李喜玉 劉偉龍

（珠海格力電器股份有限公司家電技術(shù)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(zhì)，潔凈空氣量、凈化效果和室內(nèi)的流場(chǎng)分布有很大的關(guān)系。

設(shè)計(jì)一款同類型的空氣凈化器時(shí)，需要根據(jù)房間面積(A)確定空氣凈化器的送風(fēng)量，而目前送審的聯(lián)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已有根據(jù)房間面積確定潔凈空氣量（CADR）的標(biāo)準(zhǔn)：A=0.1×CADR，需要潔凈空氣量與送風(fēng)量之間的關(guān)系，這樣就可以由房間面積來(lái)設(shè)計(jì)合適風(fēng)量的空氣凈化器，因CADR值是一個(gè)和室內(nèi)氣流組織分布有直接關(guān)系的參數(shù)，室內(nèi)氣流組織的分布目前還缺乏一種定量合理的評(píng)價(jià)體系，本文以速度不均勻系數(shù)評(píng)價(jià)室內(nèi)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(shù)的關(guān)系曲線，根據(jù)該曲線可以得到相應(yīng)的CADR值所需要的K值，然后我們根據(jù)房間大小建立模型，給定一系列的風(fēng)量數(shù)值，用AIRPAK仿真得到該K值下所需要的風(fēng)量數(shù)值，即是所需的空氣凈化器風(fēng)量值[1-2]。

1 AIRPAK簡(jiǎn)介

AIRPAK是Fluent Inc.公司推出的專門(mén)針對(duì)HVAC(暖通空調(diào))領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一款CFD軟件，專門(mén)為暖通專業(yè)設(shè)計(jì)，內(nèi)置了許多模型，如房間、墻、風(fēng)口、人員、熱源等，能夠自動(dòng)網(wǎng)格化，能生成報(bào)表、動(dòng)畫(huà)、功能雖然沒(méi)有Fluent全面，但比Fluent專業(yè)；其界面較粗糙，仍采用Fluent作為求解器。對(duì)于比較規(guī)則的建筑物的模擬比較精確，對(duì)于特殊外形的建筑物建模過(guò)程比較繁瑣，可以準(zhǔn)確地模擬通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動(dòng)、空氣品質(zhì)、傳熱、污染和舒適度等問(wèn)題[6]。本文是應(yīng)用AIRPAK軟件對(duì)空氣凈化器室內(nèi)氣流組織進(jìn)行仿真， 并輸出室內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的速度數(shù)值，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行編程，計(jì)算出室內(nèi)流場(chǎng)分布的速度不均勻系數(shù)，從而指導(dǎo)空氣凈化器的方案定制。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方案

2.1 室內(nèi)氣流組織的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)一款空氣凈化器時(shí)，需要根據(jù)房間的面積確定空氣凈化器的送風(fēng)量，而目前已送審的聯(lián)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)有根據(jù)房間面積確定潔凈空氣量的標(biāo)準(zhǔn)：A=0.1×CADR，需要潔凈空氣量與送風(fēng)量之間的關(guān)系，這樣就可以由房間面積來(lái)選定合適風(fēng)量（Q）的空氣凈化器，而如何把CADR與Q聯(lián)系起來(lái)，就需要找和CADR、Q均有關(guān)系的合理的中間橋梁—速度不均勻系數(shù)（k）[3]。

潔凈空氣量和房間體積、衰減系數(shù)有關(guān)，而深層次的應(yīng)該是由空氣凈化器的凈化性能、室內(nèi)氣流組織分布有關(guān)，對(duì)于一款凈化部件確定的空氣凈化器來(lái)說(shuō)，就僅與室內(nèi)氣流組織分布。而風(fēng)量也與室內(nèi)氣流組織分布具有直接的關(guān)系，k即是評(píng)價(jià)室內(nèi)氣流組織的參數(shù)。

流場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：

2.2 設(shè)計(jì)思路[4-5]

這樣我們?cè)谠O(shè)計(jì)一全新空氣凈化器之前可以根據(jù)以下的思路來(lái)制定這款空氣凈化器的方案：

（1）針對(duì)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(shù)k之間的關(guān)系，建立CADR和k曲線，這種關(guān)系是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真共同得到的。

