空凈一體機和空氣凈化器聯合系統對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.天津商業大學機械工程學院 天津 300134；2.北洋藍（天津）環保科技有限公司 天津 300100）

引言

由于國家越來越關注環境質量，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PM2.5污染主要源于室外大氣，即使關閉建筑外窗，室內外PM2.5濃度水平仍存在顯著關聯[2-4]。

空氣凈化器是控制室內PM2.5污染的主要設備，后來集空調的制冷/熱和空氣凈化器的凈化功能于一體的空凈一體機出現，袁文昭等[5]基于靜電吸附原理，通過數值模擬計算發現就空調器的凈化功能來說，靜電吸附技術還是難以替代Hepa濾網。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組裝到一起。孫剛森[7]采用實測與數值計算的方式，探討了空調與空氣凈化器聯合運行時對室內氣流組織的影響。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與空氣凈化器同時運行時室內污染物的凈化效果展開了研究，通過研究得出空調器與空氣凈化器的安裝位置，以及空調器的運行模式都對室內污染物的凈化效果有著顯著影響。

韓星星[9]通過數值模擬研究了空凈一體機和空調聯合空氣凈化器兩種情況對室內甲醛濃度的影響，空調機和凈化型空調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，空調聯合空氣凈化器凈化效果優于空凈一體機。

但無論是選擇空凈一體機還是空氣凈化器和空調聯合運行，都無法保證室內的新鮮空氣量，為此有研究提出加入換氣系統，趙田[10]通過實驗與模擬相結合的方法，研究了換氣系統與空凈一體空調聯合運行時，空凈一體空調送風參數與換氣系統新排風口位置對室內PM2.5凈化效果的影響。董戰偉[11]對辦公房間進行了區域劃分，并對比了空氣凈化器復合系統等四種不同聯合運行方式各區域的PM2.5凈化時間，研究結果表明采用空氣凈化器、換氣系統與空調復合系統的辦公區域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合換氣系統和空氣凈化器+空調聯合換氣系統運行對辦公室內PM2.5的凈化能力進行對比的研究。基于此，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合運行系統的凈化時間，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。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值模型，以空凈一體機聯合運行系統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格劃分，網格質量為0.348～0.999 8，質量較好。

1.1.2 數學模型

為了確保模擬的準確性，需要對數學模型進行設置，具體內容見表1。

表1 數學模型設置

1.1.3 邊界條件

送風速度、溫度根據實測數據設置，PM2.5初始濃度為300 ug/m3。

1.2 實驗研究

為了驗證數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

根據房間面積和規范[12]知室內共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，具體參數如表2所示。

表2 空凈一體機基本參數

對于PM2.5濃度監測，選擇在1.2 m平面的人體呼吸區設置，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合運行系統下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，空凈一體機和空調的具體運行參數見表5，空氣凈化器的擺放位置表示在圖6中，運行參數如表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 空凈一體機及空調設備相關參數

表6 空氣凈化器相關參數

拓展模擬房間室內共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合運行系統，B模型為空氣凈化器聯合運行系統，兩個模型除了系統所需設備不同，其余條件完全一致，模型的具體建立如下。

2.2.1 物理模型

同前文對換氣系統新、排風口，空凈一體機/空調送、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

對房間進行網格劃分，A、B模型網格質量分別為0.33～0.999 8、0.35～0.999 6，質量較好。

2.2.2 數學模型

對于數學模型，前文已經驗證過，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合運行系統對PM2.5的凈化效果區別，為使研究更具普適性，選取了不同房間冷負荷下兩種聯合系統的運行工況，卡式空凈一體機聯合運行工況為1、2、3，空氣凈化器聯合運行工況為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高度人體呼吸區的各項數值，故如圖8所示在相應位置布置共45個測點。為了方便對工作區的PM2.5濃度進行分析，特將工作區劃分為A、B、C、D、E、F、G 共8個區域。

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 兩種聯合運行系統的PM2.5凈化時間對比分析

將兩種聯合運行系統下各區域的PM2.5凈化時間和工作區的平均值列于表9中。

表9 工作區域凈化時間

由表9可以看出，不同工作區域的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各區域的凈化時間差別不大，但工況4、5、6的上方工作區A、B、C、D的凈化時間都較下方工作區E、F、G、H稍長，且3種工況下凈化時間最長的區域都是D、H區。分析原因雖然空凈一體機和空調系統都有多個送風口，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域長，D、H區則主要受到打印機污染源的影響，尤其是D區，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合系統之間的差別，將兩種系統各個工況下的凈化平均值表示在圖9中。

圖9 不同聯合運行系統的平均凈化時間

從圖9可以看出，對于凈化時間都是空凈一體機聯合運行小于空氣凈化器聯合運行，且隨著空凈一體機和空調風量的增加，兩種聯合運行系統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，表現為凈化時間縮短；但空調風量越大，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，表現為凈化時間變長。

2.4.2 造成兩種聯合運行系統凈化差別的影響因素分析

通過對兩種聯合運行系統的比較可知，兩者的工作條件完全一致，只有因系統本身的構成不同而導致的房間內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。

空凈一體機聯合運行系統在T= 30 min時人體呼吸區的速度流場圖如圖10所示。

圖10 空凈一體機聯合運行系統速度流場圖

從圖10可以看出，此時呼吸區存在較多渦流區，且分布在各個區域，尤其是A、B、E、F區的渦流數量較多，分析原因為空凈一體機出風在受到墻壁的限制后方向發生偏轉，后受到出口射流的卷吸形成渦流，C、D、G、H區的渦流同理，但由于排風口處負壓區的影響，導致渦流區會更偏向于非工作區的排風口處。且可明顯看出B區的渦流區最小，流線數量最少，所以在此區域的PM2.5濃度最高，凈化時間也最長；F、G、H區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區的凈化時間最短。這也與表9的數據相符，證明渦流區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合運行系統在人體呼吸區的速度流場圖如圖11所示。

圖11 空氣凈化器聯合運行系統速度流場圖

從圖11看出此時空氣凈化器聯合系統在呼吸區的渦流區較少，且主要分布在C、D、G、H區域，整體來看右側區的流線要比左側區密集，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，在空氣凈化器聯合空調設備、換氣系統運行時，空氣凈化器所送出的潔凈空氣部分會受到空調設備回流的影響直接進入空調回風口，但絕大部分潔凈氣流仍能夠到達空調送風口2處的區域。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區受到排風口的影響且空調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生偏轉，同時，卷吸打印機周圍的污濁空氣，進而流入工作區H，這增加了H區的PM2.5濃度，致使盡管G、H區渦流區較多，凈化時間卻較E、F區長，這也與表9的數據相符。

綜上所述空凈一體機聯合運行系統的氣流組織更好，可以在送、回風以及新、排風口形成良好的空氣循環，使潔凈空氣更均勻地分布于工作區，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兩種聯合運行系統分別將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，空凈一體機聯合運行較空氣凈化器聯合運行分別縮短了45.71 %、28.57 %和27.03 %。即在辦公房間內空凈一體機聯合運行系統對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，縮短凈化時間。