空净一体机和空气净化器联合系统对PM2.5净化时间的对比研究

段吉如 王泽通 孟锦程 贾利芝 王 攀

（1.天津商业大学机械工程学院 天津 300134；2.北洋蓝（天津）环保科技有限公司 天津 300100）

引言

由于国家越来越关注环境质量，空气中PM2.5污染状况有了显著的改善，但年均浓度尚与WHO推荐值差距较大[1]，且室内PM2.5污染主要源于室外大气，即使关闭建筑外窗，室内外PM2.5浓度水平仍存在显著关联[2-4]。

空气净化器是控制室内PM2.5污染的主要设备，后来集空调的制冷/热和空气净化器的净化功能于一体的空净一体机出现，袁文昭等[5]基于静电吸附原理，通过数值模拟计算发现就空调器的净化功能来说，静电吸附技术还是难以替代Hepa滤网。但且单就净化能力来说，空净一体机不如空气净化器[6]，所以开始有人把净化器和空调组装到一起。孙刚森[7]采用实测与数值计算的方式，探讨了空调与空气净化器联合运行时对室内气流组织的影响。分析可知：当把两者的位置相对布置时较好，净化效果较强且制冷条件下净化效果优于制暖；而两者相邻布置时，净化效果最差。Tengfei Zhang[8]采用实验与模拟结合的方法对空调与空气净化器同时运行时室内污染物的净化效果展开了研究，通过研究得出空调器与空气净化器的安装位置，以及空调器的运行模式都对室内污染物的净化效果有着显著影响。

韩星星[9]通过数值模拟研究了空净一体机和空调联合空气净化器两种情况对室内甲醛浓度的影响，空调机和净化型空调都分为壁挂式与立柜式，对不同气流组织下房间中甲醛的分布进行了比较和分析。结果表明，在相同风量情况下，空调联合空气净化器净化效果优于空净一体机。

但无论是选择空净一体机还是空气净化器和空调联合运行，都无法保证室内的新鲜空气量，为此有研究提出加入换气系统，赵田[10]通过实验与模拟相结合的方法，研究了换气系统与空净一体空调联合运行时，空净一体空调送风参数与换气系统新排风口位置对室内PM2.5净化效果的影响。董战伟[11]对办公房间进行了区域划分，并对比了空气净化器复合系统等四种不同联合运行方式各区域的PM2.5净化时间，研究结果表明采用空气净化器、换气系统与空调复合系统的办公区域Z=1.2 m平面（人体坐姿）PM2.5净化时间最多可减少42 %。

综上所述，目前尚未有在相同条件下将空净一体机联合换气系统和空气净化器+空调联合换气系统运行对办公室内PM2.5的净化能力进行对比的研究。基于此，文章先用实验验证模型的准确性，再通过拓展模拟比较两种联合运行系统的净化时间，最后得出结论。

1 模型建立与准确性验证

在同一条件下，将实验结果与模拟结果进行比较，以检验模拟结果的精度，为以后的拓展模拟提供依据。为了达到这样的目的，需要先建立一个与实验条件完全一致的数值模型，以空净一体机联合运行系统为例检验模型的准确性。

1.1 模型建立

1.1.1 物理模型

将换气系统新、排风口和空净一体机送、回风口简化为光滑平面，模拟房间尺寸为6.13×3×3.2 m，对房间进行非结构化网格划分，网格质量为0.348～0.999 8，质量较好。

1.1.2 数学模型

为了确保模拟的准确性，需要对数学模型进行设置，具体内容见表1。

表1 数学模型设置

1.1.3 边界条件

送风速度、温度根据实测数据设置，PM2.5初始浓度为300 ug/m3。

1.2 实验研究

为了验证数值模拟的准确性和完善物理模型的边界条件进而需要进行实验研究。实验舱尺寸同模拟，实景图和流程图如图1、2所示。

图1 实验室实景图

图2 实验室流程示意图

根据房间面积和规范[12]知室内共4人，总新风量为120 m3/h，当新风速度为1.5 m/s时新、排风口尺寸均为240 mm×240 mm。办公室最大冷负荷为2 208 W，选择某品牌的空净一体机，具体参数如表2所示。

