空凈一體機和空氣凈化器聯(lián)合系統(tǒng)對PM2.5凈化時間的對比研究

段吉如 王澤通 孟錦程 賈利芝 王 攀

（1.天津商業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 天津 300134；2.北洋藍(lán)（天津）環(huán)保科技有限公司 天津 300100）

引言

由于國家越來越關(guān)注環(huán)境質(zhì)量，空氣中PM2.5污染狀況有了顯著的改善，但年均濃度尚與WHO推薦值差距較大[1]，且室內(nèi)PM2.5污染主要源于室外大氣，即使關(guān)閉建筑外窗，室內(nèi)外PM2.5濃度水平仍存在顯著關(guān)聯(lián)[2-4]。

空氣凈化器是控制室內(nèi)PM2.5污染的主要設(shè)備，后來集空調(diào)的制冷/熱和空氣凈化器的凈化功能于一體的空凈一體機出現(xiàn)，袁文昭等[5]基于靜電吸附原理，通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)就空調(diào)器的凈化功能來說，靜電吸附技術(shù)還是難以替代Hepa濾網(wǎng)。但且單就凈化能力來說，空凈一體機不如空氣凈化器[6]，所以開始有人把凈化器和空調(diào)組裝到一起。孫剛森[7]采用實測與數(shù)值計算的方式，探討了空調(diào)與空氣凈化器聯(lián)合運行時對室內(nèi)氣流組織的影響。分析可知：當(dāng)把兩者的位置相對布置時較好，凈化效果較強且制冷條件下凈化效果優(yōu)于制暖；而兩者相鄰布置時，凈化效果最差。Tengfei Zhang[8]采用實驗與模擬結(jié)合的方法對空調(diào)與空氣凈化器同時運行時室內(nèi)污染物的凈化效果展開了研究，通過研究得出空調(diào)器與空氣凈化器的安裝位置，以及空調(diào)器的運行模式都對室內(nèi)污染物的凈化效果有著顯著影響。

韓星星[9]通過數(shù)值模擬研究了空凈一體機和空調(diào)聯(lián)合空氣凈化器兩種情況對室內(nèi)甲醛濃度的影響，空調(diào)機和凈化型空調(diào)都分為壁掛式與立柜式，對不同氣流組織下房間中甲醛的分布進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明，在相同風(fēng)量情況下，空調(diào)聯(lián)合空氣凈化器凈化效果優(yōu)于空凈一體機。

但無論是選擇空凈一體機還是空氣凈化器和空調(diào)聯(lián)合運行，都無法保證室內(nèi)的新鮮空氣量，為此有研究提出加入換氣系統(tǒng)，趙田[10]通過實驗與模擬相結(jié)合的方法，研究了換氣系統(tǒng)與空凈一體空調(diào)聯(lián)合運行時，空凈一體空調(diào)送風(fēng)參數(shù)與換氣系統(tǒng)新排風(fēng)口位置對室內(nèi)PM2.5凈化效果的影響。董戰(zhàn)偉[11]對辦公房間進(jìn)行了區(qū)域劃分，并對比了空氣凈化器復(fù)合系統(tǒng)等四種不同聯(lián)合運行方式各區(qū)域的PM2.5凈化時間，研究結(jié)果表明采用空氣凈化器、換氣系統(tǒng)與空調(diào)復(fù)合系統(tǒng)的辦公區(qū)域Z=1.2 m平面（人體坐姿）PM2.5凈化時間最多可減少42 %。

綜上所述，目前尚未有在相同條件下將空凈一體機聯(lián)合換氣系統(tǒng)和空氣凈化器+空調(diào)聯(lián)合換氣系統(tǒng)運行對辦公室內(nèi)PM2.5的凈化能力進(jìn)行對比的研究。基于此，文章先用實驗驗證模型的準(zhǔn)確性，再通過拓展模擬比較兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)的凈化時間，最后得出結(jié)論。

1 模型建立與準(zhǔn)確性驗證

在同一條件下，將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以檢驗?zāi)M結(jié)果的精度，為以后的拓展模擬提供依據(jù)。為了達(dá)到這樣的目的，需要先建立一個與實驗條件完全一致的數(shù)值模型，以空凈一體機聯(lián)合運行系統(tǒng)為例檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。

