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测试空气净化器运行效率

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2018年04月01日  点击数:1243

近年来,随着雾霾天气的加重,人们越来越重视室内空气品质。空气净化器因能有效去除空气中的颗粒污染物,降低PM2.5浓度,改善室内空气品质,得到了广泛地应用和发展。根据捷孚凯(GfK中国)全国零售推算数据,2014年,我国空气净化器零售量超过320万台,零售额近70亿元,同比增长均接近80%。不过与美、日、韩等国家相比,我国的空气净化器家庭普及率仍很低,不到1%,今后的市场潜力十分巨大。

目前,国内空气净化器行业涵盖近400个品牌,技术种类繁多。国产空气净化器主要采用过滤吸附技术、静电集尘、催化净化技术和负离子洁净技术等净化方法。静电集尘技术是其中一种较新型的空气过滤净化方案,由于其电场力直接作用于尘粒,荷电尘粒在被捕集的过程中几乎不阻碍空气流动,因此与传统纤维过滤方法相比,具有过滤效率高、阻力和能耗低的优势,近年来被越来越多地应用于家用空气净化设备中。

本文选取了两台典型的静电空气净化器样本,安装在办公环境内进行连续运行测试,监测其运行状态并记录颗粒物一次净化效率,研究静电空气净化器在实际运行过程中的净化效率及效率衰减等问题。

1静电集尘空气净化器

静电集尘空气净化器由静电除尘技术发展而来,通过电晕放电使含尘气流中的尘粒荷电,在电场力的作用下带电尘粒移向集尘极并被收集在集尘极上,从而实现悬浮粒子的分离。

1.1净化原理

静电集尘空气净化器的过滤段通常由电离极和集尘极两部分组成,电离极一般为针尖或者圆线,集尘极则为圆筒形或板式结构。在两极之间施加高电压,可产生不均匀的高强度电场。在电场作用下,气体中的电子获得能量并被加速,中性分子被该电子撞击后释放外层电子,从而产生更多的电子及正离子。电子移向正电极(空气净化器中正电极一般为电离极),而正离子将穿过电场移向集尘极,并在移动的过程中附着在悬浮粒子上使其荷电,受电场力的作用被集尘极捕集。

电离极和集尘极可以安装在同一电场区域内,也可以前后分开安装,分别称为单区静电净化器和双区静电净化器。双区静电净化器可以有效防止反电晕现象并增加集尘面积,普遍应用于民用空气净化器中。图1表示了常见的线板式双区静电净化器的结构原理。

1.2技术特点

除静电集尘技术外,目前市场上的空气净化器也多利用过滤技术,采用高效空气过滤器HEPA(HighEfficiencyparticulateAirFilter)来去除空气中的固态颗粒物,达到净化室内颗粒污染物的效果。高效过滤器是由纤维过滤材料制成的,依靠拦截、惯性、扩散和重力等效应捕集微粒,根据GB/T6165—2008《高校空气过滤器性能测试方法效率和阻力》,其额定风量下的过滤效率可达到99.9%。但是,为了实现较高的过滤效率,高效过滤器往往采用直径小、分布密集的纤维滤材,从而造成过滤器阻力偏高。而且在使用一段时间以后,随着颗粒物在过滤器表面沉积,阻力会逐渐增大。当阻力增加到一定程度时,应更换高效过滤器,周期一般为3~6个月。然而,对于空气净化器而言,为了保证净化效果常常在大风量状态下运行,高效过滤器的高阻力势必会造成风机能耗偏高,甚至是室内噪声过大的困扰。而且定期更换高效空气过滤器也在无形之中增加了净化器的运行成本。

