PM2.5包括狹義PM2.5(粒徑0.3μm～2.5μm)和PM0.3(粒徑<0.3μm),調(diào)查發(fā)現(xiàn)凈化效率達(dá)99%以上的凈化器針對(duì)的是狹義PM2.5,而PM2.5中PM0.3約占95 %,粒徑約為頭發(fā)絲1/200,被稱(chēng)為最具穿透力的粒子,懸浮在空氣中的時(shí)間長(zhǎng),與空氣中的有機(jī)污染物、重金屬、細(xì)菌和病毒等相結(jié)合,經(jīng)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體肺部,可穿透肺泡進(jìn)入人體血液或直接通過(guò)皮膚進(jìn)入血液,參與人體代謝,危害人體呼吸、免疫和循環(huán)系統(tǒng).

此外，有研究表明,PM0.3和白血病、鼻癌、腦瘤、結(jié)腸癌等疾病也有一定關(guān)聯(lián)性,因此，應(yīng)重視PM0.3的去除.

目前，對(duì)顆粒物的去除主要還是先經(jīng)濾網(wǎng)過(guò)濾凈化,再將凈化后的空氣送入室內(nèi),達(dá)到去除室內(nèi)污染物的目的,空氣凈化器多采用高效空氣微粒(High efficiency particulate air,英文縮寫(xiě)為HEPA)過(guò)濾網(wǎng),該過(guò)濾網(wǎng)對(duì)不同粒徑顆粒物其過(guò)濾機(jī)制也不同,如依靠慣性碰撞和重力作用去除大顆粒物;因粒徑越小,布朗運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈,濾網(wǎng)越容易捕集超細(xì)顆粒物(PM0.1);由于不受范德華力和布朗運(yùn)動(dòng)的影響,最難去除PM0.3.因此,凈化器如可去除PM0.3,則常見(jiàn)顆粒物PM10，PM2.5和PM0.1均可有效去除.

表5 空氣凈化器主要性能參數(shù)對(duì)比Table 5 Comparison of main performance parameters of air purifiers

2.2 空氣凈化器所用凈化技術(shù)分析

我國(guó)目前室內(nèi)污染物分為3類(lèi):顆粒物(PM2.5,PM10及粒徑小于0.3μm的超細(xì)顆粒物)、氣態(tài)污染物(如甲醛、VOC,TVOC、苯及苯系物、氡等)、生物污染物(細(xì)菌、病毒等),針對(duì)上述3種類(lèi)型的污染物,主要去除技術(shù)各不相同.去除顆粒物的技術(shù)有:過(guò)濾、靜電除塵和負(fù)離子;去除氣態(tài)污染物的技術(shù)有:吸附、化學(xué)絡(luò)合、化學(xué)催化、光催化、等離子體;去除微生物污染的技術(shù)有:光催化、紫外線、負(fù)離子、等離子、臭氧[4].主要類(lèi)型空氣凈化器采用的凈化技術(shù)見(jiàn)表6所示.

表6 不同品牌空氣凈化器所用凈化技術(shù)Table 6 Purification technnics used in different trademark air purifiers

續(xù)表6

空氣凈化器按原理可分為4類(lèi),它們分為吸附、過(guò)濾、靜電、光催化和上述3種的組合變形式[5].機(jī)械濾網(wǎng)過(guò)濾式空氣凈化器,其核心部件為濾網(wǎng),一般至少由三層濾網(wǎng)組成,最外層為前置濾網(wǎng)(也稱(chēng)初效濾網(wǎng)),用于去除空氣中大顆?；覊m、寵物毛發(fā)、纖維等,也是延長(zhǎng)后兩層濾網(wǎng)使用壽命的必要條件,由微米網(wǎng)狀的濾網(wǎng)層組成,其次是功能性濾網(wǎng),如專(zhuān)用除甲醛濾網(wǎng)、集塵脫臭濾網(wǎng)、HEPA高效濾網(wǎng),還有附加功能濾網(wǎng),如加濕濾網(wǎng)等,過(guò)濾凈化機(jī)理為顆粒物依次經(jīng)過(guò)三層濾網(wǎng),通過(guò)攔截、碰撞、擴(kuò)散、重力沉降等物理作用,將空氣中污染物截留,而后將凈化后的新鮮空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)送到室內(nèi),濾網(wǎng)過(guò)濾式空氣凈化器的缺點(diǎn)是后期濾網(wǎng)需要經(jīng)常更換,后期投資多,建議主濾網(wǎng)6個(gè)月更換一次,而活性炭濾網(wǎng)1～2個(gè)月就需要更換,室內(nèi)污染嚴(yán)重時(shí)濾網(wǎng)壽命更短,居民應(yīng)及時(shí)更換以免造成二次污染.

靜電集塵式空氣凈化器利用電暈放電的原理,使粉塵離子帶電,然后借助庫(kù)侖力的作用,將其捕集在集塵裝置上,從而達(dá)到去除顆粒物的目的.研究發(fā)現(xiàn)靜電集塵式空氣凈化器可去除小粒徑顆粒物,對(duì)自然菌的消除效果良好[6],濾網(wǎng)為可清洗式,后期維護(hù)花費(fèi)較濾網(wǎng)式少,缺點(diǎn)是對(duì)甲醛、苯、氨等氣體污染物凈化效果不明顯,且會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物臭氧[7].

光催化式空氣凈化器的原理是通過(guò)紫外燈照射,以二氧化鈦(TiO2)為催化劑,將有機(jī)氣態(tài)污染物分解為對(duì)人體無(wú)害的CO2和H2O,應(yīng)用前景廣闊,但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),催化過(guò)程中的不完全反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致催化劑失活且產(chǎn)生對(duì)人體有毒有害的污染物,如醛、酮、NO2,O3等,另外光催化式凈化器對(duì)懸浮顆粒物去除效果不好.

