龔國漢

（龍巖市食品藥品認(rèn)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(yán)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(jìn)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(fēng)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(biāo)，為了能夠準(zhǔn)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(biāo)?？梢姡絹碓蕉嗟膶W(xué)者對空氣凈化器性能的影響因素及評價方法改進(jìn)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(fēng)扇風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)的修訂和改進(jìn)提供理論參考。

1 研究對象

本研究參照國家標(biāo)準(zhǔn)《空氣凈化器》（GB/T 18801—2015），將空氣凈化器置于30 m3標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)扇，靠近一角落懸吊有循環(huán)風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)扇、循環(huán)風(fēng)扇等部件區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量約為577萬個。

圖2 30 m3標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試驗艙結(jié)構(gòu)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)扇葉片、循環(huán)風(fēng)扇及空氣凈化器等部件的細(xì)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(fēng)和攪拌風(fēng)扇處于關(guān)停狀態(tài)，且不考慮漏風(fēng)的影響，標(biāo)準(zhǔn)試驗艙處于完全封閉環(huán)境。④假設(shè)空氣凈化器的進(jìn)（出）口為均勻邊界條件。

2.2 數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)扇采用風(fēng)扇邊界，其循環(huán)風(fēng)量由設(shè)置的壓力值來實現(xiàn)控制，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(jìn)行評價。

空氣齡是指空氣質(zhì)點從進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點所經(jīng)歷的時間，是用來綜合衡量房間的通風(fēng)換氣效果和評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)。空氣齡反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，對于一個通風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇關(guān)閉、空氣凈化器為第2檔和新風(fēng)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(dāng)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(jìn)行解釋，當(dāng)空氣凈化器處于位置3 時，標(biāo)準(zhǔn)試驗艙內(nèi)的新風(fēng)形成的渦流是大范圍性的，在3 個方向都能延伸覆蓋。但當(dāng)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(fēng)，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(fēng)扇關(guān)閉、空氣凈化器處于中心點和新風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)扇風(fēng)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(fēng)朝向+Y時不同循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)試驗艙內(nèi)的換氣效率也隨之增大。當(dāng)Q循＜Q凈時，Q循平均每增加100 m3/h，換氣效率提升11.7%；當(dāng)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(dāng)Q循=400 m3/h時，換氣效率大于100%，說明空氣凈化器的新風(fēng)量（檔位）已不足以完全置換此時標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到100%（不考慮自身的損失），而循環(huán)風(fēng)扇將受到制約，實際循環(huán)風(fēng)量小于400 m3/h。從模擬結(jié)果來看，當(dāng)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(fēng)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(fēng)扇的開啟將完全改變標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(fēng)扇對標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)扇風(fēng)量等因素對30 m3標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇風(fēng)量能夠大幅提升換氣效率，在循環(huán)風(fēng)量大于空氣凈化器新風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)試驗艙內(nèi)檢測空氣凈化器的凈化指標(biāo)時，為充分發(fā)揮其凈化性能，建議循環(huán)風(fēng)量應(yīng)不低于1.55倍的空氣凈化器新風(fēng)量。