不同于上述高效纤维空气过滤器的过滤机理,静电空气净化器通过电场力的作用实现气固分离,在实现高过滤效率的同时也节省了运行费用。一方面,其过滤段内部气流通道大、流场分布比较均匀,阻力远低于同等效率的高效纤维过滤器。而且随着使用时间的增长,阻力几乎不变化,一直维持在较低的水平,在很大程度上节省了风机能耗。另一方面,静电空气净化器可通过水洗、振打等方式清除集尘极表面积聚的灰尘,使其再生循环使用。因此,在长时间使用后静电净化器的过滤组件无需更换,减少了维护费用。

但是,作为一种新型的空气净化技术,静电空气净化器在实际运行中仍存在一些不足之处。尽管某些静电空气净化器的初始过滤效率可达到HEPA的水平,但随着集尘极表面积尘量的增加,效率将有所衰减。并且伴随着粒子对积灰表面的撞击,将会出现二次扬尘,即已经沉积的粉尘重新脱离集尘极表面,造成过滤效率的变化.关于静电空气净化器的效率衰减问题,Hanley等人曾进行了相关的测试。为了确定静电净化器在实际使用时的效率变化,3台静电净化器分别连续运行了1~3个月,结果显示,随着使用时间的增加净化器的过滤效率有明显下降,并认为电离极表面沉降的硅化合物是造成过滤效率下降的主要原因。ASHRAE颁布的关于空气过滤和净化的立场文件也指出,静电空气净化器对颗粒物的去除效果呈现比较大的范围,个体之间差异较大,其长期的运行效果与装置本身的维护状况有关。

此外,在粒子荷电的过程中,静电空气净化器的电离极持续高压放电,可能产生足量的臭氧造成室内臭氧浓度超标。有文献认为,臭氧及其反应物会对人体健康造成不利影响,因此,家用环境应避免使用臭氧进行净化,并应对那些在运行过程中产生臭氧副产物的净化装置给予高度警惕。

1.3空气净化器性能评价方法

2015年我国颁布了全新的空气净化器国家标准GB/T18801—2015《空气净化器》,以洁净空气量CADR 作为评价空气净化器性能的主要指标。CADR表示空气净化器提供洁净空气的速率,测试时以香烟烟雾作为颗粒物污染物尘源,测试空气净化器对于0.3μm 以上的颗粒物的净化效果。但是CADR的整个测试过程需要在测试舱内完成,并且测试过程复杂,不适用于空气净化器

的现场检测。因此,本文将采用一次净化效率作为评价空气净化器净化效果的性能指标。

一次净化效率反映空气净化器去除某一种空气污染物浓度的相对比例,等于空气净化器上、下风侧污染物浓度之差与上风侧浓度之比。在GB/T18801—2015中,规定以一次净化效率作为风道式净化装置的评价标准。

式(1)中,E 为污染物一次净化效率;N下为下风侧污染物浓度平均值;N上为上风侧污染物浓度平均值。

当用一次净化效率表示空气净化器对颗粒污染物的去除效果时,即相当于空气过滤器测试标

准中的过滤效率指标———一般指空气过滤器对0.4μm粒子的分级过滤效率。

2测试方法

2.1测试样本

本文选取了两台不同形式的典型静电空气净化器样本进行测试。

1# 样本为某进口线板式双区静电净化器。净化器内部由风机、金属预过滤网、圆线电离极和板式集尘极组成,共3档风量可供调节。

2# 样本为某国产新型静电净化器。净化器内部由风机、纤维预过滤网、集尘器和活性炭过滤网组成,共3档风量可供调节。该集尘器采用超级纳米碳纤维电场集尘技术,由特殊PP材料制成微孔进风通道,内部均匀分布纳米级碳纤维导电层,通电后每一个微孔内部将形成超强静电场,对通过微孔通道的颗粒物进行捕集,其作用相当于集尘极。同传统静电空气净化器一样,这种新型的静电净化器也具有阻力和能耗低的优点,但由于未设置高压电离极,因此在使用过程中不会产生臭氧等副产物。

