段吉如 王澤通 孟錦程 賈利芝 王 攀

（1.天津商業(yè)大學機械工程學院 天津 300134；2.北洋藍（天津）環(huán)?？萍加邢薰?天津 300100）

引言

由于國家越來越關注環(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，即使關閉建筑外窗，室內(nèi)外PM2.5濃度水平仍存在顯著關聯(lián)[2-4]。

空氣凈化器是控制室內(nèi)PM2.5污染的主要設備，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行了比較和分析。結果表明，在相同風量情況下，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)送風參數(shù)與換氣系統(tǒng)新排風口位置對室內(nèi)PM2.5凈化效果的影響。董戰(zhàn)偉[11]對辦公房間進行了區(qū)域劃分，并對比了空氣凈化器復合系統(tǒng)等四種不同聯(lián)合運行方式各區(qū)域的PM2.5凈化時間，研究結果表明采用空氣凈化器、換氣系統(tǒng)與空調(diào)復合系統(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的凈化能力進行對比的研究?；诖?，文章先用實驗驗證模型的準確性，再通過拓展模擬比較兩種聯(lián)合運行系統(tǒng)的凈化時間，最后得出結論。

1 模型建立與準確性驗證

在同一條件下，將實驗結果與模擬結果進行比較，以檢驗模擬結果的精度，為以后的拓展模擬提供依據(jù)。為了達到這樣的目的，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)為例檢驗模型的準確性。

1.1 模型建立

1.1.1 物理模型

將換氣系統(tǒng)新、排風口和空凈一體機送、回風口簡化為光滑平面，模擬房間尺寸為6.13×3×3.2 m，對房間進行非結構化網(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)學模型

為了確保模擬的準確性，需要對數(shù)學模型進行設置，具體內(nèi)容見表1。

表1 數(shù)學模型設置

1.1.3 邊界條件

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

1.2 實驗研究

為了驗證數(shù)值模擬的準確性和完善物理模型的邊界條件進而需要進行實驗研究。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，總新風量為120 m3/h，當新風速度為1.5 m/s時新、排風口尺寸均為240 mm×240 mm。辦公室最大冷負荷為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口都簡化為了光滑的平面，實際實驗時風口是有格柵的，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，認為模擬所用的數(shù)學模型基本準確，可以拓展到更復雜的模型中使用。

2 拓展模擬研究

根據(jù)前文的驗證結果可知建立的模型基本正確，可以拓展到更復雜的模擬中使用，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 設備確立

文章所用模擬設備如圖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)設備相關參數(shù)

表6 空氣凈化器相關參數(shù)

拓展模擬房間室內(nèi)共16人，總新風量為480 m3/h，當新風速度為1.5 m/s時新、排風口尺寸均為300 mm×300 mm，新風中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、排風口，空凈一體機/空調(diào)送、回風口以及空氣凈化器送、回風口做相同的簡化，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)學模型

對于數(shù)學模型，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確，與前文進行相同的設置。

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所示在相應位置布置共45個測點。為了方便對工作區(qū)的PM2.5濃度進行分析，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)出風口反而會因為交叉射流的原因而抑制潔凈空氣的擴散；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量越大即送出的潔凈空氣越多，潔凈空氣通過多個送風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)風量越大，其各個送風口的風速越大，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)本身的構成不同而導致的房間內(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，但由于排風口處負壓區(qū)的影響，導致渦流區(qū)會更偏向于非工作區(qū)的排風口處。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，整體來看右側區(qū)的流線要比左側區(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)設備回流的影響直接進入空調(diào)回風口，但絕大部分潔凈氣流仍能夠到達空調(diào)送風口2處的區(qū)域。由于潔凈空氣受到送風口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擴散，然而，由于G、H區(qū)受到排風口的影響且空調(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、回風以及新、排風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)，污濁空氣更好的進入回風口和排風口。

3 結論

文章通過實驗和模擬結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以下的時間進行對比，得出結論如下：

1）就PM2.5凈化時間而言，房間冷負荷分別為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。