1.1 模型建立

1.1.1 物理模型

將換氣系統(tǒng)新、排風(fēng)口和空凈一體機送、回風(fēng)口簡化為光滑平面，模擬房間尺寸為6.13×3×3.2 m，對房間進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量為0.348～0.999 8，質(zhì)量較好。

1.1.2 數(shù)學(xué)模型

為了確保模擬的準(zhǔn)確性，需要對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)置，具體內(nèi)容見表1。

表1 數(shù)學(xué)模型設(shè)置

1.1.3 邊界條件

送風(fēng)速度、溫度根據(jù)實測數(shù)據(jù)設(shè)置，PM2.5初始濃度為300 ug/m3。

1.2 實驗研究

為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和完善物理模型的邊界條件進(jìn)而需要進(jìn)行實驗研究。實驗艙尺寸同模擬，實景圖和流程圖如圖1、2所示。

圖1 實驗室實景圖

圖2 實驗室流程示意圖

根據(jù)房間面積和規(guī)范[12]知室內(nèi)共4人，總新風(fēng)量為120 m3/h，當(dāng)新風(fēng)速度為1.5 m/s時新、排風(fēng)口尺寸均為240 mm×240 mm。辦公室最大冷負(fù)荷為2 208 W，選擇某品牌的空凈一體機，具體參數(shù)如表2所示。

表2 空凈一體機基本參數(shù)

對于PM2.5濃度監(jiān)測，選擇在1.2 m平面的人體呼吸區(qū)設(shè)置，4個測點的位置如圖3所示。

圖3 PM2.5測點平面圖

該實驗為驗證實驗，只需測出不同時刻的室內(nèi)PM2.5濃度即可，為確保實驗的可靠性，在相同條件下做3次實驗求取平均值。實驗所需的條件如表3所示。

表3 實驗條件

1.3 驗證結(jié)果分析

以測點1、4為例將實驗和模擬的PM2.5濃度值列于圖4中，各測點的誤差如表4所示。

圖4 各測點實驗值和模擬值對比圖

表4 各測點PM2.5濃度誤差分析

如圖4所示，實驗和模擬結(jié)果具有相同的趨勢，兩者的差值也比較小，整體來看基本表現(xiàn)為PM2.5濃度模擬值小于實驗值，造成這種誤差的原因是在模擬中將所有風(fēng)口都簡化為了光滑的平面，實際實驗時風(fēng)口是有格柵的，這樣減小了氣流阻力，且在實驗中濾網(wǎng)的凈化效率會逐漸減小。由表4可知4個測點中兩者之間的最大誤差都小于15 %，平均誤差都在5 %左右，認(rèn)為模擬所用的數(shù)學(xué)模型基本準(zhǔn)確，可以拓展到更復(fù)雜的模型中使用。

2 拓展模擬研究

根據(jù)前文的驗證結(jié)果可知建立的模型基本正確，可以拓展到更復(fù)雜的模擬中使用，以拓展到72 m2的房間為例，在相同條件下比較兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)下PM2.5凈化時間的差別。

2.1 設(shè)備確立

文章所用模擬設(shè)備如圖5所示，空凈一體機和空調(diào)的具體運行參數(shù)見表5，空氣凈化器的擺放位置表示在圖6中，運行參數(shù)如表6所示。

圖5 模擬設(shè)備示意圖

圖6 空氣凈化器擺放位置示意圖

表5 空凈一體機及空調(diào)設(shè)備相關(guān)參數(shù)

表6 空氣凈化器相關(guān)參數(shù)

拓展模擬房間室內(nèi)共16人，總新風(fēng)量為480 m3/h，當(dāng)新風(fēng)速度為1.5 m/s時新、排風(fēng)口尺寸均為300 mm×300 mm，新風(fēng)中PM2.5濃度為35 μg/m3，溫度為19.69 ℃。

2.2 拓展模擬模型建立

本次拓展模擬共需要建立A、B兩種模型，A模型為空凈一體機聯(lián)合運行系統(tǒng)，B模型為空氣凈化器聯(lián)合運行系統(tǒng)，兩個模型除了系統(tǒng)所需設(shè)備不同，其余條件完全一致，模型的具體建立如下。

2.2.1 物理模型

同前文對換氣系統(tǒng)新、排風(fēng)口，空凈一體機/空調(diào)送、回風(fēng)口以及空氣凈化器送、回風(fēng)口做相同的簡化，與A模型相比，B模型只增加了位于距離外墻20 cm的辦公區(qū)域中心位置處的空氣凈化器，物理模型如圖7所示。