2.2测试过程

两台静电空气净化器样本被分别安装在两间办公室中,均以中档风速24小时连续运行,测试周期为18周。

1# 样本所在的办公室面积约20m2,有独立通风的外窗;2# 样本安装在同一楼层内的另一间办公室中,面积约30m2,同样有独立通风的外窗。由于本测试不涉及两样本之间的性能对比,因此,两测试用办公房间不具备结构相似性。另外,尽管测试周期所在季节为冬季和早春,气温较低常需闭门开启空调采暖,但由于办公需要,(www.iwuchen.com)两办公室的门常开且不时还开启外窗通风,因此,即使在冬季两测试房间的通风量也有一定保证。

在额定运行风量(规定为净化器样本的中档风速)下,测量并记录两台静电空气净化器样本的初始颗粒物一次净化效率,随后净化器样本连续运行18周,在每周周一再次测量其一次净化效率。净化效率测试采用现场测量的方式,通过采样管连接粒子计数器和净化器的进、出风口,作为上、下游颗粒物浓度采样点。本测试所使用的光学粒子计数器为PalasWelasPromo2000粒径谱仪,装配Welas2300探头,测量范围为0.17~10.00μm,共57个粒径通道。粒子计数器的采样间隔为1s,设置单次采样时间为60s,单次采样结果即为60s内的平均值。考虑到室内颗粒物浓度的不稳定性,每次测量均采用上游60s×2-下游60s×4-上游60s×2的采样顺序,得到4组净化效率并取平均值。

3测试结果与讨论

3.1初始颗粒物一次净化效率

在静电空气净化器样本全新的状态下,测试其初始的颗粒物一次净化效率,结果见表1。

1# 样本为典型的线板式双区静电净化器,初始的颗粒物一次净化效率接近100%,可近似认为达到HEPA的水平。而2#样本虽然采用了全新的集尘技术,但由于为避免产生臭氧未设置放电装置,空气中的颗粒物仅依靠自身携带的少量电荷难以被捕集,一次净化效率仅为1# 样本的一半左右,实际净化效果并不理想。但在2# 样本的后期改进中,在增设了电离放电装置后其一次净化效率有了很大的提升。

  


3.2净化效率的衰减

两台空气净化器样本对0.39μm 粒径段(0.30μm~0.50μm)颗粒物和0.3μm以上颗粒物的一次净化效率的变化情况见图2、图3。

虽然两台净化器样本初始的一次净化效率相差很大,但随着运行时间的增加,两样本表现出极为相似的效率变化规律。在初始运行的1~2周内,样本的一次净化效率急剧下降,约降低至初始效率的一半,随后在长达十几周的运行时间内,一次净化效率均围绕着某一中心值上下波动。1# 样


本由于初始效率高,降低后的一次净化效率也高于2# 样本,后期平均效率约为35%,但是波动幅度比较大。而2# 样本降低后的效率基本稳定在10%,变化曲线相对平稳。

一方面,净化器使用过一段时间以后,集尘极表面逐渐形成一定厚度的荷电粉尘层,从而产生一定量的积累电荷和电压降。根据非稳态静电过滤理论,集尘极表面的积累电荷不仅会导致电晕电流减小,而且能形成一定强度的反电场使集尘场强减弱,造成净化效率的下降。另一方面,进入空气净化器的气流的温湿度、颗粒物污染物浓度和粒径等因素都会对净化效率产生影响,造成净化效率的波动。而另一个可能的原因———二次扬尘,经分析并不是造成本次样本效率波动的主要原因。静电空气净化装置对大粒径颗粒物的捕集更有效率,因此在正常情况下净化器出风口附近的大粒子含量很少,而当二次扬尘发生时,被气流冲刷脱落的尘粒多为大粒径,因此在净化器出风侧会出现大量的大粒径颗粒物。通过测定净化器进、出风侧颗粒物的粒径分布,发现两侧的分布比较相似,并未出现明显的二次扬尘现象。表2为1# 样本第16周进、出风侧的粒径分布。

