我國室內空氣凈化器去除細顆粒物適用面積估算方法

李睦 莫金漢 朱焰 張曉 王蔚然 張寅平

（1.北京清華大學建筑技術科學系 北京 100084；2.中國家用電器研究院 北京 100053 3.飛利浦中國研究院 上海 200233）

0 引言

隨著我國快速的城鎮化進程、工業及經濟的發展，以及人民生活水平的不斷提高，室外空氣質量問題（特別是PM2.5即細顆粒物污染）也日趨嚴重。由于我國能源主要依賴于煤炭，近年來煤炭消耗量逐年增長造成燃煤過程中SOx、NOx及顆粒污染物大量排放；我國近年來城市汽車數量激增，增長率和增長總量在全世界列首位，汽車大量排放的尾氣也加劇了大氣污染。進入2013年以來，主要由PM2.5污染導致的霧霾天氣侵襲我國東部大部分地區，影響面積高達190萬km2[1]，北京、上海等重要城市深受其害。大氣中的PM2.5會通過建筑通風和圍護結構滲透進入室內，人們的烹飪活動和吸煙也會產生PM2.5。一方面，室外大氣中PM2.5污染短期內難以有效治理，另一方面，人們在室內的時間高達80%以上，因此，有效控制室內空氣中PM2.5污染就顯得非常重要，同時也是降低PM2.5健康風險的主要手段。特別值得指出的是，在室外大氣PM2.5污染嚴重時，常規用來改善室內空氣質量的通風（自然或機械通風）不僅難以湊效，反而會“雪上加霜”加劇室內PM2.5污染。在此情況下，采用空氣凈化器往往是不可或缺的手段，推動了2013年以來我國空氣凈化器市場火爆。

然而，近年來，我國市場上空氣凈化器魚龍混雜、良莠難辨，相關標準中也存在著一些亟待改進的問題[2]；同時，空氣凈化器生產廠家的過度宣傳問題較為嚴重，不同的品牌給出的性能參數往往不具有可比性。這些問題導致消費者在購買空氣凈化器時無所適從，而且買到的空氣凈化器在實際使用過程中常常達不到廠家所宣傳的凈化效果。

目前，我國的空氣凈化器標準采用的性能評價指標包括潔凈空氣量[3]、一次通過效率[4]和凈化效能[5]，具體內容如表1所示：

可以看出，我國采用的空氣凈化器性能評價指標均為對產品自身性能的評價，術語偏學術化，普通消費者較難理解，缺少指導消費者使用的簡單評價指標，適用面積就是這類參數之一。事實上，雖然現有空氣凈化器國標(GB/T 18801)中并沒有涉及空氣凈化器的適用面積這一指標，國內一些單位卻給出了這一參數來指導消費者選購空氣凈化器（但其計算方法并不科學），這在一定程度上迎合了消費者的實際需求，卻又誤導了消費者。為此，本文依據正在修訂的空氣凈化器國標(GB/T 18801)，說明如何基于我們環境和住宅特點來估算空氣凈化器的適用面積，對空氣凈化器廠家和消費者都有指導意義。

1 國外標準中的評價方法

美國空氣凈化器標準（ANSI/AHAM AC-1-2006[3]）、加拿大空氣凈化器標準（NRCC-54013[6]）和日本空氣凈化器標準（JEM 1467-2013[7]）中對空氣凈化器在住宅中使用的適用面積都有所建議，并給出了推導過程。以上標準給出的適用面積都是針對各自國家的室內顆粒物污染的控制要求提出的，推導過程也都基于室內顆粒物的質量守恒，考慮了空氣凈化器的凈化作用，室內自然通風和自然沉降作用。ANSI/AHAM AC-1-2006和NRCC-54013均規定空氣凈化器運行時室內的顆粒物濃度不超過空氣凈化器不運行時顆粒物濃度的20%，由此得到該空氣凈化器的適用面積；不同的是ANSI/AHAM AC-1-2006中自然通風的換氣次數為1h-1，沉降引起的濃度衰減系數為0.2h-1，而NRCC-54013中自然通風的換氣次數為0.3h-1，沉降引起的濃度衰減系數為0.1h-1。JEM 1467-2013規定在自然通風換氣次數為1h-1的條件下（沒有考慮沉降的作用），空氣凈化器運行30分鐘后，房間的粉塵濃度從初始的1.25mg/m3降至0.15 mg/m3，由此得到該空氣凈化器的適用面積。值得指出的是，以上標準均認為污染源僅在室內，自然通風是降低室內顆粒物濃度的因素，這種情形很不符合中國目前的國情。中國目前大氣污染問題嚴重，霧霾天氣頻發，室外空氣是室內顆粒物污染的主要來源。因此我國空氣凈化器適用面積這一評價指標的建立不能照搬國外的標準，須針對中國國情，才能給出適用于我國的空氣凈化器適用面積估算方法和結果。

