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我国室内空气净化器去除细颗粒物适用面积估算方法

CHASA / 04月12日 14:26

0 引言
    随着我国快速的城镇化进程、工业及经济的发展,以及人民生活水平的不断提高,室外空气质量问题(特别是PM2.5即细颗粒物污染)也日趋严重。由于我国能源主要依赖于煤炭,近年来煤炭消耗量逐年增长造成燃煤过程中SOx、NOx及颗粒污染物大量排放;我国近年来城市汽车数量激增,增长率和增长总量在全世界列首位,汽车大量排放的尾气也加剧了大气污染。进入2013年以来,主要由PM2.5污染导致的雾霾天气侵袭我国东部大部分地区,影响面积高达190万km2[1],北京、上海等重要城市深受其害。大气中的PM2.5会通过建筑通风和围护结构渗透进入室内,人们的烹饪活动和吸烟也会产生PM2.5。一方面,室外大气中PM2.5污染短期内难以有效治理,另一方面,人们在室内的时间高达80%以上,因此,有效控制室内空气中PM2.5污染就显得非常重要,同时也是降低PM2.5健康风险的主要手段。特别值得指出的是,在室外大气PM2.5污染严重时,常规用来改善室内空气质量的通风(自然或机械通风)不仅难以凑效,反而会“雪上加霜”加剧室内PM2.5污染。在此情况下,采用空气净化器往往是不可或缺的手段,推动了2013年以来我国空气净化器市场火爆。
    然而,近年来,我国市场上空气净化器鱼龙混杂、良莠难辨,相关标准中也存在着一些亟待改进的问题[2];同时,空气净化器生产厂家的过度宣传问题较为严重,不同的品牌给出的性能参数往往不具有可比性。这些问题导致消费者在购买空气净化器时无所适从,而且买到的空气净化器在实际使用过程中常常达不到厂家所宣传的净化效果。
    目前,我国的空气净化器标准采用的性能评价指标包括洁净空气量[3]、一次通过效率[4]和净化效能[5],具体内容如表1所示:
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    可以看出,我国采用的空气净化器性能评价指标均为对产品自身性能的评价,术语偏学术化,普通消费者较难理解,缺少指导消费者使用的简单评价指标,适用面积就是这类参数之一。事实上,虽然现有空气净化器国标(GB/T 18801)中并没有涉及空气净化器的适用面积这一指标,国内一些单位却给出了这一参数来指导消费者选购空气净化器(但其计算方法并不科学),这在一定程度上迎合了消费者的实际需求,却又误导了消费者。为此,本文依据正在修订的空气净化器国标(GB/T 18801),说明如何基于我们环境和住宅特点来估算空气净化器的适用面积,对空气净化器厂家和消费者都有指导意义。
 
1 国外标准中的评价方法
    美国空气净化器标准(ANSI/AHAM AC-1-2006[3])、加拿大空气净化器标准(NRCC-54013[6])和日本空气净化器标准(JEM 1467-2013[7])中对空气净化器在住宅中使用的适用面积都有所建议,并给出了推导过程。以上标准给出的适用面积都是针对各自国家的室内颗粒物污染的控制要求提出的,推导过程也都基于室内颗粒物的质量守恒,考虑了空气净化器的净化作用,室内自然通风和自然沉降作用。ANSI/AHAM AC-1-2006和NRCC-54013均规定空气净化器运行时室内的颗粒物浓度不超过空气净化器不运行时颗粒物浓度的20%,由此得到该空气净化器的适用面积;不同的是ANSI/AHAM AC-1-2006中自然通风的换气次数为1h-1,沉降引起的浓度衰减系数为0.2h-1,而NRCC-54013中自然通风的换气次数为0.3h-1,沉降引起的浓度衰减系数为0.1h-1。JEM 1467-2013规定在自然通风换气次数为1h-1的条件下(没有考虑沉降的作用),空气净化器运行30分钟后,房间的粉尘浓度从初始的1.25mg/m³降至0.15 mg/m³,由此得到该空气净化器的适用面积。值得指出的是,以上标准均认为污染源仅在室内,自然通风是降低室内颗粒物浓度的因素,这种情形很不符合中国目前的国情。中国目前大气污染问题严重,雾霾天气频发,室外空气是室内颗粒物污染的主要来源。因此我国空气净化器适用面积这一评价指标的建立不能照搬国外的标准,须针对中国国情,才能给出适用于我国的空气净化器适用面积估算方法和结果。
 