圖7 物理模型

對房間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，A、B模型網(wǎng)格質(zhì)量分別為0.33～0.999 8、0.35～0.999 6，質(zhì)量較好。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

對于數(shù)學(xué)模型，前文已經(jīng)驗證過，雖然建立的模型空間較小但模型基本準(zhǔn)確，與前文進(jìn)行相同的設(shè)置。

2.2.3 邊界條件

拓展模擬的邊界條件如表7所示。

表7 拓展模擬邊界條件

2.3 拓展模擬工況確定及測點布置

該拓展模擬意在對比兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)對PM2.5的凈化效果區(qū)別，為使研究更具普適性，選取了不同房間冷負(fù)荷下兩種聯(lián)合系統(tǒng)的運行工況，卡式空凈一體機聯(lián)合運行工況為1、2、3，空氣凈化器聯(lián)合運行工況為4、5、6，具體工況設(shè)置條件如表8。

表8 模擬工況

因拓展模擬需檢測1.2 m高度人體呼吸區(qū)的各項數(shù)值，故如圖8所示在相應(yīng)位置布置共45個測點。為了方便對工作區(qū)的PM2.5濃度進(jìn)行分析，特將工作區(qū)劃分為A、B、C、D、E、F、G 共8個區(qū)域。

圖8 測點布置圖

2.4 拓展模擬結(jié)果分析

基于建立的拓展模擬模型，對相同條件下各測點處PM2.5濃度凈化至35 ug/m3的時間（下文簡稱為PM2.5凈化時間）和氣流組織分布進(jìn)行分析。

2.4.1 兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)的PM2.5凈化時間對比分析

將兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)下各區(qū)域的PM2.5凈化時間和工作區(qū)的平均值列于表9中。

表9 工作區(qū)域凈化時間

由表9可以看出，不同工作區(qū)域的PM2.5凈化時間都存在差異。工況1、2、3的凈化時間都比工況4、5、6短，且工況1、2、3各區(qū)域的凈化時間差別不大，但工況4、5、6的上方工作區(qū)A、B、C、D的凈化時間都較下方工作區(qū)E、F、G、H稍長，且3種工況下凈化時間最長的區(qū)域都是D、H區(qū)。分析原因雖然空凈一體機和空調(diào)系統(tǒng)都有多個送風(fēng)口，但工況1、2、3中空凈一體機送出的是潔凈空氣，使其更均勻地分布到各個區(qū)域，加快了凈化的進(jìn)度且污染物的凈化均勻性較好，而工況4、5、6的空調(diào)出風(fēng)口反而會因為交叉射流的原因而抑制潔凈空氣的擴(kuò)散；工況4、5、6上方區(qū)域受凈化器回流影響較大，容易聚集污染物，所以凈化時間較下方區(qū)域長，D、H區(qū)則主要受到打印機污染源的影響，尤其是D區(qū)，其同時受到打印機污染源和凈化器回流的影響，所以凈化時間最長。

為了更清楚地對比兩種聯(lián)合系統(tǒng)之間的差別，將兩種系統(tǒng)各個工況下的凈化平均值表示在圖9中。

圖9 不同聯(lián)合運行系統(tǒng)的平均凈化時間

從圖9可以看出，對于凈化時間都是空凈一體機聯(lián)合運行小于空氣凈化器聯(lián)合運行，且隨著空凈一體機和空調(diào)風(fēng)量的增加，兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)凈化時間之間的偏差增大。分析形成這種差別的原因是空凈一體機風(fēng)量越大即送出的潔凈空氣越多，潔凈空氣通過多個送風(fēng)口較為均勻地分布在房間各處，表現(xiàn)為凈化時間縮短；但空調(diào)風(fēng)量越大，其各個送風(fēng)口的風(fēng)速越大，或許更容易抑制空氣凈化器吹出的潔凈空氣向四周擴(kuò)散，表現(xiàn)為凈化時間變長。

2.4.2 造成兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)凈化差別的影響因素分析

通過對兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)的比較可知，兩者的工作條件完全一致，只有因系統(tǒng)本身的構(gòu)成不同而導(dǎo)致的房間內(nèi)氣流組織分布不同這一個差別。所以重點分析兩者的氣流組織不同對凈化效果的影響。以模擬工況3和6作為典型工況進(jìn)行氣流組織分析。