表2 空净一体机基本参数

对于PM2.5浓度监测，选择在1.2 m平面的人体呼吸区设置，4个测点的位置如图3所示。

图3 PM2.5测点平面图

该实验为验证实验，只需测出不同时刻的室内PM2.5浓度即可，为确保实验的可靠性，在相同条件下做3次实验求取平均值。实验所需的条件如表3所示。

表3 实验条件

1.3 验证结果分析

以测点1、4为例将实验和模拟的PM2.5浓度值列于图4中，各测点的误差如表4所示。

图4 各测点实验值和模拟值对比图

表4 各测点PM2.5浓度误差分析

如图4所示，实验和模拟结果具有相同的趋势，两者的差值也比较小，整体来看基本表现为PM2.5浓度模拟值小于实验值，造成这种误差的原因是在模拟中将所有风口都简化为了光滑的平面，实际实验时风口是有格栅的，这样减小了气流阻力，且在实验中滤网的净化效率会逐渐减小。由表4可知4个测点中两者之间的最大误差都小于15 %，平均误差都在5 %左右，认为模拟所用的数学模型基本准确，可以拓展到更复杂的模型中使用。

2 拓展模拟研究

根据前文的验证结果可知建立的模型基本正确，可以拓展到更复杂的模拟中使用，以拓展到72 m2的房间为例，在相同条件下比较两种联合运行系统下PM2.5净化时间的差别。

2.1 设备确立

文章所用模拟设备如图5所示，空净一体机和空调的具体运行参数见表5，空气净化器的摆放位置表示在图6中，运行参数如表6所示。

图5 模拟设备示意图

图6 空气净化器摆放位置示意图

表5 空净一体机及空调设备相关参数

表6 空气净化器相关参数

拓展模拟房间室内共16人，总新风量为480 m3/h，当新风速度为1.5 m/s时新、排风口尺寸均为300 mm×300 mm，新风中PM2.5浓度为35 μg/m3，温度为19.69 ℃。

2.2 拓展模拟模型建立

本次拓展模拟共需要建立A、B两种模型，A模型为空净一体机联合运行系统，B模型为空气净化器联合运行系统，两个模型除了系统所需设备不同，其余条件完全一致，模型的具体建立如下。

2.2.1 物理模型

同前文对换气系统新、排风口，空净一体机/空调送、回风口以及空气净化器送、回风口做相同的简化，与A模型相比，B模型只增加了位于距离外墙20 cm的办公区域中心位置处的空气净化器，物理模型如图7所示。

图7 物理模型

对房间进行网格划分，A、B模型网格质量分别为0.33～0.999 8、0.35～0.999 6，质量较好。

2.2.2 数学模型

对于数学模型，前文已经验证过，虽然建立的模型空间较小但模型基本准确，与前文进行相同的设置。

2.2.3 边界条件

拓展模拟的边界条件如表7所示。

表7 拓展模拟边界条件

2.3 拓展模拟工况确定及测点布置

该拓展模拟意在对比两种联合运行系统对PM2.5的净化效果区别，为使研究更具普适性，选取了不同房间冷负荷下两种联合系统的运行工况，卡式空净一体机联合运行工况为1、2、3，空气净化器联合运行工况为4、5、6，具体工况设置条件如表8。

表8 模拟工况

因拓展模拟需检测1.2 m高度人体呼吸区的各项数值，故如图8所示在相应位置布置共45个测点。为了方便对工作区的PM2.5浓度进行分析，特将工作区划分为A、B、C、D、E、F、G 共8个区域。

图8 测点布置图

2.4 拓展模拟结果分析

基于建立的拓展模拟模型，对相同条件下各测点处PM2.5浓度净化至35 ug/m3的时间（下文简称为PM2.5净化时间）和气流组织分布进行分析。

2.4.1 两种联合运行系统的PM2.5净化时间对比分析

将两种联合运行系统下各区域的PM2.5净化时间和工作区的平均值列于表9中。

表9 工作区域净化时间

由表9可以看出，不同工作区域的PM2.5净化时间都存在差异。工况1、2、3的净化时间都比工况4、5、6短，且工况1、2、3各区域的净化时间差别不大，但工况4、5、6的上方工作区A、B、C、D的净化时间都较下方工作区E、F、G、H稍长，且3种工况下净化时间最长的区域都是D、H区。分析原因虽然空净一体机和空调系统都有多个送风口，但工况1、2、3中空净一体机送出的是洁净空气，使其更均匀地分布到各个区域，加快了净化的进度且污染物的净化均匀性较好，而工况4、5、6的空调出风口反而会因为交叉射流的原因而抑制洁净空气的扩散；工况4、5、6上方区域受净化器回流影响较大，容易聚集污染物，所以净化时间较下方区域长，D、H区则主要受到打印机污染源的影响，尤其是D区，其同时受到打印机污染源和净化器回流的影响，所以净化时间最长。

