1 测试装置与方法
测试对象为上海某一体积为70 m3的办公室，房间尺寸布置如图1所示。采用香烟烟雾作为PM2.5的来源，尘源位于房间中心B点风扇的正下方，距地1 m；PM2.5采样点位于人体呼吸区A点，距地1 m处；为避免送风气流对采样造成影响，空气净化器放置在靠近房间边缘的C点处。测试前彻底打扫房间，并进行仪器校准。室内环境温度为（26±1）℃，相对湿度为（60±3）％，PM2.5背景质量浓度为（75±5）μg/m3。
图1 试验现场示意图
1.1 试验装置
本试验所用空气净化器结构及净化流程见图2a，该空气净化器以风机作为动力源，含尘气流由回风口吸入，经净化器内的过滤单元吸附滤除颗粒物后，再由送风口吹出，完成室内空气的循环净化。IFD滤网净化示意图见图2b，其核心是由高分子混合材料（电介质）包裹电极片形成的中空微通道，在通道内产生强电场，由进风侧的电极针放电使空气电离，荷电微粒在通道内的电场力作用下被吸附于电介质表面，从而达到去除颗粒物的效果，放电过程中会产生臭氧。本试验所用测量仪器及测试项目见表1。
图2 试验装置及净化流程
表1 测量仪器和精度
1.2 试验方法
1.2.1 香烟烟雾的粒径分布试验
启动风扇，点燃3支标准香烟，用气溶胶粒径谱仪监测室内颗粒物的全粒径逐时浓度，约15 min后，浓度分布趋于稳定，关闭风扇。以此时刻作为计时零点，每6 s自动读取一次分级粒径的质量浓度，共记录10 min，取101组数据的平均值。
经多次测量，得到香烟烟雾的粒径分布如图3所示。可见，香烟烟雾产生的固态污染物主要为1.0 μm以下的细颗粒物。
图3 香烟烟雾粒径分布
1.2.2 自然衰减试验
1）启动风扇，点燃香烟，用粉尘测定仪监测室内PM2.5逐时质量浓度，约15 min后，浓度趋于稳定（超过房间本底浓度的10倍），关闭风扇。以此时刻作为计时零点，记录初始质量浓度。
2）每隔2 min记录一次PM2.5的质量浓度，直至浓度相对稳定，测试时间大于1 h。
1.2.3 一次过滤效率及功率试验
通过调整无级变速器的参数改变风机转速，以获得不同风量。参数的选取：1）测量最大与最小送风风速，以变速器相应的2个数值作为参数的设定范围。2）利用正交试验法，选出12个均布分散的点进行试验。3）通过预测试比较风量值，为保证间距均匀，调整参数值并增至16个。发尘完成后，启动空气净化器。将2根橡胶管的一端连接2台粉尘测定仪的PM2.5切割器，另一端分别插入空气净化器的回风口和送风口，同时测量上、下风侧的污染物浓度。依次调整变速器参数，记录上、下风侧PM2.5质量浓度及净化器功率，共测试16组数据。安装IFD装置的空气净化器，其功率为IFD装置放电功率与风机功率之和。校准结果表明，2台粉尘仪在同一测点不同PM2.5浓度下的读数差值小于±5 μg/m3，对结果影响较小。交换2台粉尘仪的位置重复试验，取2次测试数据的平均值。更换空气净化器的过滤单元，分别安装HEPA（1）、粗效滤网＋驻极体、粗效滤网＋静电纺和粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭进行试验，方法同上。
1.2.4 PM2.5浓度衰减试验
发尘完成后，室内PM2.5浓度均匀稳定，且超过房间本底浓度的10倍。以此时刻作为计时零点，记录PM2.5初始浓度，并将环境质量检测仪的探头置于空气净化器送风口。开启装有IFD装置的空气净化器，最大风量运行。每隔1 min记录一次采样点的PM2.5质量浓度，观察其衰减情况，直至PM2.5浓度趋于稳定。重复试验，取2次测试数据的平均值。由空气净化器运行1 h后和开启前的浓度差，得出的发生量为0.03 mg/m3，小于标准限值0.16 mg/m3。更换空气净化器的过滤单元，依次进行测试。
2 结果与讨论
2.1 过滤器特性
空气净化器的处理风量由送风口面积与送风风速计算；由空气净化器上、下风侧浓度差与回风浓度的比值计算一次过滤效率。空气净化器的风量处理范围由大到小依次为IFD装置、粗效滤网＋静电纺、粗效滤网＋驻极体、HEPA（1）、粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭，安装
IFD装置的最大风量是安装粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭的5倍。当风机转速一定时，阻力越小，风量越大，由此可知过滤器的阻力关系为：IFD装置＜粗效滤网＋静电纺＜粗效滤网＋驻极体＜HEPA（1）＜粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭。最大一次过滤效率关系为：IFD装置（94.81％）＞HEPA（1）（85.97％）＞粗效滤网＋驻极体（81.89％）＞粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭（75.79％）＞粗效滤网＋静电纺（72.6％）。
IFD装置的过滤机理为静电过滤，即荷电微粒在电场力的作用下被腔体表面吸附。风速越低，含尘气流受电场力作用的时间越长，被捕集的概率越大，过滤效率越高。故随着风量增大，其过滤效率呈降低趋势。
