空净一体机送风速度、角度变化对净化能力的影响研究

段吉如 赵 田

（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134）

引言

室内气候对人的工作行为有明显的影响[1,2]，普通的空调难以净化室内污染物，通常要配合空气净化装置一起使用，赵宇[3]等提出一种可以安装在既有空调上的空气净化装置，能够有效利用空调送风加速负离子扩散，从而降低室内的PM2.5和PM10等常见空气污染物浓度。Zhang[4]等人采用实测与数值计算的方式，对空调器和空气净化器的联合使用进行了研究。研究发现，空调与空气净化器的相对位置、运行方式、空调类型等因素对室内空气的净化有很大的影响，而从栅格中输送出来的空气更易于与便携式空气滤清器配合使用，以达到更好的洁净效果。Cooper[5]等探讨了便携式空气净化器（PAP）的使用行为对室内PM2.5的影响情况，得出结论，PAP可以充分维持住宅建筑的室内PM2.5水平，在运行90 min后，平均可降低45 %左右。

但无论哪种方式都只能进行室内空气流通，不能从外界引进新鲜空气，Swamy[6]研究了空气处理机在不同新风比下的去除室内CO2的效率，得出结论为必须引入超过50 %的新鲜空气流量来维持净化系统获得的CO2浓度。

综上所述，当前的研究主要集中在传统空调器或空气净化器上，而在空净一体机与新风系统联合运行对室内空气污染物的去除效果和热舒适度的影响研究方面是不足的。为了探究空净一体机与换气系统联合运行时空净一体机的送风参数变化对室内污染物的影响，本文通过模拟卡式空净一体机不同的送风速度、角度对室内PM2.5和CO2的净化效果进行研究，最后分析出合适的空净一体机运行参数，为今后空净一体机与换气系统的联合运行提供依据。

1 实验研究

为了验证数学模型的准确性和完善物理模型的边界条件，从而进行了本次实验研究。

1.1 实验台介绍

本研究的实验室环境舱依据空气净化器标准GB/T 18801-2015[7]搭建，具体实验系统整体流程图如图1所示。

图1 实验内舱系统流程图

由相关规范[8]可得室内最大冷负荷为2 160 W，选择制冷量为2 600 W的某型号的空净一体机，其送风仰角角度为（0～90）°，PM2.5去除率为99 %。按照办公室相关规范[9]可得室内人数为4人，所需新风量为120 m³/h，选择风量为500 / 500 / 320 m3/h的某型号的全热交换器，带有PM2.5过滤器，显热效率为75 /75 /81 %，用一个内置白炽灯泡表面为白色的圆形铁筒模拟人体热源。

在实验外墙、外窗、内墙、地面和屋顶中心位置分别布置一个测点，用于检测其温度变化是否符合实验要求，布置污染物测点如图2所示，在室内对角线交叉线的1 / 2和中心处分别布置一个测点，即测点1、2。测点高度均为1.1 m（人体呼吸区位置）。

图2 污染物测点布置图

1.2 实验内容

在空净一体机为制冷/净化模式、送风量为600 m³/h、送风角度65 °和全热交换器风量为150 m³/h的条件下进行如表1所示的2组工况的实验，分别测试出房间内的PM2.5浓度或者CO2浓度，间接计算出净化时间，为之后的模拟提供边界条件。由全热交换器的换热效率计算出被加热的新风温度为29 ℃，实验所需的实验条件如表2所示。

表1 实验工况

表2 实验条件

2 模拟研究

为了与实验结果进行对比，需要先建立一个与实验舱尺寸相同的小模型来验证数值模拟的准确性，然后基于验证过的数学模型进行拓展模拟研究，为了更贴合实际选择吊顶式空净一体机进行模拟，模拟房间比实验房间更复杂。

