空氣凈化器性能影響因素的數(shù)值模擬研究

龔國漢

（龍巖市食品藥品認證審評和藥品不良反應(yīng)監(jiān)測中心，福建 龍巖 364000）

0 引言

隨著中國制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，流感頻發(fā)、霧霾嚴重等問題也逐漸暴露出來，直接威脅著民眾的身體健康［1］。而大多數(shù)人每天有80%以上的時間會待在室內(nèi)，這使得空氣凈化器的市場需求在急劇擴大［2］，今后有望成為必不可少的家電產(chǎn)品。

目前，市面上的空氣凈化器種類繁多，其采取的形式和布置對室內(nèi)氣流組織的分布有著顯著影響，其凈化性能也關(guān)系到人的呼吸質(zhì)量。張欣等［3］基于5 種主流空氣凈化器的凈化效率，提出空氣凈化器安裝的氣密性和室內(nèi)氣流組織是影響空氣凈化器凈化效率的兩個主要因素。肖沅芷［4］采用數(shù)值模擬法對5 種不同氣流組織形式的空氣凈化器的凈化性能進行分析，并指出“上回側(cè)送”形式的空氣凈化器的凈化效果最好。孫剛森［5］采用試驗測試和數(shù)值模擬的方法，研究空調(diào)器流場對空氣凈化器循環(huán)氣流場的影響，研究結(jié)果表明，凈化器氣流應(yīng)與空調(diào)氣流合理搭配，可形成循環(huán)氣流，使用效果最佳。許鐘麟等［6］將空氣凈化器的運行工況分為3 種，分別為試驗工況、引入新風的循環(huán)工況和室內(nèi)自循環(huán)工況，并將潔凈空氣量（CADR）作為空氣凈化器的評價指標，為了能夠準確地反映出所有工況的凈化能力，探討3 種運行工況與CADR 的關(guān)系，并提出單位能耗的凈化效能的性能評價指標?？梢?，越來越多的學者對空氣凈化器性能的影響因素及評價方法改進展開研究。

本研究以某型號的空氣凈化器為研究對象，采用數(shù)值模擬法來計算換氣效率，并據(jù)此來評價空氣新鮮程度，重點比較分析空氣凈化器擺放位置、檔位和循環(huán)風扇風量等因素對凈化性能的影響，為空氣凈化器的性能檢測和使用及國家標準的修訂和改進提供理論參考。

1 研究對象

本研究參照國家標準《空氣凈化器》（GB/T 18801—2015），將空氣凈化器置于30 m3標準試驗艙內(nèi)，如圖1所示。試驗艙尺寸為3.5 m×3.4 m×2.5 m，頂部懸吊有三葉攪拌風扇，靠近一角落懸吊有循環(huán)風扇，空氣凈化器擺放在高度為0.7 m、邊長為0.7 m 的方桌上。該型號空氣凈化器的主要參數(shù)如表1所示。

表1 某型號空氣凈化器的主要參數(shù)

圖1 30 m3標準試驗艙三維模型

采用有限體積法來離散整個試驗艙的計算區(qū)域，劃分網(wǎng)格如圖2所示，對空氣凈化器、攪拌風扇、循環(huán)風扇等部件區(qū)域進行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量約為577萬個。

圖2 30 m3標準試驗艙網(wǎng)格模型

2 數(shù)值模擬方法

2.1 基本假設(shè)

對30 m3的標準試驗艙結(jié)構(gòu)進行模擬研究，為減少計算難度及時間，模擬過程中做出如下假設(shè)：①標準試驗艙內(nèi)的流體介質(zhì)處于不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)流動的狀態(tài)。②對攪拌風扇葉片、循環(huán)風扇及空氣凈化器等部件的細部復(fù)雜結(jié)構(gòu)做了簡化，并忽略其內(nèi)部的發(fā)熱（散熱）作用。同時，由于溫度低，忽略壁面的熱輻射影響。③空氣凈化器開啟時，空調(diào)送（回）風和攪拌風扇處于關(guān)停狀態(tài)，且不考慮漏風的影響，標準試驗艙處于完全封閉環(huán)境。④假設(shè)空氣凈化器的進（出）口為均勻邊界條件。

2.2 數(shù)學模型

本研究所涉及的空氣流動過程為連續(xù)相模擬，遵循質(zhì)量、動量、能量3 個守恒方程，選取標準k-ε雙方程湍流模型、壓力-速度耦合SIMPLE算法來求解，空氣凈化器入口采用均勻速度的入口邊界，空氣凈化器出口采用均勻壓力的出口邊界，循環(huán)風扇采用風扇邊界，其循環(huán)風量由設(shè)置的壓力值來實現(xiàn)控制，標準試驗艙和各部件殼體采用無滑移的壁面邊界。

2.3 評價方法

根據(jù)測量對象的不同，室內(nèi)空氣環(huán)境的評價指標也有所不同［7］，在考察空氣新鮮程度時，多用空氣齡（τ）和換氣效率（η）來進行評價。

空氣齡是指空氣質(zhì)點從進入房間至到達室內(nèi)某點所經(jīng)歷的時間，是用來綜合衡量房間的通風換氣效果和評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標?？諝恺g反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，對于一個通風的房間，體平均空氣齡越小，說明室內(nèi)整體空氣越新鮮。相應(yīng)的，室內(nèi)某一點的空氣齡越小，說明該處的污染物濃度也越低。而換氣效率是指新鮮空氣置換原有空氣的快慢與活塞通風下置換快慢的比值，其值越大，說明換氣效果越好［8］，計算式見式（1）。

