室內空氣凈化器氣流組織的數值模擬研究

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，需要根據房間面積(A)確定空氣凈化器的送風量，而目前送審的聯合企業標準中已有根據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，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的關系曲線，根據該曲線可以得到相應的CADR值所需要的K值，然后我們根據房間大小建立模型，給定一系列的風量數值，用AIRPAK仿真得到該K值下所需要的風量數值，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)領域開發的一款CFD軟件，專門為暖通專業設計，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；其界面較粗糙，仍采用Fluent作為求解器。對于比較規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， 并輸出室內各節點的速度數值，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，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，需要根據房間的面積確定空氣凈化器的送風量，而目前已送審的聯合企業標準中已經有根據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（k）[3]。

潔凈空氣量和房間體積、衰減系數有關，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。

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A=0.1×CADR 得到CADR值，根據（1）得到相應的k值，最后利用AIRPAK及其仿真結果得到數據曲線進行估算，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，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 實驗數據(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，得到送風量與速度不均勻系數。

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；計算程序如圖3。

5 結論與分析

把上述風量、潔凈空氣量、速度不均勻系數等數據匯總，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先增加，在送風量達到200m3/h的時候，速度不均勻系數達到最大值，約為4.9×107，然后，隨著送風量再繼續增加的時候，速度不均勻系數呈下降趨勢。

（3）由圖6～圖7綜合起來把室內速度不均勻系數與潔凈空氣量相關聯，得到速度不均勻系數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先增加，在送風量達到90m3/h的時候，速度不均勻系數達到最大值，約為4.9×107，然后，隨著送風量再繼續增加的時候，速度不均勻系數呈下降趨勢。

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

（4）圖7是用MATLAB把室內速度不均勻系數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。

[1]劉希女 申江 楊永安 鄒同華 吳雙.Airpak在客車空調系統設計中的應用[ 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值模擬研究[ J ].建筑節能,2008.38 (4).

[3]張坤.多聯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值模擬研究[ J ].制冷,2010.29