另外,發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度和空氣凈化器的擺放位置等因素對(duì)室內(nèi)外PM2.5濃度有一定的影響,在相對(duì)濕度為35%～60%的范圍內(nèi),濾網(wǎng)式空氣凈化器的凈化效果隨著相對(duì)濕度的增加而增加,對(duì)于靜電吸附式空氣凈化器,凈化效果隨著相對(duì)濕度的增加而減小,當(dāng)空氣凈化器放置在上下風(fēng)向處,凈化效果均較差,放置在側(cè)風(fēng)向時(shí)凈化效果最好[8],這為居民選擇和使用凈化器提供了參考.

2.3 空氣凈化器存在的問(wèn)題分析

2.3.1 副作用

過(guò)濾式凈化器需要定期更換濾網(wǎng),馬聰興等人測(cè)試65臺(tái)家用空氣凈化器過(guò)濾器濾膜前后面細(xì)菌污染情況,研究發(fā)現(xiàn)兩者之間呈正相關(guān)關(guān)系[9],過(guò)濾膜后的微生物隨氣流送入室內(nèi),產(chǎn)生二次污染,而且?guī)в屑訚窆δ艿膬艋鞲侨菀鬃躺⑸?另外靜電除塵式凈化器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的臭氧,研究發(fā)現(xiàn)臭氧具有殺滅微生物、去除化學(xué)污染物的功能,但電離空氣產(chǎn)生的臭氧濃度超過(guò)0.1mg/m3會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染[10],危害人體健康.

表7 我國(guó)空氣凈化器在臥室和起居室(廳)的允許噪聲Table 7 Permissible noise of air purifiers in bedrooms and living rooms(halls) in China

2.3.2 噪聲

聲污染也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題,由表7可見(jiàn),我國(guó)對(duì)凈化器常用于客廳和臥室以保證空氣質(zhì)量,起居室(廳)、臥室晝間允許最大噪聲為45dB,臥室夜間以不超過(guò)37dB為宜,而市面在售家用凈化器最大風(fēng)量運(yùn)行時(shí),噪聲普遍為60dB左右,明顯會(huì)損害人們的健康.居民習(xí)慣把空氣凈化器放在床邊,保證夜晚空氣品質(zhì),而噪聲的影響,居民只能選擇將其放在較遠(yuǎn)的位置,因此,凈化效果反而大打折扣.

2.3.3 適用面積以及凈化器命名標(biāo)注不規(guī)范

空氣凈化器的適用面積是居民購(gòu)買(mǎi)空氣凈化器的又一考量指標(biāo),目前市面在售空氣凈化器的這一指標(biāo)是廠家出廠標(biāo)注的,調(diào)研發(fā)現(xiàn)某些廠家的同一款產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)標(biāo)注的適用面積明顯比美國(guó)市場(chǎng)的大很多[11],建議此數(shù)據(jù)由權(quán)威第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)給出,廠家不得隨意修改,以方便居民選擇,2015年《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定空氣凈化器的適用面積S與潔凈空氣量(CADR)Q成正比,即S=(0.07～0.12)×Q.該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定凈化器的命名方式由4部分組成即:KJ(空氣凈化器)+ 潔凈空氣量(單位為m3/h)+ 工作原理(G-過(guò)濾式、D-電凈化式、F-復(fù)合式、Q-其他形式)+ 系列代號(hào),如表1所示的亞都(Yadu)凈化器KJ500G-S5表示潔凈空氣量為500m3/h、過(guò)濾式、S系列第5款凈化器.調(diào)研發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)品牌凈化器依照上述標(biāo)準(zhǔn)的命名方式,表1中所列凈化器,只有亞都(Yadu)和三星(Samsung)與上述命名方式一致,標(biāo)準(zhǔn)中的命名方式直觀地體現(xiàn)了潔凈空氣量和運(yùn)行方式.

3 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外空氣凈化器的調(diào)研結(jié)果,提出以下幾點(diǎn)參考建議:

(1) 在空氣相對(duì)濕度較高的環(huán)境中,居民應(yīng)選用過(guò)濾式空氣凈化器,靜電凈化器在相對(duì)濕度較低的環(huán)境中更有效;針對(duì)特定類(lèi)型的污染物,應(yīng)選擇單項(xiàng)凈化效率高的凈化器,室內(nèi)主要污染為顆粒物宜選用顆粒物CADR值高的濾網(wǎng)式空氣凈化器,而對(duì)于新裝修的房子中的甲醛等氣態(tài)污染物,應(yīng)看重氣態(tài)污染物CADR值高的產(chǎn)品.

(2) 粒徑更小且危害更大的顆粒物應(yīng)得到重視,可以考慮將PM0.3納入國(guó)家的空氣污染指數(shù)(Air pollution index,英文縮寫(xiě)為API)監(jiān)測(cè)指標(biāo),《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]中增加PM0.3和粒徑更小的PM0.1等監(jiān)測(cè)指標(biāo),全面監(jiān)測(cè)污染物,為人類(lèi)健康保駕護(hù)航.

(3) 借鑒工業(yè)除塵用技術(shù),研發(fā)可以有效去除所有粒徑顆粒物的新產(chǎn)品.

(4) 規(guī)范空氣凈化器的適用面積的標(biāo)注,建議此數(shù)據(jù)由權(quán)威第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)給出,廠家不應(yīng)隨意修改,建議空氣凈化器制造商按照標(biāo)準(zhǔn)中的命名方式對(duì)產(chǎn)品命名.