對空氣凈化器性能指標及評價方法的探討

王蔚然 朱焰

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

1 引言

目前,國家標準GB/T 18801-2008《空氣凈化器》正面臨修訂。涉及到該產品的性能指標和評價方法，引起了標準修訂參與者的廣泛關注，本文試就該標準涉及到的主要性能指標及相關的評價方法做一些探討，同時作出比對分析。

2 空氣凈化器產品標準中的主要性能指標的確定

空氣凈化器作為以潔凈空氣為主要目的家用電器產品，評價其產品的質量水準、好壞優劣，當以其“潔凈空氣的能力”作為最基本的性能指標。空氣凈化器的“潔凈空氣能力”不同，就決定了它們的品質高低、質量優劣。

圖1 室內污染物下降為復合作用的結果

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實驗艙甲苯下降曲線

在標準中，“潔凈空氣能力”又稱為“潔凈空氣量”，是指單位時間提供潔凈空氣的體積量，英文為clean air delivery rate，簡稱為CADR，單位為：m /h，即，單位時間內潔凈的空氣量。

需要特別指出的是，每一臺空氣凈化器的“潔凈空氣能力”都是針對特定的目標污染物而設計的，所以，每一臺空氣凈化器的“潔凈空氣量”都需要指明針對的空氣污染物種類 換句話說，如果不指明凈化污染物的對象，僅標注一個“潔凈空氣量”即CADR的值，是沒有任何意義的。

之所以說“潔凈空氣量”是空氣凈化器的最主要性能指標，還在于其他的類似的空氣凈化指標（或參數）均可以從這一指標推導出，如，凈化效率、使用面積等，當然，推導時需要規定必要的條件，如，被凈化的空間環境、污染物的性質、初始濃度水平以及工作（凈化）時間等。

3 潔凈空氣量CADR評價法

評價一臺空氣凈化器的凈化能力強弱，國際上普遍采用CADR 評價法。因為，這一指標反映出了空氣凈化器的屬性。

3.1 潔凈空氣量CADR的本質

根據定義，潔凈空氣量CADR是指一臺空氣凈化器在單位時間內能提供的干凈空氣量，實際上也可以理解為：單位時間內通過空氣凈化器的風量乘上單次過濾的效率所得。即

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

假設每小時有300m污染物濃度為1mg/m的空氣通過某臺空氣凈化器，被凈化成了300m污染物濃度為0.1mg/m 的較干凈空氣，則對應的CADR為：

由定義可以看出，CADR直接反映了空氣凈化器對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間無關，屬于空氣凈化器的固有參數。CADR允許直接的加減運算，即兩臺對某種污染物的CADR為100m /h空氣凈化器同時使用時，它們總的CADR應當為200m /h；或者，當一臺空氣凈化器的CADR為200m /h時，其凈化能力就是CADR為100m/h的機器的兩倍。

需要指出的是，在實際對空氣凈化器的測試中，目標污染物濃度水平在機器的連續工作下會降低，但嚴格來講，這種污染物濃度水平的降低，實際上是一個復合作用的過程，即由機器的凈化作用和污染物濃度水平自然衰減兩項復合作用形成的。見圖1。

圖2為室內污染物濃度隨時間下降的示意圖，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的關系

顯然，室內的污染物在任一時刻的減少量（下述公式等號左邊之項），等于以上復合作用帶來的污染物的去除量（下述公式等號右邊之項）。即：

其中V為房間或實驗艙體積，C為污染物濃度，k 為自然衰減常數（單位為時間 ）。整理后，并定義總衰減系數

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

此即為目前國標GB/T 18801-2008附錄B“計算方法”中引用的公式。通常情況下，k 比起k 來說要小很多，并且測量k需要一次額外的試驗。所以在要求不嚴格的場合，有時會忽略k，認為k即為k 。

公式(4)即為在理想的環境狀況下，污染物濃度水平與CADR的關系。

3.3 如何測試計算空氣凈化器的CADR？

依據公式(4)，我們可以知道，空氣凈化器對于某種污染物的CADR可以通過測量實驗艙污染物濃度隨時間的變化來得到。在實際實驗測試中，CADR值通常使用多點擬合法求得，即測量多個數據點，做出下降曲線的指數擬合。為了衡量擬合程度，通常使用相關系數R 做一個判斷。如加拿大標準NRCC-54013要求一般情形下顆粒物CADR計算時R 應當不低于0.95，氣態污染物CADR計算時R 不低于0.9。

圖4 某空氣凈化器30m 實驗艙甲醛下降曲線

圖5 30m 實驗艙內不同CADR空氣凈化器“去除率”與測試時間的關系

如果借助理想的理論公式，并只使用兩個數據點直接計算，則是較簡單的兩點計算法，目前為日本空氣凈化器標準采用。

選取數據點計算具體的CADR時，應根據目標污染物的不同屬性，注意測試方法的誤差和檢測限。一般情況下，當污染物濃度太低時，測量誤差通常較大。而在空氣凈化器實驗艙的測試條件下，污染物濃度處于一直變化中，不存在通過長時間大量采樣的方法來富集極低濃度污染物到可測量濃度的條件。