空凈一體機聯(lián)合運行系統(tǒng)在T= 30 min時人體呼吸區(qū)的速度流場圖如圖10所示。

圖10 空凈一體機聯(lián)合運行系統(tǒng)速度流場圖

從圖10可以看出，此時呼吸區(qū)存在較多渦流區(qū)，且分布在各個區(qū)域，尤其是A、B、E、F區(qū)的渦流數(shù)量較多，分析原因為空凈一體機出風(fēng)在受到墻壁的限制后方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，后受到出口射流的卷吸形成渦流，C、D、G、H區(qū)的渦流同理，但由于排風(fēng)口處負(fù)壓區(qū)的影響，導(dǎo)致渦流區(qū)會更偏向于非工作區(qū)的排風(fēng)口處。且可明顯看出B區(qū)的渦流區(qū)最小，流線數(shù)量最少，所以在此區(qū)域的PM2.5濃度最高，凈化時間也最長；F、G、H區(qū)受到排風(fēng)口的影響較大，按理說PM2.5凈化時間都較短，但H區(qū)同時會受到打印機污染源的影響，所以凈化時間稍長，即F、G區(qū)的凈化時間最短。這也與表9的數(shù)據(jù)相符，證明渦流區(qū)的形成在一定程度上可以促進(jìn)對PM2.5的凈化。

相同時刻下空氣凈化器聯(lián)合運行系統(tǒng)在人體呼吸區(qū)的速度流場圖如圖11所示。

圖11 空氣凈化器聯(lián)合運行系統(tǒng)速度流場圖

從圖11看出此時空氣凈化器聯(lián)合系統(tǒng)在呼吸區(qū)的渦流區(qū)較少，且主要分布在C、D、G、H區(qū)域，整體來看右側(cè)區(qū)的流線要比左側(cè)區(qū)密集，畫出A-A剖面的流場圖如圖12所示。

圖12 A-A剖面的流場圖

由圖12看出，在空氣凈化器聯(lián)合空調(diào)設(shè)備、換氣系統(tǒng)運行時，空氣凈化器所送出的潔凈空氣部分會受到空調(diào)設(shè)備回流的影響直接進(jìn)入空調(diào)回風(fēng)口，但絕大部分潔凈氣流仍能夠到達(dá)空調(diào)送風(fēng)口2處的區(qū)域。由于潔凈空氣受到送風(fēng)口2的影響后水平動量增大，直至受到墻壁的限制后開始向左右兩側(cè)擴(kuò)散，然而，由于G、H區(qū)受到排風(fēng)口的影響且空調(diào)氣流不斷卷吸周圍的污濁空氣直至在打印機所處壁面遇阻礙時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時，卷吸打印機周圍的污濁空氣，進(jìn)而流入工作區(qū)H，這增加了H區(qū)的PM2.5濃度，致使盡管G、H區(qū)渦流區(qū)較多，凈化時間卻較E、F區(qū)長，這也與表9的數(shù)據(jù)相符。

綜上所述空凈一體機聯(lián)合運行系統(tǒng)的氣流組織更好，可以在送、回風(fēng)以及新、排風(fēng)口形成良好的空氣循環(huán)，使?jié)崈艨諝飧鶆虻胤植加诠ぷ鲄^(qū)，污濁空氣更好的進(jìn)入回風(fēng)口和排風(fēng)口。

3 結(jié)論

文章通過實驗和模擬結(jié)合的方式研究了辦公房間內(nèi)兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)分別將PM2.5凈化至35 μg/m3以下的時間進(jìn)行對比，得出結(jié)論如下：

1）就PM2.5凈化時間而言，房間冷負(fù)荷分別為7 127 W、5 982 W和5 224 W時，空凈一體機聯(lián)合運行較空氣凈化器聯(lián)合運行分別縮短了45.71 %、28.57 %和27.03 %。即在辦公房間內(nèi)空凈一體機聯(lián)合運行系統(tǒng)對PM2.5的凈化更有利。

2）在空凈一體機和空氣凈化器送風(fēng)量差別不大的情況下，造成兩者凈化時間差別的原因主要是氣流組織，較好的氣流組織可以形成良好的空氣循環(huán)，縮短凈化時間。