室內空氣凈化器氣流組織的數(shù)值模擬研究

李喜玉 劉偉龍

（珠海格力電器股份有限公司家電技術研究院 廣東珠海 519070）

0 引言

空氣凈化器的目的是為了更好地凈化空氣中的有害物質，潔凈空氣量、凈化效果和室內的流場分布有很大的關系。

設計一款同類型的空氣凈化器時，需要根據(jù)房間面積(A)確定空氣凈化器的送風量，而目前送審的聯(lián)合企業(yè)標準中已有根據(jù)房間面積確定潔凈空氣量（CADR）的標準：A=0.1×CADR，需要潔凈空氣量與送風量之間的關系，這樣就可以由房間面積來設計合適風量的空氣凈化器，因CADR值是一個和室內氣流組織分布有直接關系的參數(shù)，室內氣流組織的分布目前還缺乏一種定量合理的評價體系，本文以速度不均勻系數(shù)評價室內氣流組織， 所以，本文旨在建立潔凈空氣量和速度不均勻系數(shù)的關系曲線，根據(jù)該曲線可以得到相應的CADR值所需要的K值，然后我們根據(jù)房間大小建立模型，給定一系列的風量數(shù)值，用AIRPAK仿真得到該K值下所需要的風量數(shù)值，即是所需的空氣凈化器風量值[1-2]。

1 AIRPAK簡介

AIRPAK是Fluent Inc.公司推出的專門針對HVAC(暖通空調)領域開發(fā)的一款CFD軟件，專門為暖通專業(yè)設計，內置了許多模型，如房間、墻、風口、人員、熱源等，能夠自動網格化，能生成報表、動畫、功能雖然沒有Fluent全面，但比Fluent專業(yè)；其界面較粗糙，仍采用Fluent作為求解器。對于比較規(guī)則的建筑物的模擬比較精確，對于特殊外形的建筑物建模過程比較繁瑣，可以準確地模擬通風系統(tǒng)的空氣流動、空氣品質、傳熱、污染和舒適度等問題[6]。本文是應用AIRPAK軟件對空氣凈化器室內氣流組織進行仿真， 并輸出室內各節(jié)點的速度數(shù)值，運用Matlab軟件進行編程，計算出室內流場分布的速度不均勻系數(shù)，從而指導空氣凈化器的方案定制。

2 評價標準和設計方案

2.1 室內氣流組織的評價標準

設計一款空氣凈化器時，需要根據(jù)房間的面積確定空氣凈化器的送風量，而目前已送審的聯(lián)合企業(yè)標準中已經有根據(jù)房間面積確定潔凈空氣量的標準：A=0.1×CADR，需要潔凈空氣量與送風量之間的關系，這樣就可以由房間面積來選定合適風量（Q）的空氣凈化器，而如何把CADR與Q聯(lián)系起來，就需要找和CADR、Q均有關系的合理的中間橋梁—速度不均勻系數(shù)（k）[3]。

潔凈空氣量和房間體積、衰減系數(shù)有關，而深層次的應該是由空氣凈化器的凈化性能、室內氣流組織分布有關，對于一款凈化部件確定的空氣凈化器來說，就僅與室內氣流組織分布。而風量也與室內氣流組織分布具有直接的關系，k即是評價室內氣流組織的參數(shù)。

流場的評價指標：

2.2 設計思路[4-5]

這樣我們在設計一全新空氣凈化器之前可以根據(jù)以下的思路來制定這款空氣凈化器的方案：

（1）針對一款固定凈化類型的空氣凈化器建立CADR和速度不均勻系數(shù)k之間的關系，建立CADR和k曲線，這種關系是通過實驗和仿真共同得到的。

（2）設計所針對的戶型（即房間面積S）根據(jù)A=0.1×CADR 得到CADR值，根據(jù)（1）得到相應的k值，最后利用AIRPAK及其仿真結果得到數(shù)據(jù)曲線進行估算，從而得到送風量Q。

3 實驗

3.1 實驗儀器

實驗準備：空氣凈化器：待測風量、CADR；

制冷研究院風量實驗室：用于空氣凈化器風量測試

塵埃粒子計重儀 YFB-036：CADR測試儀器；

圖3 Matlab計算程序

實驗艙：測潔凈空氣量

室內塵埃初始濃度約10mg/m3

3.2 CADR實驗方法

在一個放置空氣凈化器的標準3.5m×3.4m×2.5m實驗艙內，發(fā)生塵埃粒子的初始濃度為10mg/m3，開啟空氣凈化器最強檔，并分別調節(jié)電源電壓為140V、160V、200V、220V、240V、260V，用塵埃粒子計重儀YFB-036對室內總衰減率、自然衰減率進行測試，并根據(jù)公式（2）自動計算出CADR值。

