引言空气质量可以对人们身体健康造成一定影响，室内空气污染严重将威胁居民的身体健康。因此，改善室内空气质量成为研究人员关注的主题[1-5]。室内空气污染的主要污染物为PM10与PM2.5，PM10能够进入人体呼吸道，影响呼吸系统，但部分PM10可以被人体排出体外，对人体的影响相对较小。PM2.5能够较长时间悬浮在空气中，具有粒径小、面积大、活性强且易附带有毒有害物质等特点，需要控制其在室内的浓度。目前，改善室内空气质量的方式主要有控制污染源、通风控制（自然通风、机械通风）、利用空气净化装置净化空气。控制污染源头较难实现，在通风控制无法保证室内环境的条件下，空气净化器成为部分家庭改善室内环境的主要设备。冬季使用供暖设备提升房间温度，室内空气会变得干燥，在改善室内空气质量方面，部分家庭同时使用加湿器与净化器。影响净化器净化效率的因素主要有颗粒物粒径、颗粒物初始浓度、风量等。净化效率无法直观表现出净化器去除颗粒物的效果，且国内关于空气净化器净化颗粒物的速率暂无明确定义。因此，文中提出衰减速率以量化净化器净化效率，并研究相对湿度对颗粒物净化速率的影响。采用对比分析实验的方式，研究不同颗粒物粒径、开启和关闭加湿器条件以及不同相对湿度时，空气净化器净化颗粒物衰减速率的变化规律，以期为加湿器与净化器的高效使用提供参考。1空气净化器性能指标根据《空气净化器》（GB/T 18801—2022）[1]，家用空气净化器的性能指标包括有害物质释放量、待机功率、累积净化量、洁净空气量、净化能效等参数。不同的使用场合对空气净化器性能的要求不同。在空气净化器指标中，最关键的两个参数是洁净空气量和净化能效。洁净空气量表示空气净化器的处理能力，而净化能效代表净化器的能耗及效率。针对同一台净化器，颗粒物直径不同时，净化能效也不相同。1.1洁净空气量实验舱内的洁净空气量RCAD与空气净化器净化效率成正比[2-5]，其计算式为：RCAD=(Ke-Kn)V (1)式中：RCAD——实验舱内的洁净空气量，m3/h；Ke——室内空气污染物的总衰减常数，1/h；Kn——室内空气污染物的自然衰减常数，1/h；V——实验舱体积，m³。1.2衰减速率衰减速率为额定状态下，单位功耗在净化过程中所产生的洁净空气量，表示净化器净化颗粒物的净化速率，决定了净化器的经济性。v=ΔQΔt (2)式中：v——颗粒物的衰减速率，μg/(m3·s)；ΔQ——净化过程前后颗粒物浓度差，μg/m3；Δt——净化过程所用时间，s。2实验测试2.1实验环境以30 m3标准实验舱作为实验场所，实验舱的舱体尺寸为3.5 m×3.4 m×2.5 m，舱体材料为304型不锈钢型材，舱体内部安装搅拌风扇、循环风扇等设备，以便迅速使舱内空气参数及污染物浓度达到均匀状态。将含加湿功能的净化器与不含加湿功能的净化器布置在实验舱中部[6-7]。30 m3空气净化试验舱结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.F001图130 m3空气净化试验舱结构2.2实验装置（1）尘源发生装置。实验采用香烟烟雾作为颗粒物尘源，香烟燃烧产生的颗粒物以PM10为主，且PM2.5浓度较高。通过烟雾发生器点燃香烟，颗粒物通过测试管被输送至试验舱，将香烟放入烟雾发生器，能够连续产生烟雾，根据香烟数量可以改变实验舱内污染物浓度[8]。（2）空气净化器。选用市场上比较常见的滤网式空气净化器。不含加湿功能的滤网净化器型号为KJ340F—EAA，净化空气量为340 m3/h；含加湿功能的空气净化器型号为ACSQ36EHA-N，净化空气量为380 m3/h，其加湿功能与加湿器相同，且加湿功能与空气净化功能互不影响。选取这两种不同功能的空气净化器，模拟探究加湿器对使用净化器时颗粒物的衰减速率的影响[9]。空气净化器实物如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.F002图2空气净化器实物（a）滤网净化器A（无加湿功能） （b）空气净化器B（含加湿功能）（3）测试装置。采用TH-30R温湿度探头实时监测试验舱内温度及相对湿度，量程范围分别为5~40 ℃、10%~90%。