式中：τn是額定空氣齡（s），其值等于V/Q凈；V是實驗艙的體積（30 m3）；，Q凈是空氣凈化器的新風量；τp是平均空氣齡（s），可由CFD模擬獲得。

3 分析與討論

3.1 擺放位置的影響

圖3 給出了循環(huán)風扇關(guān)閉、空氣凈化器為第2檔和新風朝向+Y時不同擺放位置的換氣效率情況。從圖3 可以看出，空氣凈化器的換氣效率為52%～56%，當空氣凈化器距中心點1.2 m（位置3）時，換氣效率最大，比處于中心點位置（位置1）時高2.9%，比距中心點0.6 m（位置2）時高3.8%。產(chǎn)生這種情況的原因可結(jié)合圖4所示的3個中心截面氣流組織分布情況進行解釋，當空氣凈化器處于位置3 時，標準試驗艙內(nèi)的新風形成的渦流是大范圍性的，在3 個方向都能延伸覆蓋。但當空氣凈化器處于位置1 和位置2 時，是由多個局部渦流來置換新風，使得置換效果弱于位置3。由此可見，空氣凈化器的擺放位置對換氣效果有較大的影響。

圖3 不同擺放位置的換氣效率

3.2 檔位大小的影響

圖5 給出了循環(huán)風扇關(guān)閉、空氣凈化器處于中心點和新風朝向+Y時不同檔位大小的換氣效率。從圖5 可以看出，空氣凈化器的換氣效率在53%左右，調(diào)節(jié)檔位由第1檔調(diào)到第3檔，換氣效率僅提升0.8%。由此可知，增大空氣凈化器的檔位可提升換氣效率，但提升效率較小。這是因為檔位的變化對標準試驗艙內(nèi)的氣流組織分布狀態(tài)影響很小，僅是略微增強了湍流作用，整體氣流組織分布與圖4（a）相似。

圖4 不同擺放位置典型截面的氣流組織分布

圖5 不同檔位大小的換氣效率

3.3 循環(huán)風扇風量的影響

圖6 給出了空氣凈化器處于中心點、第2 檔和新風朝向+Y時不同循環(huán)風扇風量（Q循）的換氣效率情況。從圖6 可以看出，隨著Q循的增大，標準試驗艙內(nèi)的換氣效率也隨之增大。當Q循＜Q凈時，Q循平均每增加100 m3/h，換氣效率提升11.7%；當Q循＞Q凈時，Q循平均每增加100 m3/h，換氣效率提升21.7%。說明Q循對換氣效率的影響作用十分明顯，且Q循越大，影響越顯著。同時，結(jié)果顯示，當Q循=400 m3/h時，換氣效率大于100%，說明空氣凈化器的新風量（檔位）已不足以完全置換此時標準試驗艙內(nèi)的氣流組織狀態(tài)，換言之，在該設(shè)置參數(shù)下，空氣凈化器的使用效率將達到100%（不考慮自身的損失），而循環(huán)風扇將受到制約，實際循環(huán)風量小于400 m3/h。從模擬結(jié)果來看，當Q循≥1.55Q凈時，換氣效率大于100%，即可充分發(fā)揮空氣凈化器的凈化性能。

圖7給出了不同循環(huán)風量的3個中心截面氣流組織分布情況。對比圖7（a）和圖7（b）可以看出，循環(huán)風扇的開啟將完全改變標準試驗艙內(nèi)原有的氣流組織，渦流的位置及形態(tài)也會發(fā)生變化，偏向于形成范圍更大的渦流區(qū)，進而提升換氣效率。對比圖7（b）、7（c）和7（d）可以發(fā)現(xiàn)，在Q循＜1.55Q凈時，隨著Q循的增大，循環(huán)風扇對標準試驗艙內(nèi)氣流組織狀態(tài)的影響也逐漸增大，可形成范圍更大、湍流速度更大的渦流區(qū)，進而提升換氣效率。對比圖7（d）和圖7（e）可以發(fā)現(xiàn)，兩種氣流組織狀態(tài)基本一致，但后者的湍流速度更大，從而加快后者對應(yīng)的標準試驗艙內(nèi)置換時間，即減小了空氣齡、提升了換氣效率。

圖7 不同循環(huán)風量典型截面的氣流組織分布

4 結(jié)論

綜上所述，通過數(shù)值模擬來分析空氣凈化器的擺放位置、檔位大小和循環(huán)風扇風量等因素對30 m3標準試驗艙內(nèi)氣流組織分布的影響，得出如下結(jié)論。

①用換氣效率來評價空氣凈化器的性能，能更加直觀地表示空氣凈化器新風置換室內(nèi)原有空氣的快慢。

②空氣凈化器的擺放位置對換氣效果有較大的影響，檔位大小能提升新風量，從而提高換氣效果，但對換氣效率的影響較小。

③加大循環(huán)風扇風量能夠大幅提升換氣效率，在循環(huán)風量大于空氣凈化器新風量的1.55倍時，可充分發(fā)揮空氣凈化器的性能。對此，在30 m3標準試驗艙內(nèi)檢測空氣凈化器的凈化指標時，為充分發(fā)揮其凈化性能，建議循環(huán)風量應(yīng)不低于1.55倍的空氣凈化器新風量。