2 适用面积的确定方法
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    室内空气中颗粒物的传质过程如图1所示。假设房间内颗粒物混合均匀,根据质量守恒定律,可得:
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    式中:V为房间体积,m³;Co为室外颗粒物浓度,mg/m³;t为时间,h;E为室内颗粒物产生源强度,mg/h;Q为自然通风换气量,m³/h;Pp为颗粒物从室外进入室内的穿透系数,h-1;C为室内颗粒物浓度,mg/m³;k为室内颗粒物的沉积率,h-1;CADR为空气净化器去除颗粒物的洁净空气量,m³/h。
    对于住宅,室内颗粒物的产生源主要有香烟烟雾和烹调油烟。随着近年来我国对室内禁止吸烟和二手烟危害的大力宣传,家庭中在室内吸烟的情况越来越少,因此可不考虑室内有香烟烟雾的情况。烹调油烟产生于厨房,一般安装了抽油烟机,而使用空气净化器的空间一般为卧室或者客厅。在厨房门关闭的情况下,厨房与其他房间属于不同区域,其中的颗粒物浓度对其他房间影响很小。大部分人在烹调时会关闭厨房门并打开抽油烟机,这种情况下烹调油烟对卧室或者客厅的影响可以忽略。因此,不考虑香烟烟雾和烹调油烟是适合我国现阶段国情的一种假设,此时式(1)中的E项可以视为0。
对稳态的情况,式(1)等号左边项为0。将自然通风换气量Q(m³/h)表示为换气次数ACH(h-1)乘以房间体积V(m³),并将体积V(m³)表示为高度H(m)乘以房间面积A(m2),式(1)可以写为:
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    计算出式(2)中的系数λ,即可得出空气净化器的适用面积与洁净空气量的关系式。
 
3 参数的确定
    由于目前我国现阶段PM2.5污染问题非常突出,因此本文仅讨论空气净化器去除PM2.5的适用面积的估算方法,具体参数的确定方法也适用于其他粒径范围的颗粒物。
3.1 室内外PM2.5浓度
    消费者使用空气净化器的目的就是使室内空气质量能够达到“优”级水平。目前,我国的室内空气质量标准还没有对PM2.5浓度给出分级限值,而根据我国的环境空气质量指数(AQI)技术规定[8],空气质量等级优对应的PM2.5浓度限值为35μg/m³,因此选取35μg/m³为室内PM2.5浓度。
    室外PM2.5浓度的确定需要根据我国目前的大气污染现状。以北京为例,本文统计了北京2013年11月1日至2014年1月26日的PM2.5浓度日平均值(数据来自中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台[9]),其空气质量指数类别的天数统计如表2:
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    从数据可以看出,北京在2013年11月1日至2014年1月26日时间内空气污染的天数总共所占比例为42%。由于严重污染的天数只占1%,常见的污染情况是轻度污染、中度污染和重度污染,考虑常见的情况,分别取轻度污染、中度污染和重度污染级别的PM2.5浓度上限值即115μg/m³、150μg/m³和250μg/m³。
3.2 穿透系数和沉积率
    颗粒物的穿透系数的定义为通过建筑的围护结构进入室内的颗粒物在从室外进入室内的空气中颗粒物总量中的比例。Chen[10,11]等人总结了已有穿透系数的测试结果并对对穿透系数进行了模拟和实验研究,得出对于PM2.5,门窗紧闭时Pp=0.8。Riley[12]等人研究了室内颗粒物的沉积率,得出一般室内的PM2.5沉积率k=0.09h-1
3.3房间高度和换气次数
    房间高度和换气次数的确定需要基于对我国住宅的调研数据,但是至今这方面的大规模调研数据仍较为欠缺。姚远[13]对北京的1500户住宅进行了入户调研,得出房间的平均层高为2.6m。而本文中房间高度并非层高,而是房间内空气的体积除以面积,考虑到实际房间中的家具占据一定的空间,房间高度应该略小于层高。ANSI/AHAM AC-1-2006和NRCC-54013中的房间高度均定为2.4m,为保持一致,本文也将房间高度H定为2.4m。
    考虑到室外空气污染时,用户会关闭门窗,使用空气净化器,本文需要确定门窗关闭状态下的换气次数。李严和李晓峰[14]测试了北京地区住宅的换气次数。在门窗紧闭的工况下,换气次数测试结果的范围为0.05~0.57h-1。吕铁成和李振海[15]测试了上海地区住宅的换气次数。在门窗紧闭的工况下,换气次数测试结果的范围为0.15~0.24h-1。根据式(2),换气次数ACH越大则适用面积A越小,因此为了避免高估适用面积,本文确定换气次数略高于统计数据的上限值,取为0.6h-1
 