HEPA（1）与粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭同为机械式过滤器，在实际环境风速下，对PM2.5的过滤机理以拦截效应为主，扩散效应为辅，两者对颗粒物综合作用。风速越大，拦截效应越强，穿透率越小，一次过滤效率越大。
粗效滤网＋驻极体、粗效滤网＋静电纺的过滤机理是在机械捕集的基础上附加静电吸附效应。静电吸附的作用体现在两方面：一是利用荷电纤维的库仑力使颗粒物流线沉积；二是使颗粒物在滤料纤维表面粘结得更加牢固。研究表明，仅当粒径小于0.1 μm时，静电力在整个捕集机理中占主导地位。故对PM2.5的过滤以机械捕集为主，静电作用为辅。在小风速范围内，随着风速增大，颗粒物的沉积时间缩短，但机械捕集作用的增强大于静电效应的减弱，过滤效率增大。当风速增大到临界值时，风速继续增大，颗粒与纤维碰撞的机会减少，导致过滤效率略有降低。
2.2 运行能耗
不同过滤单元的功率测试结果为：在所有过滤单元均能达到的风量范围内（小于300 m3/h），当送风量一定时，空气净化器安装粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭时能耗最大，其次为HEPA（1），再次为粗效滤网＋驻极体、粗效滤网＋静电纺，且两者相差不大，安装IFD装置时消耗功率最小。以送风量250 m3/h为例，安装IFD装置的空气净化器功率为9.62 W，分别为粗效滤网＋驻极体的51％、粗效滤网＋静电纺的47％、HEPA（1）的39％和粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭的28％。随着风量继续增大，IFD装置能耗增速越来越快。
2.3 PM2.5去除效果
自然沉降及空气净化器安装不同过滤单元时室内PM2.5质量浓度衰减。在自然沉降工况下，PM2.5浓度缓慢降低，1 h后衰减约12.7％，可见，自然沉降对PM2.5去除效果甚微，难以改善室内空气质量。相对于自然沉降，空气净化器运行工况下PM2.5浓度衰减则十分明显。每次发尘后的PM2.5初始质量浓度视为相同（约850 μg/m3），基于不同过滤单元的空气净化器开启1 h内，均能将PM2.5质量浓度降低到10 μg/m3左右，小于一级质量浓度限值35 μg/m3 。结果表明，所有过滤单元在1 h内均能有效净化香烟烟雾产生的PM2.5。当PM2.5衰减到发尘前的背景质量浓度（约75 μg/m3）时，空气净化器采用不同过滤单元所需时间关系为：IFD装置（22 min）＜HEPA（1）（26 min）＜粗效滤网＋驻极体（32 min）＜粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭（39 min）＜粗效滤网＋静电纺（42 min）。
2.4 性能评价指标
以洁净空气量CADR及净化效能（即单位功率洁净空气量，CADR/P）作为空气净化器的性能评价指标。本文采用效率风量和衰减测试2种方法计算CADR。（详见原文）
3 结论
1）粗效滤网＋驻极体、粗效滤网＋静电纺的过滤效率随风量增大先增大，达到峰值后略有降低；HEPA（1）、粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭的过滤效率随风量增大而增大；IFD装置的过滤效率随风量增大而降低。过滤单元阻力关系为：IFD装置＜粗效滤网＋静电纺＜粗效滤网＋驻极体＜HEPA（1）＜粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭。
2）当风量一定且小于300 m3/h时，粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭的能耗最大，其次为HEPA（1），再次为粗效滤网＋驻极体、粗效滤网＋静电纺，且两者相差不大，IFD装置消耗功率最小。随着风量继续增大，IFD装置的能耗增速越来越快。
3）不同过滤单元在１ｈ内均能有效净化香烟烟雾产生的PM2.5。初始浓度视为相同，室内净化到同等洁净程度，IFD装置和HEPA（1）用时相近且较短，其次是粗效滤网＋驻极体，粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭、粗效滤网＋静电纺用时较长。
4）效率风量方法计算的CADR值大于衰减测试方法，两者相差在7％以内。HEPA（1）、粗效滤网＋驻极体的CADR和净化效能均较大；其次是粗效滤网＋静电纺、粗效滤网＋HEPA（2）＋活性炭，两者的CADR和净化效能相差不大；IFD装置的CADR最大，但净化效能最低。
全文刊登于《暖通空调》2017年第2期
作者：东华大学 崔晶晶 杨学宾 沈恒根 李擎
【近期活动】
4月20—21日·青岛 医院暖通空调设计及运行常见问题论坛
1、微信号搜索“hvac1971”或“暖通空调”。《暖通空调》创刊于1971年，是中国建筑科学类核心期刊，国家期刊奖最高奖项获奖期刊，入选2013年、2015年中国“百强科技期刊”，获得中国政府出版奖提名奖。中国暖通空调行业唯一的中央级科技期刊。本刊以实用技术为主，兼具学术性和信息性，在行业中最具影响力，被誉为权威刊物，深受广大读者喜爱，发行量在国内同行业刊物中遥遥领先。2017年《暖通空调》杂志（共12期） 240元（平邮）
