空气净化器颗粒物净化能效测量结果不确定度评定研究

李泽文

摘 要：根据《空气净化器》（GB/T 18801—2015）中颗粒物净化能效的测定方法，分析净化能效测量时影响不确定度的各种因素，并借助CLJ-E3016激光尘埃粒子计数器、DDP-100激光尘埃粒子稀释器，通过测量试验对净化能效测量结果的不确定度进行详细评定。结果表明，对测量结果产生较大影响的主要是仪器的示值误差和流量误差所引入的不确定度，本次评定结果可为提高检测结果的准确性提供理论参考。

关键词：空气净化器;净化能效;不确定度评定

中图分类号：X513   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）6-0121-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.028

Uncertainty Evaluation of Measurement Results of PM Cleaning Energy Efficiency of the Air Cleaner

LI Zewen

（Institute of Quality Inspection for Products， Longyan 364000，China）

Abstract：According to the determination method of PM cleaning energy efficiency in air cleaner （GB/T 18801—2015），the factors influencing uncertainty in cleaning energy efficiency measurement were analyzed.Through measurement test，the measurement results uncertainty of the cleaning energy efficiency were detailedly evaluated by means of CLJ-E3016 laser particle counter and DDP-100 laser dust particle dilutor.The results show that the uncertainties which came from indication error and flow error of the instrument had an important impact on the measurement.The evaluation results could provide a theoretical reference for improving the accuracy of the test results.

Keywords： air cleaner;cleaning energy efficiency;uncertainty evaluation

0 引言

近年来，人们的生活水平不断提高，我国大气环境中PM2.5浓度也明显下降，但室内环境空气质量却未得到明显改善。随着室内环境污染物的逐渐增多，人们开始关注室内空气质量[1]。在室内环境污染物中，颗粒物已成为室内环境中的主要污染物之一，与人体健康息息相关[2]。不同粒径的颗粒物对人体健康的影响也不尽相同，粒径越小，对人体产生的危害也越大;粒径在100 μm以上颗粒物因漂浮时间短，沉降快，不容易对人体产生影响;粒径在100 μm以下颗粒物可长期飘浮在空气中，对环境能见度及人体呼吸系统产生一定影响;粒径在10 μm以下颗粒物可直接进入呼吸系统，易诱发呼吸系统疾病;粒径在2.5 μm以下颗粒物可直接进入肺泡，造成严重的肺部损伤;粒径在1 μm以下颗粒物可通过肺泡进入人体血液循环系统，易诱发血栓、高血压、心脑血管等疾病，且容易增加患肺癌的风险，对人体健康产生严重危害[3]。

空气净化器作为有效去除室内颗粒物、改善室内空气质量的有力产品，被广泛应用于居家、医疗、工业、商业等多个领域[4]。该产品起到有效改善空气质量、保护人体健康的重要作用，近年来备受消费者的青睐。目前，空气净化器产品虽然发展迅速，但消费市场中品种繁多，产品质量也参差不齐[5]。在衡量该产品质量的性能参数中，净化能效是空气净化器提供洁净空气的能力体现，是表征空气净化器在额定状态下对颗粒物净化效率的重要参数，同时也是评价该产品质量性能优劣的重要指标[6-8]。本研究根据《空气净化器》（GB/T 18801—2015）产品标准要求，从试验全过程对影响空气净化器颗粒物净化能效测量结果的不确定度各种因素进行分析，并按照《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）要求，对测量结果进行准确、系统地不确定度评定，以提高检测结果的准确性，为空气净化器颗粒物净化能效测量提供理论参考。

1 试验方法

1.1 试验目的、依据

①试验目的：对空气净化器颗粒物净化能效测量结果进行不确定度评定。

②试验依据：《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）;《空气净化器》（GB/T 18801—2015）。

1.2 试验对象、环境

①试验对象：空气净化器样机一台。

②试验环境：试验温度为（25±2）℃;试验湿度为50%±10%。

1.3 试验仪器

①CLJ-E3016激光塵埃粒子计数器：示值误差为7.9%;流量误差为2.7%;重复性误差为1.4%。

②DDP-100激光尘埃粒子稀释器：对最终测量结果不产生影响。

③HC-Y-1正压法颗粒物发生装置：对最终测量结果不产生影响。

④30 m3环境试验舱：试验温度应控制在（25±2）℃;试验湿度应控制在50%±10%。

⑤AN1640B安全性能综合分析仪：示值误差为±（0.1%×读数+0.1%×量程）。

1.4 试验步骤

按照《空气净化器》（GB/T 18801—2015）的试验方法要求进行试验，具体试验步骤如下。

①输入功率测试。将待试验空气净化器样机与AN1640B安全性能综合分析仪连接，调试样机至试验额定状态下稳定运行≥30 min，测量功率变化<1%，直接读取测量值为额定功率。

