空凈一體機送風速度、角度變化對凈化能力的影響研究

段吉如 趙 田

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

引言

室內氣候對人的工作行為有明顯的影響[1,2]，普通的空調難以凈化室內污染物，通常要配合空氣凈化裝置一起使用，趙宇[3]等提出一種可以安裝在既有空調上的空氣凈化裝置，能夠有效利用空調送風加速負離子擴散，從而降低室內的PM2.5和PM10等常見空氣污染物濃度。Zhang[4]等人采用實測與數值計算的方式，對空調器和空氣凈化器的聯合使用進行了研究。研究發現，空調與空氣凈化器的相對位置、運行方式、空調類型等因素對室內空氣的凈化有很大的影響，而從柵格中輸送出來的空氣更易于與便攜式空氣濾清器配合使用，以達到更好的潔凈效果。Cooper[5]等探討了便攜式空氣凈化器（PAP）的使用行為對室內PM2.5的影響情況，得出結論，PAP可以充分維持住宅建筑的室內PM2.5水平，在運行90 min后，平均可降低45 %左右。

但無論哪種方式都只能進行室內空氣流通，不能從外界引進新鮮空氣，Swamy[6]研究了空氣處理機在不同新風比下的去除室內CO2的效率，得出結論為必須引入超過50 %的新鮮空氣流量來維持凈化系統獲得的CO2濃度。

綜上所述，當前的研究主要集中在傳統空調器或空氣凈化器上，而在空凈一體機與新風系統聯合運行對室內空氣污染物的去除效果和熱舒適度的影響研究方面是不足的。為了探究空凈一體機與換氣系統聯合運行時空凈一體機的送風參數變化對室內污染物的影響，本文通過模擬卡式空凈一體機不同的送風速度、角度對室內PM2.5和CO2的凈化效果進行研究，最后分析出合適的空凈一體機運行參數，為今后空凈一體機與換氣系統的聯合運行提供依據。

1 實驗研究

為了驗證數學模型的準確性和完善物理模型的邊界條件，從而進行了本次實驗研究。

1.1 實驗臺介紹

本研究的實驗室環境艙依據空氣凈化器標準GB/T 18801-2015[7]搭建，具體實驗系統整體流程圖如圖1所示。

圖1 實驗內艙系統流程圖

由相關規范[8]可得室內最大冷負荷為2 160 W，選擇制冷量為2 600 W的某型號的空凈一體機，其送風仰角角度為（0～90）°，PM2.5去除率為99 %。按照辦公室相關規范[9]可得室內人數為4人，所需新風量為120 m3/h，選擇風量為500 / 500 / 320 m3/h的某型號的全熱交換器，帶有PM2.5過濾器，顯熱效率為75 /75 /81 %，用一個內置白熾燈泡表面為白色的圓形鐵筒模擬人體熱源。

在實驗外墻、外窗、內墻、地面和屋頂中心位置分別布置一個測點，用于檢測其溫度變化是否符合實驗要求，布置污染物測點如圖2所示，在室內對角線交叉線的1 / 2和中心處分別布置一個測點，即測點1、2。測點高度均為1.1 m（人體呼吸區位置）。

圖2 污染物測點布置圖

1.2 實驗內容

在空凈一體機為制冷/凈化模式、送風量為600 m3/h、送風角度65 °和全熱交換器風量為150 m3/h的條件下進行如表1所示的2組工況的實驗，分別測試出房間內的PM2.5濃度或者CO2濃度，間接計算出凈化時間，為之后的模擬提供邊界條件。由全熱交換器的換熱效率計算出被加熱的新風溫度為29 ℃，實驗所需的實驗條件如表2所示。

表1 實驗工況

表2 實驗條件

2 模擬研究

為了與實驗結果進行對比，需要先建立一個與實驗艙尺寸相同的小模型來驗證數值模擬的準確性，然后基于驗證過的數學模型進行拓展模擬研究，為了更貼合實際選擇吊頂式空凈一體機進行模擬，模擬房間比實驗房間更復雜。

