空气净化器性能影响因素的数值模拟研究

龚国汉

（龙岩市食品药品认证审评和药品不良反应监测中心，福建 龙岩 364000）

0 引言

随着中国制造业的蓬勃发展，流感频发、雾霾严重等问题也逐渐暴露出来，直接威胁着民众的身体健康［1］。而大多数人每天有80%以上的时间会待在室内，这使得空气净化器的市场需求在急剧扩大［2］，今后有望成为必不可少的家电产品。

目前，市面上的空气净化器种类繁多，其采取的形式和布置对室内气流组织的分布有着显著影响，其净化性能也关系到人的呼吸质量。张欣等［3］基于5 种主流空气净化器的净化效率，提出空气净化器安装的气密性和室内气流组织是影响空气净化器净化效率的两个主要因素。肖沅芷［4］采用数值模拟法对5 种不同气流组织形式的空气净化器的净化性能进行分析，并指出“上回侧送”形式的空气净化器的净化效果最好。孙刚森［5］采用试验测试和数值模拟的方法，研究空调器流场对空气净化器循环气流场的影响，研究结果表明，净化器气流应与空调气流合理搭配，可形成循环气流，使用效果最佳。许钟麟等［6］将空气净化器的运行工况分为3 种，分别为试验工况、引入新风的循环工况和室内自循环工况，并将洁净空气量（CADR）作为空气净化器的评价指标，为了能够准确地反映出所有工况的净化能力，探讨3 种运行工况与CADR 的关系，并提出单位能耗的净化效能的性能评价指标。可见，越来越多的学者对空气净化器性能的影响因素及评价方法改进展开研究。

本研究以某型号的空气净化器为研究对象，采用数值模拟法来计算换气效率，并据此来评价空气新鲜程度，重点比较分析空气净化器摆放位置、档位和循环风扇风量等因素对净化性能的影响，为空气净化器的性能检测和使用及国家标准的修订和改进提供理论参考。

1 研究对象

本研究参照国家标准《空气净化器》（GB/T 18801—2015），将空气净化器置于30 m3标准试验舱内，如图1所示。试验舱尺寸为3.5 m×3.4 m×2.5 m，顶部悬吊有三叶搅拌风扇，靠近一角落悬吊有循环风扇，空气净化器摆放在高度为0.7 m、边长为0.7 m 的方桌上。该型号空气净化器的主要参数如表1所示。

表1 某型号空气净化器的主要参数

图1 30 m3标准试验舱三维模型

采用有限体积法来离散整个试验舱的计算区域，划分网格如图2所示，对空气净化器、搅拌风扇、循环风扇等部件区域进行局部加密，网格数量约为577万个。

图2 30 m3标准试验舱网格模型

2 数值模拟方法

2.1 基本假设

对30 m3的标准试验舱结构进行模拟研究，为减少计算难度及时间，模拟过程中做出如下假设：①标准试验舱内的流体介质处于不可压缩、非稳态流动的状态。②对搅拌风扇叶片、循环风扇及空气净化器等部件的细部复杂结构做了简化，并忽略其内部的发热（散热）作用。同时，由于温度低，忽略壁面的热辐射影响。③空气净化器开启时，空调送（回）风和搅拌风扇处于关停状态，且不考虑漏风的影响，标准试验舱处于完全封闭环境。④假设空气净化器的进（出）口为均匀边界条件。

2.2 数学模型

本研究所涉及的空气流动过程为连续相模拟，遵循质量、动量、能量3 个守恒方程，选取标准k-ε双方程湍流模型、压力-速度耦合SIMPLE算法来求解，空气净化器入口采用均匀速度的入口边界，空气净化器出口采用均匀压力的出口边界，循环风扇采用风扇边界，其循环风量由设置的压力值来实现控制，标准试验舱和各部件壳体采用无滑移的壁面边界。

2.3 评价方法

根据测量对象的不同，室内空气环境的评价指标也有所不同［7］，在考察空气新鲜程度时，多用空气龄（τ）和换气效率（η）来进行评价。

空气龄是指空气质点从进入房间至到达室内某点所经历的时间，是用来综合衡量房间的通风换气效果和评价室内空气品质的重要指标。空气龄反映了室内空气的新鲜程度，对于一个通风的房间，体平均空气龄越小，说明室内整体空气越新鲜。相应的，室内某一点的空气龄越小，说明该处的污染物浓度也越低。而换气效率是指新鲜空气置换原有空气的快慢与活塞通风下置换快慢的比值，其值越大，说明换气效果越好［8］，计算式见式（1）。

