绿色建筑室内空气净化技术效果评测研究

张鹏 吴琼 彭嫚 刘芳

1 中国建筑设计研究院有限公司

2 国住人居工程顾问有限公司

3 建筑环境优化设计与评测北京市重点实验室

4 北京建筑大学环境与能源工程学院

室内空气中的可吸入颗粒物和装修污染物会导致在室人员产生不舒适的感觉，如头晕、烦躁、恶心等，甚至还会引发病态建筑综合症（SBS）、与建筑有关的疾病（BRI）以及多种化学污染物过敏症（MCS）[1]等系列疾病。因此，如何利用现有评测技术，量化空气净化技术的效能等，判断建筑是否达到建筑使用者“健康”，“适用”和“高效”的要求，已经成为国内外研究热点。

1 研究背景

京津冀地区是全国空气污染最严重的地区之一，居民及消费者对室内空气净化技术的使用需求较为普遍。益普索Ipsos 发布的《2018 居住健康舒适需求调研报告》中指出，七成以上中高收入人群家庭面临家居污染严重的问题，对健康升级需求提高，为了进一步改善室内居住环境，大众平均愿意支付约8000 元/年，但针对市面上几种主流的空气净化技术的实际应用效果，还缺乏专门性的对比研究，导致了消费者忽视自身家居最主要的污染风险、盲目采用集成概念多的产品而带来的能效浪费和效率下降。此外，对于一般设计人员，在工程设计阶段，对于如何正确识别建筑室内污染源并选用适宜的净化技术，保障居室内空间能够快速有效地得到改善，也还存在概念不清晰，缺乏效果实际体验等问题，因此有必要对其进行验证式的探索。

2 实验装置设计

为了解决现有净化技术评测方法形式单一、灵活度低、可视化程度低的问题，本项目设计了一种由净化技术检测装置、小型集成化多污染监测技术、多元非线性回归技术数学模型三部分组成的评测方案：

空气净化技术检测装置（如图1），与现有检测方法相比，本装置实现了如下灵活可调、操作简单、数据记录和实验过程可视化的优点：

图1 实验装置模型图

a）通过设置污染物发生器，可以产生不同类型的污染物（PM2.5、甲醛气体、VOCs 等），通过设置多个卡槽，置放不同的净化模块，能够检测不同净化技术（如HEPA、活性炭等）对同一类型污染物在不同风速下的净化效果。能够检测同种净化技术对不同类型的污染物在不同风速下的净化效果。能够通过设置净化模块的组成个数和间距，以检测不同净化技术的协同作用，以及不同种类的净化技术的集成顺序对净化效果的影响。

b）箱体采用亚克力透明材质，实现了实验过程的全程可视化，能够观测到箱体内的实验过程，随时掌握实验过程中的情况，以便随时应对。

c）设置风机调速器，可实现风机的无级调速，以检测不同风速对净化技术效率的影响。

d）可分模块安装，结构简单，安装和拆卸方便，通用性强。

小型集成化多污染监测技术，即室内环境检测终端AirBox 传感器，可同时自动记录室内PM2.5、甲醛、VOCs 等污染物浓度以及温度、湿度等，在检测装置外（室内）设置搅拌风扇和空气检测传感器1，实时记录室内污染物均匀浓度，代表净化技术的循环净化效率；在装置内，净化模块与风机之间的净化段，设置传感器2，实时记录污染物经过滤网净化后的污染物浓度，代表净化技术的单次净化效率。传感器通过网络可与手机APP 或电脑软件相连，实时将传感器检测数据和曲线传送到手机和电脑上，也可以选择日期下载数据，实现远程同时监测或下载任何时间段的数据。

图2 评测原型样机实物照片

3 研究方法

3.1 净化技术选择依据

本课题在经过技术专利比例、用户需求、市场渗透率三个方面综合考量后（图3），选用HEPA 技术、活性炭技术和光触媒技术三种典型主流技术进行了评测比对。

图3 市场主流技术的各方面对比

3.2 室内空气污染环境模拟与净化

经过前期试验测试，本项目使用燃烧成分最接近雾霾的金鹿牌蚊香（图4）来模拟室内可吸入颗粒物浓度超标环境，使用甲醛AR 溶液稀释至30%～40%，静置室内挥发，以模拟室内装修污染环境（图5）。实验房间为36 m3大小，释放污染物至空气严重污染的程度（PM2.5＞250 μg/m3，甲醛浓度约0.35 mg/m3，接近新房刚装修完毕的状态），从室内取出污染源，开启净化装置，记录时间，房间密封。每隔1 min 记录一次传感器1 和传感器2 的数据，待室内空气净化至国家标准（PM2.5＜35 μg/m3，甲醛浓度≤0.1 mg/m3）以下，关闭检测装置，整理传感器数据，分析实验结果。