4 算例
    将上文确定的参数带入式(2),即C=35μg/m³,Pp=0.8,k=0.09h-1,H=2.4m,ACH=0.6 h-1,轻度污染时Co=115μg/m³,中度污染时Co=150μg/m³,重度污染时Co=250μg/m³,计算结果如表3:
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    其中,系数λ的倒数为房间每平米所需洁净空气量,消费者可以根据此参数和房间面积挑选洁净空气量合适的空气净化器。为保证空气净化器能够在不利工况下达到所要求的净化效果,建议系数λ取0.15,对应的适用面积-洁净空气量关系式为:
     A=0.15×CADR (3)
 
5 结语
    本文指出了国外现有的空气净化器适用面积计算方法不符合我国国情,同时根据我国国情提出空气净化器对细颗粒物的适用面积的估算方法,并结合算例说明如何正确使用这一方法。其他污染物的适用面积可参考本方法计算。
值得一提的是,适用面积不是空气净化器的核心性能指标,仅是一个估算参数,其值是在限定的标准条件下计算出来的,式(3)代表了一般颗粒物污染情况下的适用面积。如果消费者家中的污染非常严重,可根据自身情况降低式(3)中的系数,进而选择具有更大洁净空气量的净化器产品。
     本文的研究工作可为我国空气净化器国家标准的修订提供参考,为科学指导消费者选择空气净化器和规范空气净化器市场提供帮助。
 
参考文献
[1] 中国天气网. 2013年2月25日气象卫星遥感监测数据[EB/OL].  .weather.com.cn/news/1 810351.shtml
[2] 李睦,卜钟鸣,莫金汉,张寅平. 我国空气净化器标准存在的问题及相关思考 [J]. 暖通空调,2013,43(12):59-63
[3] Association of Home Appliance manufacturers. ANSI/AHAM Standard AC-1.Method for measuring performance of portable household electric cord-connected room air cleaners [S]. 2005
[4] 中国家用电器研究所,中国预防医学科学院环境卫生监测所,北京华夏环境工程公司,等. GB/T 18801-2002. 空气净化器 [S]. 2002
[5] 中国家用电器研究所,北京亚都科技股份有限公司,国家家用电器质量监督检验中心,等. GB/T 18801-2008. 空气净化器 [S]. 2008
[6] Sultan Z M, Nilsson G, Magee R T, et al. NRCC-54013. Method for Testing Portable Air Cleaners [S]. 2011
[7] JEMA. JEM 1467.Air cleaners of household and similar use [S]. 2013
[8]中国环境监测总站,中国环境科学研究院,大连市环境监测中心,等. HJ 633-2012. 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)[S]. 2012
[9] 中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台. 
[10] Chen C, Bin Zhao. Review of relationship between indoor and outdoor particles: I/O ratio, infiltration factor and penetration factor [J]., Atmospheric Environment, 2011, 45: 275-288
[11] Chen C, Zhao B, Zhou W, et al. A methodology for predicting particle penetration factor through cracks of windows and doors for actual engineering application [J]. Building and Environment, 2012, 47(1): 339-348
[12] Riley W J, McKone T E, Lai A C, et al. Indoor particulate matter of outdoor origin: importance of size-dependent removal mechanisms [J]. Environmental Science & Technology, 2002, 36(2): 200-207
[13] 姚远. 家具化学污染物释放标识若干关键问题研究 [D]. 北京:清华大学,2011
[14] 李严,李晓峰. 北京地区居住建筑夏季自然通风实测研究 [J]. 暖通空调,2013,43(12):46-50
[15] 吕铁成,李振海. 典型住宅的换气试验及分析 [J]. 能源技术,2007,28(3): 175-177