式中：τn是额定空气龄（s），其值等于V/Q净；V是实验舱的体积（30 m3）；，Q净是空气净化器的新风量；τp是平均空气龄（s），可由CFD模拟获得。

3 分析与讨论

3.1 摆放位置的影响

图3 给出了循环风扇关闭、空气净化器为第2档和新风朝向+Y时不同摆放位置的换气效率情况。从图3 可以看出，空气净化器的换气效率为52%～56%，当空气净化器距中心点1.2 m（位置3）时，换气效率最大，比处于中心点位置（位置1）时高2.9%，比距中心点0.6 m（位置2）时高3.8%。产生这种情况的原因可结合图4所示的3个中心截面气流组织分布情况进行解释，当空气净化器处于位置3 时，标准试验舱内的新风形成的涡流是大范围性的，在3 个方向都能延伸覆盖。但当空气净化器处于位置1 和位置2 时，是由多个局部涡流来置换新风，使得置换效果弱于位置3。由此可见，空气净化器的摆放位置对换气效果有较大的影响。

图3 不同摆放位置的换气效率

3.2 档位大小的影响

图5 给出了循环风扇关闭、空气净化器处于中心点和新风朝向+Y时不同档位大小的换气效率。从图5 可以看出，空气净化器的换气效率在53%左右，调节档位由第1档调到第3档，换气效率仅提升0.8%。由此可知，增大空气净化器的档位可提升换气效率，但提升效率较小。这是因为档位的变化对标准试验舱内的气流组织分布状态影响很小，仅是略微增强了湍流作用，整体气流组织分布与图4（a）相似。

图4 不同摆放位置典型截面的气流组织分布

图5 不同档位大小的换气效率

3.3 循环风扇风量的影响

图6 给出了空气净化器处于中心点、第2 档和新风朝向+Y时不同循环风扇风量（Q循）的换气效率情况。从图6 可以看出，随着Q循的增大，标准试验舱内的换气效率也随之增大。当Q循＜Q净时，Q循平均每增加100 m3/h，换气效率提升11.7%；当Q循＞Q净时，Q循平均每增加100 m3/h，换气效率提升21.7%。说明Q循对换气效率的影响作用十分明显，且Q循越大，影响越显著。同时，结果显示，当Q循=400 m3/h时，换气效率大于100%，说明空气净化器的新风量（档位）已不足以完全置换此时标准试验舱内的气流组织状态，换言之，在该设置参数下，空气净化器的使用效率将达到100%（不考虑自身的损失），而循环风扇将受到制约，实际循环风量小于400 m3/h。从模拟结果来看，当Q循≥1.55Q净时，换气效率大于100%，即可充分发挥空气净化器的净化性能。

图7给出了不同循环风量的3个中心截面气流组织分布情况。对比图7（a）和图7（b）可以看出，循环风扇的开启将完全改变标准试验舱内原有的气流组织，涡流的位置及形态也会发生变化，偏向于形成范围更大的涡流区，进而提升换气效率。对比图7（b）、7（c）和7（d）可以发现，在Q循＜1.55Q净时，随着Q循的增大，循环风扇对标准试验舱内气流组织状态的影响也逐渐增大，可形成范围更大、湍流速度更大的涡流区，进而提升换气效率。对比图7（d）和图7（e）可以发现，两种气流组织状态基本一致，但后者的湍流速度更大，从而加快后者对应的标准试验舱内置换时间，即减小了空气龄、提升了换气效率。

图7 不同循环风量典型截面的气流组织分布

4 结论

综上所述，通过数值模拟来分析空气净化器的摆放位置、档位大小和循环风扇风量等因素对30 m3标准试验舱内气流组织分布的影响，得出如下结论。

①用换气效率来评价空气净化器的性能，能更加直观地表示空气净化器新风置换室内原有空气的快慢。

②空气净化器的摆放位置对换气效果有较大的影响，档位大小能提升新风量，从而提高换气效果，但对换气效率的影响较小。

③加大循环风扇风量能够大幅提升换气效率，在循环风量大于空气净化器新风量的1.55倍时，可充分发挥空气净化器的性能。对此，在30 m3标准试验舱内检测空气净化器的净化指标时，为充分发挥其净化性能，建议循环风量应不低于1.55倍的空气净化器新风量。