2.1 模型的验证研究

2.1.1 模型建立及边界条件设置

1）物理模型

模型与实验房间完全相同，对房间进行结构化网格划分，空净一体机送、回风口以及换气系统的新、排风口这些位置处的网格进行局部加密，网格质量为0.9～1，质量很高。

2）数学模型

除遵守能量守恒方程和组分质量守恒方程外，数学模型的具体设置见表3。

表3 数学模型设置

3）边界条件

具体设置见表4。

表4 模拟研究边界条件

2.1.2 模拟准确性验证

依据实验测点设置模拟监测点，以测点1为例，将模拟和实验得到的值绘制在图3中。

图3 实验值和模拟值对比

对比两种污染物浓度的模拟和实验数据，进而得到模拟的误差见表5。

表5 模拟浓度误差分析

由图3可以看出，在同样的条件下，PM2.5和CO2浓度在实验和模拟中随时间变化的趋势大致相同。PM2.5模拟值比实验值下降的快，是因为回风口简化成了光滑的平面，减小了气流阻力，且在实验中滤网上会附着有一定的PM2.5颗粒，净化效率也相应减小。CO2实验值比模拟值下降的快，是由于屋内并非完全封闭空间，CO2会通过门缝向室外泄露，且在实际实验时新风口和排风口风速均在一定范围内波动，风速的波动引起室内空气扰动较大，进而排出更多的CO2。由表5误差分析所示，在净化的这段时间内，模拟与实验的最大误差均小于15 %，且平均误差小于7 %，认为选择的数学模型基本准确，可以用于之后的拓展模拟。

2.2 拓展模拟研究

前文所做的验证模型与实验舱保持一致，经验证数学模型基本正确，可以拓展到更复杂的房间进行模拟，主要为了研究在更贴合实际的办公室内卡式空净一体机送风参数的变化对气流组织的影响，从而确定较为合适的运行参数以加快室内污染物的净化。

2.2.1 设备的确立

拓展模拟中微型办公室面积为72 m2，层高为2.8 m，长宽比为2，经计算房间内的最大冷负荷为8640 W，选择两台制冷量为5600 W的某型号卡式四出风空净一体机，具体参数见表6。

表6 空净一体机参数

由于模拟房间面积变化，室内容纳人员增加为18人，新风量变为540 m³/h，重新选择最小风量为550 m³/h的某型号的全热交换器，小风量制冷时的全热交换效率为70 %，计算得新风口温度为28.37 ℃。模拟时送风方式为上送上排，拟定新风风速为1.5 m/s，新风口面积为0.1 m2，选择320 mm×320 mm新排风口。

2.2.2 拓展模型建立及边界条件设置

1）物理模型

在拓展模拟时对物理模型进行如下简化：

①送、新风口作为一个简单的矩形开口，回、排风口处理为光滑平面；

②仅考虑室内人体散热，每个长方体代表3个人的热流密度；

③新风中的 PM2.5浓度和CO2浓度设置为定值，假设室内污染物已达到最大值，且在室内均匀分布。

物理模型如图4所示，对房间进行结构化网格划分，网格质量为1，质量较高可用于进行模拟计算。

图4 拓展模拟物理模型

2）数学模型

对于数学模型已经验证过，虽然建立的模型空间较小但模型基本准确，可按由实验验证的模型进行设置。

3）边界条件

结合模拟环境，给出拓展模拟边界条件如表7。

表7 拓展模拟边界条件

2.2.3 拓展模拟工况及测点确定

为了研究空净一体机参数对室内污染物的影响，将送风温度和湿度等条件设为固定，确定送风速度、角度作为拓展模拟的影响因子，研究工况如表8所示。

表8 模拟工况

模拟时因需要实时监测室内人体呼吸区数值同样在人体坐姿1.1 m高度处布置测点，共如图5所示18个测点。

图5 拓展模拟测点布置图

2.3 拓展模拟结果分析

2.3.1 送风速度和送风角度对PM2.5净化时间的影响

将模拟工况下得到的PM2.5平均净化时间列于图6中。

图6 不同送风速度和角度下室内PM2.5净化时间

由图6可知无论送风速度如何，随着送风角度的增大，洁净空气越容易送到人体呼吸区，净化时间越短，但净化时间变化率也减小；无论送风角度如何，随着送风速度的增大，净化时间变短，净化时间变化率也变小。将送风速度和送风角度单独变化时净化时间的变化量列于表9中，从表9净化时间的变化量可看出送风角度对PM2.5净化时间的影响大于送风速度，尤其当送风角度为13 °时，无论在何种送风速度下，净化时间都在40 min以上。画出V= 1.67，α= 13 °，T= 20 min时的流线图如图7。