②样机调试。将待试验空气净化器样机放置于30 m3环境试验舱内，调试样机至试验额定状态，检查运转正常，关闭样机。

③采样点布置。采样点应避开进出风口，离墙壁距离>0.5 m，离舱地高度0.5～1.5 m，通过特氟龙软管与DDP-100激光尘埃粒子稀释器连接，颗粒物经稀释后进入CLJ-E3016激光尘埃粒子计数器。

④试验舱净化。开启空气过滤器，净化试验舱空气，使颗粒物粒径0.3 μm以上粒子背景浓度<1 000个/L，启动恒温恒湿控制装置，使舱内温度控制在（25±2）℃，湿度控制在50%±10%。

⑤标准颗粒物输送。关闭空气过滤器，开启搅拌风扇和循环风扇，用HC-Y-1正压法颗粒物发生装置将一定量的标准颗粒物输送到试验舱内，关闭输送管阀门，搅拌风扇再搅拌10 min后关闭，循环风扇始终保持开启。

⑥自然衰减测试。用CLJ-E3016激光尘埃粒子计数器测试颗粒物初始浓度c0，保证试验开始时0.3 μm以上颗粒物浓度为2×106～2×107个/L，对应时间为t=0 min，每2 min测试并记录一次颗粒物浓度，连续测试20 min。

⑦总衰减测试。自然衰减测试结束后，开启样机至额定状态，开启时刻为t=0 min，每2 min测试并记录一次颗粒物浓度，连续测试20 min。

2 颗粒物净化能效测量结果不确定度评定

2.1 数学模型

[η=QP]        （1）

式中：η为净化能效，m3/（W·h）;Q为洁净空气量，m3/h;P为输入功率，W。

[Q=60×（ke-kn）×V]     （2）

式中：Q为洁净空气量，m3/h;ke为总衰减常数，min-1;kn为自然衰减常数，min-1;V为试验舱容积，30 m3。

2.2 测量不确定度来源分析

根据测量过程的数学模型及不确定度的传播规律对测量不确定度进行评定。结合数学模型和试验条件，本次试验考虑的不确定度来源及评定方法见表1，方案按照《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）要求执行。

2.3 标准不确定度分量评定

2.3.1 自然衰减常数kn的测量不确定度评定。

2.3.1.1 重复性测量引入的相对标准不确定度分量。[uknr]不确定度分量采用A类评定方法评定，在相同试验条件下，进行自然衰减常数试验，通过10次独立测量得到kn（min-1）分别为：0.005 1，0.004 5，0.005 4，0.005 6，0.005 4，0.005 3，0.005 1，0.004 9，0.004 9，0.005 5，平均值为0.005 17。

标准不确定度：.

[ukn=110-1i=110（kni-kn）2=0.000 34 min-1]

相对标准不确定度：[uknr=uknkn=0.066]

2.3.1.2 CLJ-E3016激光尘埃粒子计数器引入的相对标准不确定度分量uB。uB不确定度分量采用B类评定方法评定，具体如下。

①仪器示值误差为7.9%，服从均匀分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相对标准不确定度：

[uB1=7.9%3=0.046]

②仪器流量误差为2.7%，服从均匀分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相对标准不确定度：[uB2=2.7%3=0.016]

③仪器重复性误差为1.4%，服从正态分布，包含因子[k=1.96]。

相对标准不确定度：[uB3=1.4%1.96=0.007]

2.3.1.3 合成自然衰减常数kn标准不确定度uckn。各相对不确定度分量[uknr]、[uB1]、[uB2]和[uB3]互不相关。

[ucknr=uknr2+uB12+uB22+uB32=0.082]

[uckn=ucknr×kn=0.000 43 min-1]

2.3.2 总衰减常数ke的测量不确定度评定。

2.3.2.1 重复性测量引入的相对标准不确定度分量[uker]。[uker]不确定度分量采用A类评定方法评定，在相同试验条件下进行总衰减常数试验，通过10次独立测量得到ke（min-1）分别为：0.108 8，0.108 1，0.108 5，0.106 9，0.107 7，0.109 7，0.107 8，0.107 8，0.108 0，0.106 7，平均值为0.108 0。

标准不确定度：

[uke=110-1i=110（kei-ke）2=0.000 87 min-1]

相對标准不确定度：[uker=ukeke=0.008 1]

2.3.2.2 CLJ-E3016激光尘埃粒子计数器引入的相对标准不确定度分量uB。uB不确定度分量采用B类评定方法评定，具体如下。

①仪器示值误差为7.9%，服从均匀分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相对标准不确定度：[uB1=7.9%3=0.046]