此外,测试过程中空气中的颗粒物污染物浓度并不稳定,在一定程度上影响了测试结果的准确性。因此,根据EN779:2012《一般通风过滤器———过滤性能测定》中对效率测试数据的处理方法,计算了95%置信度下样本平均效率的双侧置信区间作为参考,见图2、图3。

3.3PM2.5效率

目前GB/T18801—2015《空气净化器》仅规定了净化器针对0.3μm 以上颗粒物计数浓度和效率的测试方法,而对于人们普遍关心的PM2.5去除率(计重效率)则并没有涉及。为了更直观的显示空气净化器样本对细颗粒物的净化效果,本文依据一种简化的PM效率的计算方法,对两台样本的PM2.5效率进行了计算和分析。

在这种计算方法中,根据实测的各粒径段颗粒物的计数浓度和等效球形体积来计算质量浓度,从而得出计重效率。计算时,认为所有颗粒物的密度一致,假设同一粒径段内的所有颗粒物拥有相同的粒径,即该粒径段的平均粒径,且颗粒物的体积按球形处理计算。计算公式如下:

              


式(2)、式(3)、式(4)中,Σ2.50i=0.17Nimi表示空气净化器上、下风侧处,0.17~2.50μm范围内各粒径段颗粒物的质量浓度之和;di表示各粒径段的平均粒径;du、dl表示各粒径段的上限、下限粒径(μm);粒径段按照所使用的光学粒子计数器的粒径通道划分,0.17~2.50μm范围内共38个粒径段。

如图4、图5所示,净化器样本的PM2.5效率略高于≥0.3μm 的一次净化效率,并与其变化规律保持一致,而0.39μm 粒径段(0.30μm~0.50μm)的净化效率则基本与≥0.3μm的一次净化效率重合。这是由于大气尘的粒径分布所致。

图6显示了测试期间每周1# 样本进口处总颗粒物即大气尘的数量浓度随粒径的分布情况。从

图中可以看出,大气尘数量分布的峰值位于0.2μm~0.3μm之间,约占据了粒子总数的70%,而0.3μm及以上粒子仅占粒子总数的30%左右,1μm以上粒子更是不足1%。在此种背景下,GB/T18801—2015《空气净化器》所规定的净化器的评价指标CADR并不能准确反映空气净化器在整个粒径范围内的净化效果[6]。因此,为了更好地体现净化器对于大气中大量存在的小粒子的净化效果,建议将标准中计数浓度的测试粒径范围扩大至0.2μm以上,或者增设PM2.5计重效率评价指标。但考虑到现阶段大部分国产光学粒子计数器可达到的测量范围,实现0.2μm~0.3μm粒径段的测量仍然比较困难。

另一方面,在0.3μm 以上的颗粒物总数中,0.39μm粒径段的粒子占90%左右,所以0.39μm粒径段的净化效率与≥0.3μm的净化效率基本重合。而计算得到的PM2.5效率由于采用了体积加权平均,其值略大于其他两个计数效率。

4结束语

本文通过持续监测静电空气净化器样本的运行状态和颗粒物一次净化效率,探究了静电空气净化器在实际运行过程中的净化效率及效率衰减等问题,得出以下结论:

1)静电空气净化器初始一次净化效率较高,可以达到HEPA的水平,但个体之间差异较大;

2)在实际运行过程中,静电空气净化器的净化效率衰减速度快、幅度大,仅需1~2周,样本的一次净化效率便降至初始效率的一半左右,随后趋于稳定在某一区间内波动,实际净化效率远低于初始值;

3)分析造成净化效率衰减和波动的原因,一方面是因为集尘板上沉积的粉尘层使集尘场强减弱,另一方面是因为长时间运行时静电空气净化器受环境因素的影响比较大;

4)依据简化的PM效率的计算方法,对两台样本的PM2.5效率进行了计算和分析,结果显示样本的PM2.5效率略高于≥0.3μm的一次净化效率。

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