表9 送风速度或送风角度变化时PM2.5净化时间的变化量（min）

图7 在T=20 min，Z=1.1 m截面时小风速、送风角度为13 °时的流线图

从表9可以明显看出无论送风速度如何，都是送风角度从13 °变为39 °时净化时间的变化量最大；无论送风角度如何，都是小风速变为中风速时的变化量最大，以角度变化时的最小变化量20.44 m/s和风速变化时的最大变化量6.73 m/s为例，可以看出在小角度变为中角度时，送风角度对PM2.5净化时间的影响是送风速度的3倍左右，所以在室内有需要快速降低污染物浓度的需要时，应优先考虑改变空净一体机的送风角度。

由图7可以看出此时在呼吸区存在较多的涡流区，主要原因是13 °出风时的水平动量最大，与墙壁或新风碰撞后容易受出口射流的卷吸从而产生涡流区，使洁净空气的扩散受到限制，从而导致净化时间最长。

综上所述在室内PM2.5浓度较大时适宜的送风角度≥ 39 °。且由文献[10]知送风量并不是越大越好，在净化效率不变的条件下，不断提高运行风量净化效果的提升作用也不再显著。建议在室内污染物浓度较低时空净一体机使用小角度、中风速运行；污染物浓度较高时采用中角度、中风速运行；污染物浓度很高，需要快速降低浓度且可忽略人体舒适度时采用大角度、大风速运行，但在浓度降低到一定程度后时应尽快改为中、小角度。

2.3.2 送风速度和送风角度对CO2稀释时间的影响

将模拟工况的CO2平均稀释时间变化情况绘制在图8中。为更准确地比较送风速度和角度对CO2稀释时间影响的区别，将CO2稀释时间的变化量列于表10中。

表10 送风速度或送风角度变化时CO2稀释时间的变化量（min）

图8 空净一体机不同送风量和送风角度下CO2稀释时间

从图8和表10可以看出，送风速度对CO2稀释时间的影响较小，仅在送风角度为39 °、风速由小风速变为中风速时影响稍大，其他情况均为送风角度变化比送风速度变化对CO2稀释时间的影响大。且无论何种送风速度下α= 13 °和65 °时，CO2的平均稀释时间接近，并且都比α= 39 °的值低。

主要因为换气系统是CO2稀释的主要途径，空净一体机主要靠不同的送风角度对新风扩散程度起作用从而对净化时间产生影响，仰角过大和过小时对新风的扰动作用比较大，中角度的影响较小，这也与前文α= 39 °时室内污染物浓度分布最为均匀的结论一致。为更好地分析α= 39 °时的浓度情况，以运行时间为T= 50 min、小风速时平面的CO2浓度场进行分析，具体如图9所示。

图9 CO2浓度云图

从图9（a）看出此时房间内的CO2浓度分布较不均匀，在房间中部CO2浓度较低，新风口处最低，右侧浓度较高，右下方存在局部浓度最高区域，为了更准确地解释这一现象出现的原因，观察相同条件下Z= 2.8 m平面上的CO2浓度场如图9（b），可以看出洁净的空气从房间顶部的新风口送出，与空净一体机产生的气流交叉碰撞后使洁净空气向上下两侧移动，导致房间中部的CO2浓度较低，但也由于新风扩散的局限性导致房间右侧几乎没有新风流入，所以房间右侧只在空净一体机8号送风口产生涡流区的位置浓度稍低，其他部分浓度最高。

综上所述在室内CO2浓度较大时适宜较大或较小的送风角度，此时对室内的气流扰动较大，可加快CO2的稀释时间。

综合对PM2.5净化时间和CO2稀释时间的影响分析，可知送风角度对室内净化效果的影响比较大，PM2.5净化最合适的送风角度为≥ 39 °，但39 °却是CO2稀释的最不适角度。综合考虑在室内同时有PM2.5和CO2净化需求时采用＞ 39 °的送风角度，室内CO2浓度较低但PM2.5浓度较高时采用39 °，两者浓度都较低时可采用小角度小风速运行。

3 结论

1）对PM2.5净化时间的影响送风角度大于送风速度，且从小角度变为中角度时净化时间的变化量最大。室内有需要快速降低污染物浓度的需要时，应优先考虑改变空净一体机的送风角度，对于室内CO2的稀释亦是如此。

2）仰角过大和过小时对新风的扰动作用比较大，中角度时的影响较小，导致中角度运行时室内PM2.5净化较快且均匀但CO2稀释时间较长，故在室内同时有PM2.5和CO2净化需求时采用送风角度大角度，室内CO2浓度较低但PM2.5浓度较高时采用中角度，两者浓度都较低时可采用小角度小风速运行。