2.1 模型的驗證研究

2.1.1 模型建立及邊界條件設置

1）物理模型

模型與實驗房間完全相同，對房間進行結構化網格劃分，空凈一體機送、回風口以及換氣系統的新、排風口這些位置處的網格進行局部加密，網格質量為0.9～1，質量很高。

2）數學模型

除遵守能量守恒方程和組分質量守恒方程外，數學模型的具體設置見表3。

表3 數學模型設置

3）邊界條件

具體設置見表4。

表4 模擬研究邊界條件

2.1.2 模擬準確性驗證

依據實驗測點設置模擬監測點，以測點1為例，將模擬和實驗得到的值繪制在圖3中。

圖3 實驗值和模擬值對比

對比兩種污染物濃度的模擬和實驗數據，進而得到模擬的誤差見表5。

表5 模擬濃度誤差分析

由圖3可以看出，在同樣的條件下，PM2.5和CO2濃度在實驗和模擬中隨時間變化的趨勢大致相同。PM2.5模擬值比實驗值下降的快，是因為回風口簡化成了光滑的平面，減小了氣流阻力，且在實驗中濾網上會附著有一定的PM2.5顆粒，凈化效率也相應減小。CO2實驗值比模擬值下降的快，是由于屋內并非完全封閉空間，CO2會通過門縫向室外泄露，且在實際實驗時新風口和排風口風速均在一定范圍內波動，風速的波動引起室內空氣擾動較大，進而排出更多的CO2。由表5誤差分析所示，在凈化的這段時間內，模擬與實驗的最大誤差均小于15 %，且平均誤差小于7 %，認為選擇的數學模型基本準確，可以用于之后的拓展模擬。

2.2 拓展模擬研究

前文所做的驗證模型與實驗艙保持一致，經驗證數學模型基本正確，可以拓展到更復雜的房間進行模擬，主要為了研究在更貼合實際的辦公室內卡式空凈一體機送風參數的變化對氣流組織的影響，從而確定較為合適的運行參數以加快室內污染物的凈化。

2.2.1 設備的確立

拓展模擬中微型辦公室面積為72 m2，層高為2.8 m，長寬比為2，經計算房間內的最大冷負荷為8640 W，選擇兩臺制冷量為5600 W的某型號卡式四出風空凈一體機，具體參數見表6。

表6 空凈一體機參數

由于模擬房間面積變化，室內容納人員增加為18人，新風量變為540 m3/h，重新選擇最小風量為550 m3/h的某型號的全熱交換器，小風量制冷時的全熱交換效率為70 %，計算得新風口溫度為28.37 ℃。模擬時送風方式為上送上排，擬定新風風速為1.5 m/s，新風口面積為0.1 m2，選擇320 mm×320 mm新排風口。

2.2.2 拓展模型建立及邊界條件設置

1）物理模型

在拓展模擬時對物理模型進行如下簡化：

①送、新風口作為一個簡單的矩形開口，回、排風口處理為光滑平面；

②僅考慮室內人體散熱，每個長方體代表3個人的熱流密度；

③新風中的 PM2.5濃度和CO2濃度設置為定值，假設室內污染物已達到最大值，且在室內均勻分布。

物理模型如圖4所示，對房間進行結構化網格劃分，網格質量為1，質量較高可用于進行模擬計算。

圖4 拓展模擬物理模型

2）數學模型

對于數學模型已經驗證過，雖然建立的模型空間較小但模型基本準確，可按由實驗驗證的模型進行設置。

3）邊界條件

結合模擬環境，給出拓展模擬邊界條件如表7。

表7 拓展模擬邊界條件

2.2.3 拓展模擬工況及測點確定

為了研究空凈一體機參數對室內污染物的影響，將送風溫度和濕度等條件設為固定，確定送風速度、角度作為拓展模擬的影響因子，研究工況如表8所示。

表8 模擬工況

模擬時因需要實時監測室內人體呼吸區數值同樣在人體坐姿1.1 m高度處布置測點，共如圖5所示18個測點。

圖5 拓展模擬測點布置圖

2.3 拓展模擬結果分析

2.3.1 送風速度和送風角度對PM2.5凈化時間的影響

將模擬工況下得到的PM2.5平均凈化時間列于圖6中。

圖6 不同送風速度和角度下室內PM2.5凈化時間

由圖6可知無論送風速度如何，隨著送風角度的增大，潔凈空氣越容易送到人體呼吸區，凈化時間越短，但凈化時間變化率也減小；無論送風角度如何，隨著送風速度的增大，凈化時間變短，凈化時間變化率也變小。將送風速度和送風角度單獨變化時凈化時間的變化量列于表9中，從表9凈化時間的變化量可看出送風角度對PM2.5凈化時間的影響大于送風速度，尤其當送風角度為13 °時，無論在何種送風速度下，凈化時間都在40 min以上。畫出V= 1.67，α= 13 °，T= 20 min時的流線圖如圖7。