2 適用面積的確定方法

室內空氣中顆粒物的傳質過程如圖1所示。假設房間內顆粒物混合均勻，根據質量守恒定律，可得：

式中：V為房間體積，m3；Co為室外顆粒物濃度，mg/m3；t為時間，h；E為室內顆粒物產生源強度，mg/h；Q為自然通風換氣量，m3/h；Pp為顆粒物從室外進入室內的穿透系數，h-1；C為室內顆粒物濃度，mg/m3；k為室內顆粒物的沉積率，h-1；CADR為空氣凈化器去除顆粒物的潔凈空氣量，m3/h。

對于住宅，室內顆粒物的產生源主要有香煙煙霧和烹調油煙。隨著近年來我國對室內禁止吸煙和二手煙危害的大力宣傳，家庭中在室內吸煙的情況越來越少，因此可不考慮室內有香煙煙霧的情況。烹調油煙產生于廚房，一般安裝了抽油煙機，而使用空氣凈化器的空間一般為臥室或者客廳。在廚房門關閉的情況下，廚房與其他房間屬于不同區域，其中的顆粒物濃度對其他房間影響很小。大部分人在烹調時會關閉廚房門并打開抽油煙機，這種情況下烹調油煙對臥室或者客廳的影響可以忽略。因此，不考慮香煙煙霧和烹調油煙是適合我國現階段國情的一種假設，此時式（1）中的E項可以視為0。

對穩態的情況，式（1）等號左邊項為0。將自然通風換氣量Q（m3/h）表示為換氣次數ACH（h-1）乘以房間體積V（m3），并將體積V（m3）表示為高度H（m）乘以房間面積A（m2），式（1）可以寫為：

計算出式（2）中的系數λ，即可得出空氣凈化器的適用面積與潔凈空氣量的關系式。

3 參數的確定

由于目前我國現階段PM2.5污染問題非常突出，因此本文僅討論空氣凈化器去除PM2.5的適用面積的估算方法，具體參數的確定方法也適用于其他粒徑范圍的顆粒物。注：表中的空氣質量指數類別是假設首要污染物為PM2.5時得出的。

表1 我國采用的空氣凈化器性能評價指標

表2 北京空氣質量指數類別天數統計(2013年11月-2014年1月)

表3 不同污染等級下適用面積-潔凈空氣量關系式系數計算結果

3.1 室內外PM2.5濃度

消費者使用空氣凈化器的目的就是使室內空氣質量能夠達到“優”級水平。目前，我國的室內空氣質量標準還沒有對PM2.5濃度給出分級限值，而根據我國的環境空氣質量指數（AQI）技術規定[8]，空氣質量等級優對應的PM2.5濃度限值為35μg/m3，因此選取35μg/m3為室內PM2.5濃度。

室外PM2.5濃度的確定需要根據我國目前的大氣污染現狀。以北京為例，本文統計了北京2013年11月1日至2014年1月26日的PM2.5濃度日平均值（數據來自中國環境監測總站全國城市空氣質量實時發布平臺[9]），其空氣質量指數類別的天數統計如表2：

從數據可以看出，北京在2013年11月1日至2014年1月26日時間內空氣污染的天數總共所占比例為42%。由于嚴重污染的天數只占1%，常見的污染情況是輕度污染、中度污染和重度污染，考慮常見的情況，分別取輕度污染、中度污染和重度污染級別的PM2.5濃度上限值即115μg/m3、150μg/m3和250μg/m3。

3.2 穿透系數和沉積率

顆粒物的穿透系數的定義為通過建筑的圍護結構進入室內的顆粒物在從室外進入室內的空氣中顆粒物總量中的比例。Chen[10,11]等人總結了已有穿透系數的測試結果并對對穿透系數進行了模擬和實驗研究，得出對于PM2.5，門窗緊閉時Pp=0.8。Riley[12]等人研究了室內顆粒物的沉積率，得出一般室內的PM2.5沉積率k=0.09h-1。

