风口形式和位置对空气净化器作用的影响研究

张心雨，孙丽颖，顾 璇,崔爱莲

(1.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001；2.吉林白城兵器试验中心, 吉林 白城 137001)

冬季东北地区出于采暖节能的考虑，门窗密闭性通常较好，当室内家具和地板等散发污染物时，会进一步恶化室内空气质量.解决室内污染、改善空气品质的措施主要有控制污染源、通风与室内净化三种基本方法[1-2].在门窗紧闭的居室空间，采用便携式空气净化器来降低室内污染是一种很好的选择[3-4].空气净化器是一种净化室内空气的设备，它可以过滤掉室内的部分污染物，有效的降低PM2.5、甲醛等室内污染物.

目前，国内外已有不少学者在空气净化器的净化效果上做了大量研究.李擎[5]针对典型的办公环境，分析了空气净化器气流组织对室内污染物去除的影响，结果表明，空气净化器的位置和送风角度对空气净化器的净化效果有很大影响.韩星星[6]等人研究了空气净化器和空调器联合作用时，不同空调器的送风角度对空气净化器净化效果的影响，并给出了空调器的最佳送风角度.Akbari[7]等人研究了不同通风形式下空气净化器对气体污染物的去除效果，结果表明，当室内存在通风系统时，空气净化器的位置是影响室内气流组织的主要影响因素.Kwang-Chui Noh[8]等人针对一个小教室，评估了空气净化器和通风系统的洁净空气输出量和经济性.结果表明，空气净化器的洁净空气输出量更高，经济性也更好.

前人对不同通风形式下空气净化器的净化效果做了大量研究，但对供暖房间使用空气净化器时的污染物分布研究相对较少,本文在已有研究的基础上，对采用辐射供暖的房间使用空气净化器时的污染物分布进行模拟与分析,研究风口形式和净化器的摆放位置对净化器作用效果的影响，进而对空气净化器的使用和设计给出建议.

1 数学物理模型

1.1 物理模型

本文以东北地区的某典型卧室为研究对象，卧室的长×宽×高为4.5 m×3.6 m×2.7 m.卧室只有一面外墙，其余布置如图1所示.房间采用辐射地板采暖，地板的表面温度为26 ℃，外墙的热流密度为60 W/m2，房间内无其他热源，其余各壁面均为绝热壁面.根据GB/T18801-2015《空气净化器》标准中的规定[9]，空气净化器的循环风量与房间的面积有关，循环风量设为324 m3/h.选择甲醛作为室内气体污染物，空气净化器对甲醛的单次净化效率为0.5[10].根据李志生等人测量的实验数据[10-11]，当甲醛从地板表面挥发时，挥发速率设为2.7×10-6g/s.

1—门；2—衣柜；3—空气净化器；4—床；5—窗；6—床头柜

1.2 数学模型

本文选用RNGk-ε湍流模型和DO辐射模型对室内空气流动进行模拟.假设室内流场为常温、低速、不可压缩的定常流动，符合Boussinesq假设，并且是自然对流、强迫对流和辐射换热都存在的湍流流动.求解的控制方程如式(1)所示[13-14].

(1)

对式(1)采用SIMPLE算法求解，采用六面体非结构化网格，对风口处气流变化比较剧烈的地方进行部加密，网格数量为4×105左右.

2 实验验证

为了验证所选取的RNGk-ε湍流模型和DO辐射模型的可靠性，本文利用文献[15]中的实验数据进行了数值模拟模型的实验验证.

该实验在大连理工大学的人工环境实验室完成，实验模拟了一个办公室的环境，该办公室的布置如图2所示.

1—桌子；2—电脑；3—空气净化器；4—人；5—日光灯；6—房间空调器

实验时在室内水平面上均匀地选取21个测试位置，每个位置不同高度上选取6个测点，测试位置如图3所示.每个测点测试15 min，以保证所测温度和速度是在室内稳定工况下得到的.

图3 实验各测试位置

位置7在人员的工作区域，位置20在空调送风口附近.对比这2个具有代表性位置的空气流速、温度模拟值和实测值如图4所示.

图4 两个典型位置实验与模拟对比

由图4可以看出，模拟值与测试值吻合较好.由于空气净化器斜向上送风，位置7受空气净化器送风的影响较大，在Z=2 m处速度明显变大.位置20靠近空调器送风口，低温射流对此处的影响较大，送风气流速度高，温度低，因此Z=1.3 m附近风速较高而温度较低.

通过比较2个典型位置速度、温度的模拟值和实验值，可以推断出房间整个气流场和温度场的模拟与实验结果一致.对比结果表明，采用RNGk-ε湍流模型和DO辐射模型可以较为准确的预测空气净化器使用时室内的气流场和温度场.

3 不同风口形式对空气净化器净化效果的影响

目前空气净化器常用的风口形式有百叶风口和旋流风口两种,本文将对这两种风口采用不同送风射流角度时的净化效果进行模拟分析.

3.1 百叶风口射流角度对空气净化器净化效果的影响

百叶风口射流角度的定义如图5所示，常用的风口角度在-45°～45°之间，故选择45°、30°、15°、10°、5°、0°、-5°、-10°、-15°、-30°、-45°共11个射流角度进行模拟.角度为0°时的送风气流迹线模拟结果如图6所示.