潔凈空氣量：表征空氣凈化器凈化能力的參數(shù)，用單位時間提供潔凈空氣的量值表示

其中：

CADR—潔凈空氣量，單位為立方米每小時（m3/h）；

V—測試房間的體積（m3）；

ke—總衰減率（min-1）；

kn—自然衰減率（min-1）。

3.3 實驗數(shù)據(jù)(表1所示)

4 仿真

測試艙的內部容積為30m3，內部尺寸為3.5m×3.4m×2.5m，用AIRPAK仿真建模如圖1所示，選取一系列不同送風量，用AIRPAK對室內流場進行仿真；Matlab編程計算室內流場分布的不均勻系數(shù)，得到送風量與速度不均勻系數(shù)。

從圖2上，肉眼感官很難定性定量的來衡量氣流組織的分布，本文，把AIRPAK計算出的室內各個節(jié)點的速度值輸出文件，并借助Matlab自行編程，一次求取室內平均流速、速度方差和速度分布不均勻系數(shù)；計算程序如圖3。

5 結論與分析

把上述風量、潔凈空氣量、速度不均勻系數(shù)等數(shù)據(jù)匯總，并繪制關系曲線，分析各種曲線之間的相互關系；各參數(shù)之間的關系曲線如圖4-圖7所示。

（1）從圖4送風量與潔凈空氣量的關系曲線可見，隨著過濾式空氣凈化器送風量的增加，該空氣凈化器的潔凈空氣量也相應增大，但是隨著風量增大到一定程度時，潔凈空氣量的增加趨勢逐漸減弱，由此可見潔凈空氣量與送風量呈正相關的趨勢。

（2）從圖5室內流場速度不均勻系數(shù)與送風量的關系曲線可見，隨著送風量的增加，室內流場不均勻系數(shù)先增加，在送風量達到200m3/h的時候，速度不均勻系數(shù)達到最大值，約為4.9×107，然后，隨著送風量再繼續(xù)增加的時候，速度不均勻系數(shù)呈下降趨勢。

（3）由圖6～圖7綜合起來把室內速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量相關聯(lián)，得到速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量的關系曲線（圖4）；本實驗是在KJG300A空氣凈化器的強檔工作狀態(tài)下把電壓從140V—240V的情況下測試的，相應的空氣凈化器的送風量從132m3/h—294m3/h ，潔凈空氣量從64m3/h—149m3/h，在此范圍內，速度不均勻系數(shù)是隨空氣凈化器送風量的增加先增大，再逐漸減小，隨著CADR潔凈空氣量的增加，室內流場不均勻系數(shù)先增加，在送風量達到90m3/h的時候，速度不均勻系數(shù)達到最大值，約為4.9×107，然后，隨著送風量再繼續(xù)增加的時候，速度不均勻系數(shù)呈下降趨勢。

表1 KJG300A凈化倉潔凈空氣量實驗

表2 Matlab編程計算所得速度平均值、速度方差和速度不均勻系數(shù)

（4）圖7是用MATLAB把室內速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量的關系擬合得到的二次方程曲線，該二次方程為(3)：

式中：x：潔凈空氣量，m3/h；y：室內速度不均勻系數(shù)。

[1]劉希女 申江 楊永安 鄒同華 吳雙.Airpak在客車空調系統(tǒng)設計中的應用[ J ].天津商學院學報,2004.24

[2]馬榮華 南國良 程景林.大學生公寓室內污染物分布的數(shù)值模擬研究[ J ].建筑節(jié)能,2008.38 (4).

[3]張坤.多聯(lián)機室外機在室內安裝時的設計問題分析[ J].制冷與空調,2011.11 (2).

[4]壽煒煒 張偉程等.上海光源工程儲存環(huán)隧道恒溫空調設計[ J ].暖通空調,2007.37 (7).

[5]方進 徐玉黨 雷飛 郭輝.新武漢火車站候車廳分層空調氣流組織CFD模擬研究[ J ].空調.

[6]張春陽 林豹.中學教室空調氣流組織的數(shù)值模擬研究[ J ].制冷,2010.29