采用SDL301激光检测仪实时监测舱内PM2.5和PM10颗粒物浓度，测量范围为0~2 999 μg/m³，分辨率为0.1 μg/m³，每分钟记录1次数据。2.3实验内容（1）实验舱颗粒物背景浓度的设定。首先设置颗粒物浓度监测点，空气净化器设置在房间中间位置，直接放置在地面上。为了全面检测实验舱内颗粒物浓度，减小实验误差，设置3个颗粒物浓度监测点，离地高度均为1.5 m，距离东墙0.5 m，每个监测点间距0.5 m。测试结果为3个测点的平均值。开启实验舱自净功能，净化舱内空气，并监测净化实验舱的颗粒物浓度，实验期间舱内温度控制在26 ℃，相对湿度控制在28%左右。监测到实验舱内PM2.5颗粒物浓度为10 μg/m3时，停止自净。PM2.5颗粒物浓度10 μg/m3作为本次实验净化终止的目标浓度。（2）实验舱颗粒物起始浓度的设定。实验舱内颗粒物浓度达到设定浓度时关闭烟雾发生器，通过实验舱内的循环风扇与搅拌风扇，使室内污染物浓度达到均匀，进行后续各项实验。PM2.5颗粒物的尘源起始测试浓度约为900 μg/m3；PM10颗粒物的起始测试浓度为2 000 μg/m3，烟雾发生器无须控制起始浓度不同，当通过激光检测仪观察到颗粒物浓度时即开始实验，实验终止的污染物浓度设定均为10 μg/m3，误差在5%内即可。（3）PM2.5及PM10起始浓度测试。开启烟雾发生器，使烟雾进入实验舱内，启动实验舱的循环风扇与搅拌风扇，通过观察激光检测仪，当颗粒物浓度达到污染物初始设定浓度时，停止烟雾发生器工作，继续运行循环风扇与搅拌风扇，测量出最终PM2.5、PM10浓度及温湿度等相关参数。（4）PM2.5、PM10终止浓度测试。开启空气净化器，连续监测实验舱内PM2.5、PM10浓度及温湿度，当达到设定的颗粒物终止浓度时，关闭空气净化器，记录相关参数及从初始浓度达到终止浓度的时间。（5）有加湿和无加湿工况的测试。利用两台性能参数近似的空气净化器进行对比测试，一台净化器本身不具有加湿功能，另一台具有加湿功能。设定相同的颗粒物起始浓度和终止浓度，测定有、无加湿功能的空气净化器的净化效果和净化时间。（6）对室内相对湿度不同时空气净化器净化效果的测试。冬季北方部分地区有集中供热，因此室内比较干燥。冬季比较舒适的室内湿度的范围在30%~50%，因此在室内湿度分别维持在30%、40%、50%种工况下，测试空气净化器的净化效果。3结果与分析3.1不同粒径颗粒物在净化过程中的衰减速率开启净化器A后室内污染物浓度逐时变化情况如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.F003图3开启净化器A后室内污染物浓度逐时变化情况净化器的工作过程大致可以分为初始段、快速净化段和稳定段。初始段为净化器运行0~300 s，此时PM2.5、PM10的浓度衰减比较缓慢，且PM2.5的浓度衰减速率较低。这主要因为空气净化器风量比较小，净化器净化细颗粒物工作范围较小，其净化细颗粒物的工作范围还未达到测点区域，导致监测数据的变化较小[10-12]。净化器运行300~2 000 s为快速净化段，此时PM2.5、PM10的浓度衰减比较快，且PM2.5的浓度衰减速率远低于PM10的衰减速率。经过一段时间运行后，净化器工作范围已经达到测点，开始检测到细颗粒物的净化衰减。随着净化器的不断运行，室内颗粒物迅速被净化器吸收，导致颗粒物浓度迅速下降。净化器开启2 000 s后，PM2.5及PM10的浓度衰减缓慢，该段为稳定段，此时PM2.5及PM10的浓度变化很小，趋于平稳。经过一段时间的运行，室内大部分颗粒物已经被净化器过滤和吸收，室内颗粒物浓度大幅降低，即使净化器继续运行，浓度变化越来越缓慢。在设定时间内，浓度变化小于5%，即为稳定段。单独使用净化器A的颗粒物浓度测试结果如表1所示。300~2 000 s过程中，PM2.5的衰减速率为0.574 μg/(m3·s)，PM10的衰减速率为1.072 μg/(m3·s)。净化器对PM10的净化效果优于PM2.5。