3.3 房間高度和換氣次數

房間高度和換氣次數的確定需要基于對我國住宅的調研數據，但是至今這方面的大規模調研數據仍較為欠缺。姚遠[13]對北京的1500戶住宅進行了入戶調研，得出房間的平均層高為2.6m。而本文中房間高度并非層高，而是房間內空氣的體積除以面積，考慮到實際房間中的家具占據一定的空間，房間高度應該略小于層高。ANSI/AHAM AC-1-2006和NRCC-54013中的房間高度均定為2.4m，為保持一致，本文也將房間高度H定為2.4m。

考慮到室外空氣污染時，用戶會關閉門窗，使用空氣凈化器，本文需要確定門窗關閉狀態下的換氣次數。李嚴和李曉峰[14]測試了北京地區住宅的換氣次數。在門窗緊閉的工況下，換氣次數測試結果的范圍為0.05~0.57h-1。呂鐵成和李振海[15]測試了上海地區住宅的換氣次數。在門窗緊閉的工況下，換氣次數測試結果的范圍為0.15~0.24h-1。根據式（2），換氣次數ACH越大則適用面積A越小，因此為了避免高估適用面積，本文確定換氣次數略高于統計數據的上限值，取為0.6h-1。

4 算例

將上文確定的參數帶入式（2），即C=35μg/m3，Pp=0.8，k=0.09h-1，H=2.4m，ACH=0.6 h-1，輕度污染時Co=115μg/m3，中度污染時Co=150μg/m3，重度污染時Co=250μg/m3，計算結果如表3：

其中，系數λ的倒數為房間每平米所需潔凈空氣量，消費者可以根據此參數和房間面積挑選潔凈空氣量合適的空氣凈化器。為保證空氣凈化器能夠在不利工況下達到所要求的凈化效果，建議系數λ取0.15，對應的適用面積-潔凈空氣量關系式為：

5 結語

本文指出了國外現有的空氣凈化器適用面積計算方法不符合我國國情，同時根據我國國情提出空氣凈化器對細顆粒物的適用面積的估算方法，并結合算例說明如何正確使用這一方法。其他污染物的適用面積可參考本方法計算。

值得一提的是，適用面積不是空氣凈化器的核心性能指標，僅是一個估算參數，其值是在限定的標準條件下計算出來的，式（3）代表了一般顆粒物污染情況下的適用面積。如果消費者家中的污染非常嚴重，可根據自身情況降低式（3）中的系數，進而選擇具有更大潔凈空氣量的凈化器產品。

本文的研究工作可為我國空氣凈化器國家標準的修訂提供參考，為科學指導消費者選擇空氣凈化器和規范空氣凈化器市場提供幫助。

[1] 中國天氣網. 2013年2月25日氣象衛星遙感監測數據[EB/OL]. http://www.weather.com.cn/news/1 810351.shtml

[2] 李睦，卜鐘鳴，莫金漢，張寅平. 我國空氣凈化器標準存在的問題及相關思考 [J]. 暖通空調，2013，43（12）：59-63

[3] Association of Home Appliance manufacturers. ANSI/AHAM Standard AC-1. Method for measuring performance of portable household electric cordconnected room air cleaners [S]. 2005

[4] 中國家用電器研究所，中國預防醫學科學院環境衛生監測所，北京華夏環境工程公司，等. GB/T 18801-2002. 空氣凈化器 [S]. 2002

[5] 中國家用電器研究所，北京亞都科技股份有限公司，國家家用電器質量監督檢驗中心，等. GB/T 18801-2008. 空氣凈化器 [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] 中國環境監測總站，中國環境科學研究院，大連市環境監測中心，等. HJ 633-2012. 環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）[S]. 2012

[9] 中國環境監測總站全國城市空氣質量實時發布平臺. http://113.108.142.147:20035/emcpublish/

[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

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[13] 姚遠. 家具化學污染物釋放標識若干關鍵問題研究 [D]. 北京：清華大學，2011

[14] 李嚴，李曉峰. 北京地區居住建筑夏季自然通風實測研究 [J]. 暖通空調，2013，43(12)：46-50

[15] 呂鐵成，李振海. 典型住宅的換氣試驗及分析 [J]. 能源技術，2007，28(3): 175-177