②仪器流量误差为2.7%，服从均匀分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

相对标准不确定度：[uB2=2.7%3=0.016]

③仪器重复性误差为1.4%，服从正态分布，包含因子[k=1.96]。

相对标准不确定度：[uB3=1.4%1.96=0.007]

2.3.2.3 合成总衰减常数ke标准不确定度[ucke]。各相对不确定度分量[uker]、[uB1]、[uB2]和[uB3]互不相关。

[ucker=uker2+uB12+uB22+uB32=0.050]

[ucke=ucker×ke=0.005 4 min-1]

2.3.3 输入功率P的测量不确定度评定。

2.3.3.1 重复性测量引入的标准不确定度分量up。up不确定度分量采用A类评定方法评定，在相同试验条件下进行输入功率试验，通过10次独立测量得到P值（W）分别为：21.6，21.6，21.5，21.6，21.5，21.4，21.5，21.5，21.4，21.4，平均值为21.5。

标准不确定度：

[uP=110-1i=110（Pi-P）2=0.082 W]

2.3.3.2 AN1640B安全性能综合分析仪引入的标准不确定度分量uB。uB不确定度分量采用B类评定方法評定，具体如下。

仪器示值误差为±0.071 5 W（仪器量程50 W），服从均匀分布（矩形分布），包含因子[k=3]。

标准不确定度：[uB4=0.071 53=0.041 W]

2.3.3.3 合成输入功率P标准不确定度ucP。各不确定度分量up和[uB4]互不相关。

[ucP=uP2+uB42=0.092 W]

2.4 合成标准不确定度评定

数学模型：

[η=QP=60×（ke-kn）×VP=1 800×（ke-kn）P]

式中：V为试验舱容积，30 m3。因标准不确定度分量uckn、ucke、ucP互不相关，并将实际数据代入得合成标准不确定度：

[uc=∂η∂ke2u2cke+∂η∂kn2u2ckn+∂η∂P2u2cP=0.455 m3/（W·h）]

式中，灵敏系数：

[∂η∂ke=1 800P，∂η∂kn=-1 800P，]

[∂η∂P=-1 800（ke-kn）P2]

2.5 扩展不确定度评定

取置信概率p=95%，包含因子k=2，即可得扩展不确定度U95，如下：

[U95=kuc=2×0.455=0.91 m3/（W·h）]

2.6 测量结果不确定度报告

本次评定条件下扩展不确定度U95=0.91 m3/（W·h），包含因子k=2，即可得颗粒物净化能效测量结果为η=（8.61±0.91） m3/（W·h），k=2。

3 结语

根据本次不确定度评定结果可以看出，对空气净化器颗粒物净化能效测量时，对测量结果产生较大影响的主要是仪器的示值误差和流量误差所引入的不确定度，其次是重复性测量误差和仪器重复性误差所引入的不确定度。因此，在日常检验工作中，应加强对仪器的定期检定和校准，做好重要仪器的期间核查，并根据《空气净化器》（GB/T 18801—2015）中试验方法要求，严格按照操作规程进行试验。同时，可通过内部质控和外部质控等比对方式，确保检测结果的准确性。本次对空气净化器颗粒物净化能效测量的不确定度评定结果为η=（8.61±0.91）m3/（W·h），k=2。

参考文献：

[1] 胡月琪，王琛，邬晓东，等.固定源细颗粒物监测技术现状分析与思考[J].环境科技，2016，29（1）：69-74.

[2] 赵爽，朱焰，张晓，等.GB/T 18801—2015《空气净化器》国家标准修订若干关键技术研究[J].家电科技，2022（1）：32-36.

[3] 常鲁楠，左双全，孙志辰，等.空气净化器室内除尘能力分析[J].日用电器，2020（2）：22-27.

[4] 杨焯靖，周梦然，贺雷，等.影响空气净化器颗粒物洁净空气量因素研究[J].日用电器，2021（3）：27-30，46.

[5] 孟凡超，张珺穜，肖军，等.空气净化器适配型滤芯颗粒物净化性能研究[J].绿色科技，2019（10）：147-149.

[6] 王耿鸿，丁年平，王春，等.不同实验因素对颗粒物洁净空气量的影响[J].轻工科技，2016，32（6）：119-120.

[7] 杨秀峰，夏利梅，周雪涵.空气净化器性能的实测与分析[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版）.2019，51（5）：757-762.

[8] 束亮亮，姜耀鹏，刘育太.空气净化器洁净空气量测试结果评价分析[J].清洗世界，2020，36（3）：11-17.