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.T001表1单独使用净化器A的颗粒物浓度测试结果类别0 s300 s600 s900 s1 200 s1 500 s1 800 s2 000 s2 500 sPM2.510.9990.0943.7491.5179.055.523.113.910.0PM1010.31 891.11 310.5721.3316.0221.2129.767.512.6μg/m33.2加湿环境对衰减速率的影响使用不含加湿功能的空气净化器A与含加湿功能的空气净化器B进行对比实验。先进行空气净化器A的实验，实验结束后对实验舱进行准备阶段的自净过程，恢复舱内PM2.5浓度到自净浓度。有无加湿环境工作的PM2.5净化过程对比如图4所示。在初始段，有无加湿器对空气净化效果的影响不大，空气净化器A和B的PM2.5衰减速率变化不大。在快速净化段，开启加湿功能后，空气净化器B的净化效果更好，PM2.5的衰减速率更快。在稳定段，开启加湿功能后，PM2.5的衰减速率稍慢。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.F004图4有无加湿环境工作的PM2.5净化过程对比假定空气净化器从测试初始浓度到测试终止浓度的时间作为运行周期，根据测试结果计算得到，在运行周期内，空气净化器A的衰减速率为0.311 μg/(m3·s)，空气净化器B的衰减速率为0.337 μg/(m³·s)。这说明在整个运行周期内开启加湿功能，对室内PM2.5的净化有促进作用，但工作周期比无加湿的要长200 s，当室内污染物浓度比较高时，开启加湿器有利，当室内污染物浓度较低（小于10 μg）时，颗粒物浓度达不到测点区，净化效果不明显。3.3相对湿度变化对颗粒物衰减速率的影响选择相对湿度30%、40%、50%这3个工况。每次实验之后对净化器滤网进行清洗，相对湿度变化的测试条件如表2所示。不同相对湿度下初始段、快速净化段和稳定段室内PM2.5浓度变化如图5~图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.T002表2相对湿度变化的测试条件实验条件PM2.5初始浓度净化结束后PM2.5浓度相对湿度30%989.69.6相对湿度40%990.06.0相对湿度50%997.08.0μg/m310.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.F005图5不同相对湿度下初始段室内PM2.5浓度变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.F006图6不同相对湿度下快速净化段室内PM2.5浓度变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.012.F007图7不同相对湿度下稳定段室内PM2.5浓度变化由图5~图7可知，在初始段，相对湿度为30%、40%、50%时，PM2.5的衰减速率分别为0.446 μg/(m3·s)、0.432 μg/(m3·s)、0.414 μg/(m3·s)，随着相对湿度的增加，衰减速率稍有降低，室内湿度变化对空气净化效果影响不大；在快速净化段，PM2.5的衰减速率分别为0.561 μg/(m3·s)、0.566 μg/(m3·s)、0.576 μg/(m3·s)，室内湿度变化对PM2.5的衰减速率几乎无影响；在稳定段，PM2.5的衰减速率分别为0.001 μg/(m3·s)、0.003 μg/(m3·s)、0.004 μg/(m3·s)，因此随着相对湿度的增加，衰减速率也增大。当室内污染物浓度较高时，相对湿度对室内颗粒物PM2.5的净化效果影响不大；室内污染物浓度在10~900 μg/m3时，相对湿度对室内颗粒物PM2.5的净化效果影响较大，相对湿度越大，净化效果越好。4结语滤网式空气净化器工作过程中，PM2.5的衰减速率为0.332 μg/(m3·s)，PM10的衰减速率为0.746 μg/(m3·s)。对PM10的净化效果优于PM2.5。空气净化器对空气的净化过程可以分为3个阶段：初始段、快速净化段和稳定段。在相对湿度为30%~50%的测试范围内，在初始段和稳定段，空气净化器开启加湿功能和不开启加湿功能对空气净化效果影响不大；在快速净化段，开启加湿功能后，空气净化器的净化效果随着相对湿度的增加而提升。这说明在室内污染物浓度较低时，相对湿度越大，PM2.5的净化效果越好。