中国家用电器研究院
测试计量技术研究所

空气净化器30m³试验舱的研制

2019-11-08 19:48来源:中国家用电器研究院作者:林思建 段成贤 刘皓男 曹瑞林网址:https://mp.weixin.qq.com/s/VXZGjREWlRtw-IGQgcjazA浏览数:106 


1、引言

随着国民经济的增长,人们的消费水平也日益提高,室内空气污染问题得到越来越多的关注。据某幼儿园、写字楼、家庭居室等180余户的调查,依据GB/T 18883-2002《室内空气质量》国家标准判定,室内空气质量合格率仅为34.7%,污染问题主要集中在可吸入颗粒物、甲醛、苯、氨、TVOC、微生物等­[1]。作为室内空气净化类家用电器,空气净化器近些年呈现井喷式的爆发,但不少国内企业入行晚,研发实力薄弱,导致其产品质量参次不齐。目前,空气净化器现行国家标准主要有GB 4706.45-2008《家用和类似用途电器的安全 空气净化器的特殊要求》、GB/T 18801-2015《空气净化器》和GB 21551.3-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能空气净化器的特殊要求》。作为评价空气净化器对颗粒物、甲醛等目标污染物净化能力的洁净空气量(CADR),除菌能力的除菌率[2]等主要性能均需要在30m³试验舱中进行检验。因此,研制30m³试验舱对于评测空气净化器净化性能质量,提高产品质量有着十分重要的现实意义。



2、空气净化器洁净空气量检测方法

空气净化器净化颗粒物、甲醛、甲苯等污染物的CADR试验过程如下:

1)稳定的温度、相对湿度、本底浓度等试验条件符合标准要求;

2)向试验舱内注入定量的目标污染物,先后进行自然衰减测试和总衰减测试,直到达到规定的测试时间停止实验;

3)自然衰减测试过程中,待测样机处于停止工作状态,总衰减测试过程中,待测样机处于最高净化状态;

4)按标准要求时间短,测量试验舱内污染物浓度,并对试验数据进行线性拟合分别获得自然衰减系数kn和总衰减系数ke

5)通过数据运算,进而获得洁净空气量Q(mg/m³)[3],具体如公式(1),其中V代表试验舱容积(m³)。

 1)


3、空气净化器30m³试验舱的设计

30m³试验舱的研制涉及空气调节、材料、生物、化学、机械、电气等多个学科、多个专业,是一项复杂的系统性工程。不同于高、低温湿热试验箱运行时,恒温恒湿空调机组直接与试验箱内部循环进行湿量、热量交换[4],30m³试验舱属于高度密闭型试验舱[5],开始试验后,便不能与恒温恒湿空调机组进行气流上的湿热交换。结合GB/T 18801-2015《空气净化器》国标要求,本文所述30m³试验舱整体采用内外舱嵌套式设计,主要由内外舱主体、空气净化系统、温湿度控制系统、空气循环系统、数据监控系统等组成。具体原理见图1。


图1:空气净化器30m³试验舱原理图


3.1 内外舱主体

内舱为试验测试主体,内部尺寸长*宽*高=3.5m*3.4m*2.5m,整体由不锈钢框架组建,四壁采用钢化玻璃,顶板以及地板采用不锈钢,舱体拼接缝隙处采用聚四氟乙烯条及硅酮密封胶密封。顶部中央设有直径1.2m的搅拌风扇,用于混合污染物气体;侧方离地1.5m,距后壁0.4m处设有一循环风扇,便于试验过程中空气的循环;送样口和采样口总计8个,用于不同污染物的注入和采集。另外,试验舱内部还设有照明装置、紫外消毒灯、电源插座等。外舱采用防火、隔热的岩棉板搭建,用于保证外舱环境处于恒温环境,降低由于内外舱热交换对内舱温湿度的影响,进而保证舱内污染物的稳定性。


3.2 空气净化系统

为满足试验舱本底浓度的要求,试验舱配置的空气净化系统包含两套组合式过滤模块,主要由中、高效过滤器、风机、活性炭过滤器等组成,分别位于送风管道和排风管道中,前者结合空气循环系统中的内循环操作模式,可有效净化、吸附试验舱内部的污染物,为试验舱提供符合标准要求的洁净空气;后者结合换气操作模式,可有效保证试验舱排出的气体符合环保排放要求,减少大气环境污染。其中,中效过滤器、高效过滤器主要用于过滤粒径1μm以及0.3μm以上的颗粒物;而活性炭过滤器主要用于吸附分解甲醛、苯、TVOC等气态有机污染物[6]