图4 雾霾模拟-蚊香燃烧

图5 室内装修模拟-甲醛静置挥发

3.3 数据记录与分析

本项目进行了如下5 项对比实验：

1）使用HEPA 技术净化PM2.5 颗粒物；

2）使用活性炭技术净化PM2.5 颗粒物；

3）使用光触媒技术净化甲醛气体；

4）使用活性炭技术净化甲醛气体；

5）使用HEPA+光触媒+活性炭集成技术净化PM2.5+甲醛的复杂污染物环境。

室内污染环境模拟完毕后，开启净化装置时的时间设置为t0，室内初始浓度为c0，每隔1 min 记录数据，至t min 净化结束后，整理数据，总结浓度下降趋势线，可以横向对比不同净化技术的净化效率，即只看传感器1 的数据，计算某一种净化技术循环净化效率：

式中：c0为室内（传感器1）初始浓度，ct为净化后（传感器1）达标浓度。

循环净化效率代表建筑通风系统的净化效率，E越大，建筑室内空气净化效率越高。

也可以纵向对比同一净化技术在不同污染物浓度环境下的净化效率，即同一时间c（n0＜n≤t）净化模块前后的传感器所记录的浓度差，也是单次净化效率：

式中：cn为进风侧浓度，也是室内污染物浓度（传感器1），cn’为出风侧浓度（传感器2）。

单次净化效率代表净化技术的净化效率，E’越大，净化技术效率越高。

4 实验结果与验证

4.1 PM2.5 的净化实验

针对PM2.5 的净化技术评测实验（图6），每分钟记录的数据结合多元非线性回归技术模拟出整个实验过程的趋势线，可以看出现有净化技术在颗粒物等固态物污染治理方面不存在瓶颈，HEPA 技术已能实现高效净化，而HEPA+活性炭+光触媒3 种技术集成的效果略高于单一HEPA 技术，整体净化趋势类似HEPA 技术，均在1 小时内将空气从严重污染净化至等级“优”（0～35 μg/m3），净化效率均在97%以上。

图6 三组技术净化PM2.5 评测比对

根据室外雾霾污染程度来计算进入室内的空气固态污染物浓度降到一级空气品质（0～35 μg/m3）所需时间（min）如表1：

表1 不同室外雾霾污染降到一级空气品质所需时间（min）

消费者或楼宇物业管理人员可根据当天的空气品质情况，选择适宜的除霾技术和运行时间。

4.2 甲醛气体污染的净化实验

针对甲醛气体的净化技术评测实验，时间较长，每隔5 分钟筛选1 个数据汇总出折线图（图7），可以看出单独使用活性炭或光触媒技术只能将甲醛从0.40 mg/m3净化至0.15-0.18 mg/m3的程度，活性炭下降速率为0.153mg/h，光触媒为0.198 mg/h，是活性炭的1.3 倍，两者均不能净化至0.1 mg/m3以下；而HEPA+活性炭+光触媒集成技术能在两小时内净化至GB/T 18883《室内空气质量标准》中规定的0.1 mg/m3以下，能在8 小时内净化至稳定状态0.05 mg/m3以下。

图7 三组技术集成净化甲醛评测比对

根据室内装修污染程度来计算室内空气净化至国标以下（0.1 mg/m3）所需时间（min）如表2、3：

表2 活性炭和光触媒对室内污染净化效果

表3 HEPA+活性炭+光触媒对室内污染净化效果

从表2、3 可以看出，气态污染物在较高浓度的污染环境中净化速率比较快，而在日常生活的污染物低浓度（甲醛0.1 mg/m3左右）环境，净化效率只在40%～60%之间，而且采用单一技术基本不能净化至国家标准限值以下，因此，应根据室内装修情况和污染浓度采用相应的集成技术。

综合以上两种不同类型污染物的净化实验，在京津冀雾霾严重地区，HEPA 技术能快速过滤掉绝大多数的细颗粒物，而在HEPA 滤网之前先使用活性炭吸附进行中效过滤，既能实现高效过滤固态污染物又可以延长HEPA 滤网的使用时间。而在气态污染物处理方面，效率和耗时明显低于固态污染物，光触媒、活性炭等单一技术只在中高浓度污染环境中有效，低浓度环境中基本无效，但集成技术存在一定程度的效果叠加作用，能明显提高净化效率至89%左右，极大缩短了净化时间。

5 结论

现有空气净化技术评测多在环境舱内模拟研究，污染物释放浓度高，成分相对稳定单一，与实际污染环境偏离较大[2]。本项目研究的室内空气净化技术评测，所得的不同污染浓度下所需的净化时间，能够指引消费者需要根据自身家居污染情况选择适宜的净化技术产品，不必盲目选择过多的技术集成；对于科研人员，依托现有净化技术，加强提高气态污染物在低浓度污染环境中净化效率的研究，进一步做到普适性与专一性兼顾，完善相应的检测及治理技术。