为了更清楚地对比两种联合系统之间的差别，将两种系统各个工况下的净化平均值表示在图9中。

图9 不同联合运行系统的平均净化时间

从图9可以看出，对于净化时间都是空净一体机联合运行小于空气净化器联合运行，且随着空净一体机和空调风量的增加，两种联合运行系统净化时间之间的偏差增大。分析形成这种差别的原因是空净一体机风量越大即送出的洁净空气越多，洁净空气通过多个送风口较为均匀地分布在房间各处，表现为净化时间缩短；但空调风量越大，其各个送风口的风速越大，或许更容易抑制空气净化器吹出的洁净空气向四周扩散，表现为净化时间变长。

2.4.2 造成两种联合运行系统净化差别的影响因素分析

通过对两种联合运行系统的比较可知，两者的工作条件完全一致，只有因系统本身的构成不同而导致的房间内气流组织分布不同这一个差别。所以重点分析两者的气流组织不同对净化效果的影响。以模拟工况3和6作为典型工况进行气流组织分析。

空净一体机联合运行系统在T= 30 min时人体呼吸区的速度流场图如图10所示。

图10 空净一体机联合运行系统速度流场图

从图10可以看出，此时呼吸区存在较多涡流区，且分布在各个区域，尤其是A、B、E、F区的涡流数量较多，分析原因为空净一体机出风在受到墙壁的限制后方向发生偏转，后受到出口射流的卷吸形成涡流，C、D、G、H区的涡流同理，但由于排风口处负压区的影响，导致涡流区会更偏向于非工作区的排风口处。且可明显看出B区的涡流区最小，流线数量最少，所以在此区域的PM2.5浓度最高，净化时间也最长；F、G、H区受到排风口的影响较大，按理说PM2.5净化时间都较短，但H区同时会受到打印机污染源的影响，所以净化时间稍长，即F、G区的净化时间最短。这也与表9的数据相符，证明涡流区的形成在一定程度上可以促进对PM2.5的净化。

相同时刻下空气净化器联合运行系统在人体呼吸区的速度流场图如图11所示。

图11 空气净化器联合运行系统速度流场图

从图11看出此时空气净化器联合系统在呼吸区的涡流区较少，且主要分布在C、D、G、H区域，整体来看右侧区的流线要比左侧区密集，画出A-A剖面的流场图如图12所示。

图12 A-A剖面的流场图

由图12看出，在空气净化器联合空调设备、换气系统运行时，空气净化器所送出的洁净空气部分会受到空调设备回流的影响直接进入空调回风口，但绝大部分洁净气流仍能够到达空调送风口2处的区域。由于洁净空气受到送风口2的影响后水平动量增大，直至受到墙壁的限制后开始向左右两侧扩散，然而，由于G、H区受到排风口的影响且空调气流不断卷吸周围的污浊空气直至在打印机所处壁面遇阻碍时发生偏转，同时，卷吸打印机周围的污浊空气，进而流入工作区H，这增加了H区的PM2.5浓度，致使尽管G、H区涡流区较多，净化时间却较E、F区长，这也与表9的数据相符。

综上所述空净一体机联合运行系统的气流组织更好，可以在送、回风以及新、排风口形成良好的空气循环，使洁净空气更均匀地分布于工作区，污浊空气更好的进入回风口和排风口。

3 结论

文章通过实验和模拟结合的方式研究了办公房间内两种联合运行系统分别将PM2.5净化至35 μg/m3以下的时间进行对比，得出结论如下：

1）就PM2.5净化时间而言，房间冷负荷分别为7 127 W、5 982 W和5 224 W时，空净一体机联合运行较空气净化器联合运行分别缩短了45.71 %、28.57 %和27.03 %。即在办公房间内空净一体机联合运行系统对PM2.5的净化更有利。

2）在空净一体机和空气净化器送风量差别不大的情况下，造成两者净化时间差别的原因主要是气流组织，较好的气流组织可以形成良好的空气循环，缩短净化时间。