以甲醛為例，按國家室內空氣質量標準GB/T 18883-2002規定的標準值應為0.10mg/m 。目前大多數的測試方法，在此標準值時尚能保證精度。但在更低濃度時誤差逐漸變大，低于此標準值50%，即0.05mg/m 以下時，更為精確測量的方法目前尚未見報道。因此，一個較為實際的數據點選取策略是，選取從初始濃度（通常為10倍標準值左右）開始到剛低于標準值濃度止（即為初始濃度十分之一左右）之間的數據計算CADR。只有確信測試儀器的精度可靠時，可以適當增加后續的數據點參與計算。

圖3為某臺空氣凈化器在國外30m 實驗艙內測試所得的甲苯下降曲線。測量儀器為PTRMS，采樣間隔為2s。

根據上述實測數據，15分鐘左右甲苯的濃度已經下降到初始濃度的十分之一。因為PTRMS的測量精度較高，我們選取了前20分鐘的數據進行計算，得到相關系數R 為0.994，k為10.914·h 。該實驗艙對于甲苯的k 為0.012·h。據此，可以計算出該空氣凈化器的針對甲苯的CADR為327m/h。

圖4為同型號空氣凈化器在上海30m試驗艙內測試所得的甲醛下降曲線。測量儀器為PPM htv-M，采樣間隔為2min。

該試驗表明，在第22分鐘時的數據正好低于（或等于）標準值。由于甲醛測試儀器的精度限制，我們選取前22分鐘的數據進行計算，得到相關系數R為0.975，k為6.330·h。該實驗艙對于甲醛的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”評價法

“去除率”評價的是針對空氣凈化器在時間t時對目標污染物的凈化效果做出的評價，按其定義為：

但是應該注意，“去除率”（或“凈化效率”）實際上是一個相對值，在假設的環境為標準的理想狀態時，它僅是一個時間的函數。

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

4.1 “去除率”并非表征空氣凈化器的本質指標

在市場宣傳中，不少廠家喜歡使用“去除率”高達多少的語句來顯示空氣凈化器的性能。

須知，評價一臺空氣凈化器的“去除率”（或“凈化效率”）是需要規定清楚試驗條件的（本文第一章中曾做了說明）。顯而易見，“去除率”與實驗艙的大小及測試時間緊密相關。由公式(4)可知，當實驗艙大小和測試時間確定時，“去除率”可以由CADR計算得出，但這一結果是一個理論值。由于CADR是一個大于或等于0的數，無上限，而“去除率”是100%減去CADR取負后的指數計算結果，實際上為一個0%～100%之間的比值。

為了使讀者能夠較直觀認識空氣凈化器的CADR 和“去除率”之間的關系，我們依據公式(4)，用計算機模擬出在30m 實驗艙內，不同CADR（單位為m /h）的空氣凈化器在一個小時內“去除率”與測試時間的關系。由于公式(4)是適用于顆粒物及氣態污染物的通用公式，因此圖5中所示CADR和“去除率”的關系并不限于某一種特定污染物。

由圖5可以明確看出，潔凈空氣能力強的（即CADR值大）機器，在標準測試環境下，僅需要幾分鐘，就可以將污染物的濃度水平去除掉90%，而CADR值小的機器，在相同的時間內只能去除掉10%多一些。換句話說，空氣凈化器的CADR的不同，其潔凈空氣能力的強弱顯而易見。

4.2 “去除率”的測試受不同污染物濃度的影響明顯

從實際操作上來說，“去除率”的測試方法相對簡單，只要測量初始濃度和時間t時的終止濃度即可。但是此方法同時也帶來一個缺點，即時間t時的測量誤差，直接決定了“去除率”的可靠性。前面已經闡述，對于氣態污染物而言，低濃度時的精確測量較為困難。以甲醛為例，當濃度從初始的1mg/m 下降到0.05mg/m時，很難再有可靠的測量。也就是說，假設某次甲醛測試，得到“去除率”為95%，在重復測試中，出現94%或者96%亦屬正常。

多數情況下，空氣凈化器使用物理過濾技術凈化顆粒物，所以顆粒物CADR與“去除率”的關系，可以較好地符合圖5所示的模擬結果。而對于氣態污染物多使用活性炭或化學吸附技術，其吸附效率在測試過程中存在一定的不穩定性，所以與圖5的理論結果吻合程度通常有一定偏差，同時給重復測試帶來一定挑戰。至于部分空氣凈化器對某些特別的污染物采取了非過濾非吸附式主動凈化的技術（如往空氣中釋放抑菌成分達到除菌效果），與公式(4)的理論基礎相差較大，因此對該特別污染物的“去除率”不適用圖5所示關系。