1—床；2—空气净化器

图6 射流角度为0°时送风气流迹线图

由图6可以看出，由于外墙温度较低，空气从送风口送出后，在房间上方的大部分空气流向外墙，小部分空气流向内墙.根据ASHRAE的标准，选取离墙600 mm，离地75～1 800 mm之间的区域为呼吸区，百叶风口采用不同射流角度时的净化效果如图7所示.

图7 百叶风口各角度净化效果

从图7(A)中可以看出，不同风口射流角度的空气龄和换气效率变化很大，在射流角度由-45°增加到45°的过程中，平均空气龄先增大后减小，在-10°左右达到最大值，而后开始急剧较小，0°时空气龄最低，而后空气龄又开始增加，在15°时又达到一个峰值.换气效率呈现出相同的规律，从送风有效性看，百叶风口空气净化器的送风角度处于-5°～10°较为适宜.

从图7(B)中可以看出，当角度从-45°～-5°变化时，污染物体积分数逐渐增加，在从-5°～15°时，污染物体积分数逐渐减小，在30°、45°时，又恢复到一个较高水平，污染物最低的体积分数在15°附近.房间的平均排污效率随着角度的增加，先减小而后增大，再减小，平均排污效率较高的角度集中在0～15°之间，且射流角度为10°时平均排污效率最高.从污染物去除有效性来看，较好的射流角度为0～15°.

综上所述，从送风有效性来看，送风角度偏离竖直方向越小，风口的射流受天花板的影响衰减就越小，气流组织就越合理.对污染物的去除而言，呼吸区污染物的体积分数较低和排污效率较高的角度在0～15°之间.因此，对于百叶风口，综合送风有效性和污染物去除有效性来看，较适宜的送风射流角度为0～10°之间.

3.2 旋流风口角度对空气净化器净化效果的影响

旋流风口的实物如图8所示，旋流风口旋流角度的定义如图9所示，常用的旋流角度为15°～75°之间，故选取旋流角度为15°、30°、45°、60°、75°五个角度来进行模拟.

图8 旋流风口实物图

图9 旋流风口角度示意图

旋流风口的角度在Airpak中可以通过设置切向速度和轴向速度比值大小来实现[16].旋流角度越大，风口射流方向与顶棚的夹角越小.旋流角度为45°时的送风气流迹线模拟结果如图10所示.

图10 旋流角度为45°时送风气流迹线图

相比于直流百叶风口，在一定的旋流角度内，旋流风口气流在向上流动时，与周围空气的对流效果更强.不同旋流角度空气净化器的净化效果如图11所示.

图11 不同旋流角度空气净化器的净化效果

从图11(A)中可以看出，旋流角度从15°变化到45°时，房间的空气龄越来越小；从45°变化到75°时，呼吸区的空气龄开始增加，且增加的幅度较大，旋流角度为45°时，房间的空气龄最小，换气效率最高.从空气龄和通风效率可以看出，15°～60°的旋流角度都能实现较高的换气效率.

从图11(B)中可以看出，旋流角度从15°变化到45°时甲醛体积分数较低，排污效率较高.旋流角度为30°时室内平均排污效率最高，旋流角度为45°时，呼吸区的排污效率最高.综合呼吸区空气龄、呼吸区体积分数和排污效率来看，较适宜的旋流角度为30°～45°.

因此，对于旋流风口，综合送风有效性和污染物去除有效性来看，较适宜的旋流角度为30°～45°之间.

4 不同摆放位置对空气净化器净化效果的影响

通过对两种类型风口的比较可以看出，旋流角度为45°的旋流风口作用效果更好，本节以该角度的旋流风口为例，探究空气净化器摆放位置对其作用效果的影响，选取的4个摆放位置如图12所示.位置1是床的中间位置，此处可以使房间内外侧空气有很好的流动；位置2在墙角处；位置3处于左右墙中间，床和外墙中间；位置4位于橱柜和床中间，此处较容易引起污染物堆积.

图12 空气净化器的摆放位置

四种不同摆放位置时的室内空气流动迹线如图13所示.

图13 不同摆放位置时送风气流迹线图

从图13可以看出，空气净化器位于位置1和位置4时，即空气净化器位于较靠近内墙的位置处，旋流风口的射流先到达天花板，在天花板上均匀散布后，贴附四周的墙壁向下流动.空气净化器位于位置2和位置3时，旋流风口射流先到达天花板后，一部分贴外墙回流，另一部分也很快回到底部区域，贴地板向内墙侧流动，整体来看，位置1和位置4的房间气流分布效果更好.不同摆放位置时空气净化器的净化效果如表1、2所示.从表1、2中可以看出，位置4在换气效率、空气龄、污染物体积分数、排污效率上均有明显优势，因此，位置4是对比的摆放位置中最适宜的.

表1 不同摆放位置呼吸区空气龄和换气效率

表2 不同摆放位置呼吸区甲醛体积分数和排污效率

5 结 论

本文以东北某卧室为研究对象，模拟了室内空气净化器使用时的室内气流组织和污染物体积分数分布，研究结果表明：

1)当采用百叶风口时，综合送风有效性和污染物去除有效性来看，百叶风口的射流角度为0～10°时可以使空气净化器有更好的作用效果.

2)当采用旋流风口时，综合送风有效性和污染物去除有效性来看，较适宜的风口旋流角度为30°～45°之间.

3)当地板为污染源时，不同空气净化器摆放位置对空气净化器的作用效果影响较大，靠近内墙的不良通风区域会有大量污染物堆积空气净化器放在此处会有利于污染物的去除.因此，建议空气净化器摆放在靠近内墙且通风不良的墙角区域.