表9 送風速度或送風角度變化時PM2.5凈化時間的變化量（min）

圖7 在T=20 min，Z=1.1 m截面時小風速、送風角度為13 °時的流線圖

從表9可以明顯看出無論送風速度如何，都是送風角度從13 °變為39 °時凈化時間的變化量最大；無論送風角度如何，都是小風速變為中風速時的變化量最大，以角度變化時的最小變化量20.44 m/s和風速變化時的最大變化量6.73 m/s為例，可以看出在小角度變為中角度時，送風角度對PM2.5凈化時間的影響是送風速度的3倍左右，所以在室內有需要快速降低污染物濃度的需要時，應優先考慮改變空凈一體機的送風角度。

由圖7可以看出此時在呼吸區存在較多的渦流區，主要原因是13 °出風時的水平動量最大，與墻壁或新風碰撞后容易受出口射流的卷吸從而產生渦流區，使潔凈空氣的擴散受到限制，從而導致凈化時間最長。

綜上所述在室內PM2.5濃度較大時適宜的送風角度≥ 39 °。且由文獻[10]知送風量并不是越大越好，在凈化效率不變的條件下，不斷提高運行風量凈化效果的提升作用也不再顯著。建議在室內污染物濃度較低時空凈一體機使用小角度、中風速運行；污染物濃度較高時采用中角度、中風速運行；污染物濃度很高，需要快速降低濃度且可忽略人體舒適度時采用大角度、大風速運行，但在濃度降低到一定程度后時應盡快改為中、小角度。

2.3.2 送風速度和送風角度對CO2稀釋時間的影響

將模擬工況的CO2平均稀釋時間變化情況繪制在圖8中。為更準確地比較送風速度和角度對CO2稀釋時間影響的區別，將CO2稀釋時間的變化量列于表10中。

表10 送風速度或送風角度變化時CO2稀釋時間的變化量（min）

圖8 空凈一體機不同送風量和送風角度下CO2稀釋時間

從圖8和表10可以看出，送風速度對CO2稀釋時間的影響較小，僅在送風角度為39 °、風速由小風速變為中風速時影響稍大，其他情況均為送風角度變化比送風速度變化對CO2稀釋時間的影響大。且無論何種送風速度下α= 13 °和65 °時，CO2的平均稀釋時間接近，并且都比α= 39 °的值低。

主要因為換氣系統是CO2稀釋的主要途徑，空凈一體機主要靠不同的送風角度對新風擴散程度起作用從而對凈化時間產生影響，仰角過大和過小時對新風的擾動作用比較大，中角度的影響較小，這也與前文α= 39 °時室內污染物濃度分布最為均勻的結論一致。為更好地分析α= 39 °時的濃度情況，以運行時間為T= 50 min、小風速時平面的CO2濃度場進行分析，具體如圖9所示。

圖9 CO2濃度云圖

從圖9（a）看出此時房間內的CO2濃度分布較不均勻，在房間中部CO2濃度較低，新風口處最低，右側濃度較高，右下方存在局部濃度最高區域，為了更準確地解釋這一現象出現的原因，觀察相同條件下Z= 2.8 m平面上的CO2濃度場如圖9（b），可以看出潔凈的空氣從房間頂部的新風口送出，與空凈一體機產生的氣流交叉碰撞后使潔凈空氣向上下兩側移動，導致房間中部的CO2濃度較低，但也由于新風擴散的局限性導致房間右側幾乎沒有新風流入，所以房間右側只在空凈一體機8號送風口產生渦流區的位置濃度稍低，其他部分濃度最高。

綜上所述在室內CO2濃度較大時適宜較大或較小的送風角度，此時對室內的氣流擾動較大，可加快CO2的稀釋時間。

綜合對PM2.5凈化時間和CO2稀釋時間的影響分析，可知送風角度對室內凈化效果的影響比較大，PM2.5凈化最合適的送風角度為≥ 39 °，但39 °卻是CO2稀釋的最不適角度。綜合考慮在室內同時有PM2.5和CO2凈化需求時采用＞ 39 °的送風角度，室內CO2濃度較低但PM2.5濃度較高時采用39 °，兩者濃度都較低時可采用小角度小風速運行。

3 結論

1）對PM2.5凈化時間的影響送風角度大于送風速度，且從小角度變為中角度時凈化時間的變化量最大。室內有需要快速降低污染物濃度的需要時，應優先考慮改變空凈一體機的送風角度，對于室內CO2的稀釋亦是如此。

2）仰角過大和過小時對新風的擾動作用比較大，中角度時的影響較小，導致中角度運行時室內PM2.5凈化較快且均勻但CO2稀釋時間較長，故在室內同時有PM2.5和CO2凈化需求時采用送風角度大角度，室內CO2濃度較低但PM2.5濃度較高時采用中角度，兩者濃度都較低時可采用小角度小風速運行。