對氣態污染物“去除率”來說，重復測試中出現幾個點百分比的偏差，對于空氣凈化器之間性能的比較，可能產生較大影響。以測試時間t為60min為例，CADR為150m /h的空氣凈化器與CADR為300m /h的空氣凈化器的實際性能相差一倍，但是“去除率”只相差一個點百分比。如果測量帶來的誤差超過了這一個點，則可能出現測試得到的“去除率”和實際性能倒掛的情況。

因此，為避免出現上述情況，建議應根據空氣凈化器的凈化對象及能力，適時適度地選擇實驗艙大小、測試時的初始濃度水平以及測試時間等參數，以便使測試結果盡可能地反映實際真實情況，并與對應理論計算相吻合。需要明確的是，對于氣態污染物，測試準確度有保證的情況下只能評價相對較低的“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（風量決定測試時間）”和單次過濾效率之間的關系

作為對“去除率”評價法的一種嘗試，有觀點提出了依據空氣凈化器風量來決定測試時間的方法。風量較大的空氣凈化器，需要的時間較短；風量較小則時間較長。相對于傳統的固定測試時間的“去除率”，我們稱其為“去除率（風量決定測試時間）”的評價法。

該方法試圖通過延長測試時間，給風量較小（通常情況下CADR也較小）的空氣凈化器提供一個和大風量空氣凈化器一樣的較高“去除率”，對于促進小風量空氣凈化器的發展有一定積極作用。該評價的核心是：

其中α為常數，F為風量，然后依據公式(5)評價“去除率”。為了了解該評價方法的實質，我們把公式(6)代入公式(4)，為簡化起見忽略自然衰減系數，得：

再把公式(1)代入公式(7)，依據公式(3)的形式進行整理，得：

其中α為常數，V為試驗艙大小，η為單次過濾效率。由公式(8)可以看出，“去除率（風量決定測試時間）”事實上評價了一個單一指標，既空氣凈化器凈化材料在設計風量下的單次過濾效率。

對于空氣凈化器來說，凈化材料的單次過濾效率固然是一個重要指標，但是，相對空氣凈化器來講，整機的設計能力更為關鍵，并直接決定了整機的性能。空氣凈化器的設計不應當為追求某個部件的最佳效率，而忽略整機的性能。

通常情況下，尤其對于氣態污染物而言，低風量意味著凈化材料表面空氣的流速更慢，其單次過濾效率相對較高。也就是說，如果依據“去除率（風量決定測試時間）”來評價的話，使用相同凈化材料的情況下，小風量的空氣凈化器比大風量的空氣凈化器的結果更好，而同一臺空氣凈化器，低風模式比高風模式的結果更好。這也正說明了為什么產品標準中需要設置“凈化能效水平”這一指標。

5 分析及結論

對于消費者來說，空氣凈化器性能最直接的反映由以下兩個問題決定：

(1)當進入到一個有空氣污染的房間，空氣凈化器可以在多長時間內將空氣凈化干凈？

(2)當房間內污染源持續存在時（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什么水準？

由公式(4)可以看出，第一個問題里消費者所關心的時間t和k是一個乘法的關系。也就是說，當初始污染物濃度和期望達到的干凈程度（即期望的污染物濃度）都確定的情況下，t和k的乘積是一個常數。在忽略自然衰減系數及房間大小確定的情況下，t和CADR的乘積是常數。也就是說CADR每大一倍，理論上，凈化時間就會縮短一倍。

對于第二個問題，我們假設室內污染源的釋放速率恒定為γ，單位為mg/h。則：

其中，k 為不包括通風因素的自然衰減常數，k 為通風帶來的衰減常數，V為房間體積，C 為不開啟空氣凈化器時房間內污染物的穩態濃度，C 為開啟空氣凈化器時房間內污染物的穩態濃度。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），而一臺性能較優秀的空氣凈化器（譬如CADR達到150m /h）對于一間空曠體積達到30m 的房間來說k 在5以上，遠大于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也是成簡單的相乘關系。也就是說CADR每大上一倍，理論上可以使室內空氣污染物穩態時的濃度下降一倍。

綜上所述，對于顆粒物或氣態污染物（如甲苯、甲醛等）而言，使用對應的潔凈空氣量CADR作為主要性能指標來評價，非常好的反映了消費者對凈化效果的核心關注。“去除率”作為一種簡潔的測試方法，在對應的CADR方法尚未明確或較難適用的情況下，可以直接反映某項性能，不失為一種有效的參考性方法。但是實驗艙體積，初始濃度，測試環境均需做好規定，以便消費者可以在不同空氣凈化器之間做出比較。