3.3 温湿度控制系统

温湿度控制系统用于调节试验舱的温度以及相对湿度,由蒸发器、加热器、加湿器、变频风机等组成。选用恒温恒湿机组制冷量5KW,制热量4.5KW,加湿量5kg/h,风量3000m³/h,控制原理图如图2所示。以试验舱的回风温度、湿度作为基准点,控制器实时检测并将其与设定的温度、湿度进行对比,通过执行PID算法[7],自动调节压缩机(降温、除湿),加热器、加湿器的输出功率,进而实现试验舱的恒温恒湿控制。


图2:温湿度控制系统原理图

3.4 空气循环系统

空气循环系统包含换气、内循环、外循环等三种模式。换气是指气流从新风阀经内舱送风阀、内舱出风阀、排风阀、组合式过滤模块至排风管道,主要用于试验结束后的排出残余污染物;内循环是指恒温恒湿空调结合组合式过滤模块与内舱形成循环系统的过程,在此过程中,新风阀、排风阀关闭,内舱送风阀、内舱出风阀、回风阀打开,主要用于试验开始前的调节内舱温度、相对湿度、以及本底浓度阶段;外循环是指恒温恒湿空调结合组合式过滤模块与外舱形成循环系统的过程,在此过程中,新风阀、排风阀、内舱送风阀、内舱出风阀、关闭,外舱送风阀、外舱出风阀、回风阀打开,主要用于试验进行时的外舱保温。


3.5 数据监控系统

结合空气净化器检测试验过程,为提高检测效率,试验舱应用PLC控制器、HMI触摸屏等自动化技术实现了对终端器件的集中监控,包含试验内外舱的温湿度、待测样机的能耗数据采集,搅拌风扇、循环风扇、照明装置、消毒灯、阀门、风机等的集中控制,系统集成图如图3所示。


图3:数据监控系统集成图


4、空气净化器30m³试验舱性能验证

为验证研制的30m³试验舱的相关性能,依据JJF(轻工)102-2018《空气净化器性能试验舱校准规范》计量规范,分别对试验舱容积、试验环境温湿度、气密性、混合度、回收率、本底浓度[8]等六个主要指标进行校准验证。


4.1试验舱容积测量

应用钢尺采用几何测量法直接测量试验舱的尺寸,实测长3.48m,宽3.39m,高2.51m,容积为29.61m³,满足试验舱尺寸误差≤±1%的特性,具体数据如表1所示。


表1:试验舱几何尺寸测量数据表

4.2试验舱内温湿度测量

试验环境温湿度的变化影响着空气净化器的运行状态以及颗粒物、甲醛等污染物的扩散系数,保持舱内温湿度恒定是一项检测试验的必备要求。设定试验舱温度25℃,相对湿度50%RH,开启内循环调节内舱环境,达到设定温湿度运行稳定后,开始测试试验舱温湿度,测试间隔为2min,测试时间30min,测量数据如表2所示。由数据可知,温度平均值为24.8℃,最大偏差为0.2℃,相对湿度平均值为50.9%RH,最大偏差为2.9%RH,说明试验舱的温湿度稳定性好,满足规范要求的温度误差小于±2℃,湿度误差小于±5%RH。


表2:试验环境温湿度测量数据表


4.3 气密性试验

试验过程中,试验舱内有浓度较高的污染物,气密性差的试验舱不仅导致检测数据出现偏差影响实验结果的准确性,而且泄漏的污染物还会危害实验人员的身体健康,因此,试验舱的气密性至关重要。选用CO2作为示踪气体进行气密性测试。运行测试舱达到初始稳定状态后,密闭试验舱,开启搅拌风扇、循环风扇,二氧化碳发生器通过注入口注入CO2,混合均匀,并使初始浓度达到(2000mg/m³~4000mg/m³);停止搅拌风扇,开始测试,采样间隔5min,测试时间1h。二氧化碳(CO2)浓度衰减符合公式2指数函数变化趋势,实际测试结果见表3。

 (2)

式中

ct为时间t时的CO2浓度,mg/m³;

c0为t=0时的二氧化碳初始浓度,mg/m³;

K为衰减常数,h­-1

t为时间,h。


通过线性拟合lnc(t)与t,可以得出换气次数K=0.025h­-1,小于规范要求的0.05h­-1,表明试验舱的气密性良好,泄漏量小,符合规范要求。


表3:气密性试验CO2浓度数据表


4.4 混合度试验

混合度影响污染物在试验舱内的分布均匀状态,如不能混合均匀,则不利于空气净化器的重复性评价。选用CO2作为示踪气体进行混合度测试,试验舱处于换气状态,上送下排,内舱送风阀,内舱出风阀打开,运行搅拌、循环风扇,调整送风量为15m³/h,送风管道口CO2浓度稳定为(3000±1000)mg/,检测排风口的CO2浓度,测试间隔5min,测试时间2h。实际测试数据如表4,结合混合度公式(3)(4),得出本文研制的试验舱混合度为82.1%,满足规范规定>80%的要求。


 (3)

 (4)

式中

σmax为混合度,%;

tn为试验舱一次换气所需时间,2h;

cm(t为排风口处监测的二氧化碳浓度,mg/m³;

c(t)为完全混合时,排风口处的浓度理论值,mg/m³;

cinlet为送风口的二氧化碳浓度,mg/m³;

c1为试验舱内测试开始时的本底浓度,mg/m³;

k0为混合度试验过程中设定的换气次数,0.5h­-1

t为时间,h。


表4:混合度试验CO2浓度数据表


4.5 回收率测试

不同材料的试验舱内壁对污染物的吸附性不同,对于保证空气净化器复现性评价来说,回收率是一项重要指标。分别用甲苯、正十二烷、四苯基环己烯三种污染物进行回收率测试。试验舱稳定在25℃,50%RH条件后,密闭试验舱,开启搅拌风扇,挥发污染物,使初始浓度至2.0±0.2mg/m³,60分钟后记录污染物终止浓度。各污染物测试数据表如表5,结合公式(5),得到试验回收率R甲苯=92.3%,R正十二烷=85.9%,R四苯基环乙烯=82.2%,说明试验舱内壁的吸附性较小,满足规范要求的回收率≥80%的要求。


 (5)

式中:

R为回收率,%;

c2为初始理论浓度,mg/m³;

c3为终止浓度,mg/m³。


表5:回收率数据表


4.6 本底浓度测试

试验舱材料及密封材料往往会散发出一定的污染物,在使用前,应测定各污染物的本底浓度排除影响。试验舱运行稳定后,密闭测试舱2h,保持搅拌风扇处于运行状态,分别采样检测舱内颗粒物、甲醛、TVOC、甲苯的浓度,每10min测试一次,测量3次取平均值。最终实测本底浓度:颗粒物(0.3μm以上)891个/L,甲醛0.02mg/m³,TVOC0.11mg/m³,甲苯0.04mg/m³,满足规范要求的颗粒物(0.3μm以上粒径)≤1000个/L,甲醛≤0.05mg/m³,TVOC:≤0.30mg/m³,甲苯:≤0.10mg/m³。


5、结论

通过对试验舱的多项测试,得出以下结果:试验舱容积为30m³;试验环境温湿度恒定,25℃,50%RH偏差较小;试验舱气密性良好,换气次数<0.05h-1;污染物混合均匀,混合度>80%;舱体吸附性小,污染物回收率≥80%;本底浓度低,颗粒物(0.3μm以上粒径)≤1000个/L,甲醛≤0.05mg/m³,TVOC≤0.30mg/m³,甲苯≤0.10mg/m³。试验舱的各项指标均满足GB/T 18801-2015《空气净化器》国家标准,以及JJF 102-2018《空气净化器性能试验舱校准规范》计量规范的相关要求,可以应用于空气净化器的性能检验。该试验舱的研制,对国内空气净化器产品质量提高,改善居民室内污染状况,具有较大的实际意义,而且对国家标准实施,为质量监督部门提供公正的检测数据依据,营造公平竞争的市场环境具有非常重要的推动作用。


参考文献

1.杨莉.浅谈目前的室内空气环境监测[J].《科技创新导报》,2013(34):124.

2.GB 21551.3-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 空气净化器的特殊要求》[S] .

3.GB/T 18801-2015《空气净化器》[S] .

4.陈臻科,苏丽洁.步入式高低温湿热试验箱的实现[J].《环境技术》,2015,33(02):70-73.

5.任志伟,刘杰,夏金尉.环境舱研究现状及发展趋势[J].《广东化工》,2018,45(15):171-172.

6.于腾,胡晓微.空气过滤器的分类及特性指标[J].《山西建筑》,2015,41(31):137-139.

7.刘红冰,汪雨清,王腾飞,刘峰.带冷凝热回收变容量恒温恒湿系统的研究[J].《建筑节能》,2013,41(02):8-10.JJF 102-2018《空气净化器性能试验舱校准规范》[s]。