（2）設(shè)計(jì)所針對(duì)的戶型（即房間面積S）根據(jù)A=0.1×CADR 得到CADR值，根據(jù)（1）得到相應(yīng)的k值，最后利用AIRPAK及其仿真結(jié)果得到數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行估算，從而得到送風(fēng)量Q。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：空氣凈化器：待測(cè)風(fēng)量、CADR；

制冷研究院風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室：用于空氣凈化器風(fēng)量測(cè)試

塵埃粒子計(jì)重儀 YFB-036：CADR測(cè)試儀器；

圖3 Matlab計(jì)算程序

實(shí)驗(yàn)艙：測(cè)潔凈空氣量

室內(nèi)塵埃初始濃度約10mg/m3

3.2 CADR實(shí)驗(yàn)方法

在一個(gè)放置空氣凈化器的標(biāo)準(zhǔn)3.5m×3.4m×2.5m實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，發(fā)生塵埃粒子的初始濃度為10mg/m3，開(kāi)啟空氣凈化器最強(qiáng)檔，并分別調(diào)節(jié)電源電壓為140V、160V、200V、220V、240V、260V，用塵埃粒子計(jì)重儀YFB-036對(duì)室內(nèi)總衰減率、自然衰減率進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)公式（2）自動(dòng)計(jì)算出CADR值。

潔凈空氣量：表征空氣凈化器凈化能力的參數(shù)，用單位時(shí)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(shí)（m3/h）；

V—測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1所示)

4 仿真

測(cè)試艙的內(nèi)部容積為30m3，內(nèi)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(fēng)量，用AIRPAK對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真；Matlab編程計(jì)算室內(nèi)流場(chǎng)分布的不均勻系數(shù)，得到送風(fēng)量與速度不均勻系數(shù)。

從圖2上，肉眼感官很難定性定量的來(lái)衡量氣流組織的分布，本文，把AIRPAK計(jì)算出的室內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度值輸出文件，并借助Matlab自行編程，一次求取室內(nèi)平均流速、速度方差和速度分布不均勻系數(shù)；計(jì)算程序如圖3。

5 結(jié)論與分析

把上述風(fēng)量、潔凈空氣量、速度不均勻系數(shù)等數(shù)據(jù)匯總，并繪制關(guān)系曲線，分析各種曲線之間的相互關(guān)系；各參數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖4-圖7所示。

（1）從圖4送風(fēng)量與潔凈空氣量的關(guān)系曲線可見(jiàn)，隨著過(guò)濾式空氣凈化器送風(fēng)量的增加，該空氣凈化器的潔凈空氣量也相應(yīng)增大，但是隨著風(fēng)量增大到一定程度時(shí)，潔凈空氣量的增加趨勢(shì)逐漸減弱，由此可見(jiàn)潔凈空氣量與送風(fēng)量呈正相關(guān)的趨勢(shì)。

（2）從圖5室內(nèi)流場(chǎng)速度不均勻系數(shù)與送風(fēng)量的關(guān)系曲線可見(jiàn)，隨著送風(fēng)量的增加，室內(nèi)流場(chǎng)不均勻系數(shù)先增加，在送風(fēng)量達(dá)到200m3/h的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)達(dá)到最大值，約為4.9×107，然后，隨著送風(fēng)量再繼續(xù)增加的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)呈下降趨勢(shì)。

（3）由圖6～圖7綜合起來(lái)把室內(nèi)速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量相關(guān)聯(lián)，得到速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量的關(guān)系曲線（圖4）；本實(shí)驗(yàn)是在KJG300A空氣凈化器的強(qiáng)檔工作狀態(tài)下把電壓從140V—240V的情況下測(cè)試的，相應(yīng)的空氣凈化器的送風(fēng)量從132m3/h—294m3/h ，潔凈空氣量從64m3/h—149m3/h，在此范圍內(nèi)，速度不均勻系數(shù)是隨空氣凈化器送風(fēng)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(nèi)流場(chǎng)不均勻系數(shù)先增加，在送風(fēng)量達(dá)到90m3/h的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)達(dá)到最大值，約為4.9×107，然后，隨著送風(fēng)量再繼續(xù)增加的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)呈下降趨勢(shì)。

表1 KJG300A凈化倉(cāng)潔凈空氣量實(shí)驗(yàn)

表2 Matlab編程計(jì)算所得速度平均值、速度方差和速度不均勻系數(shù)

（4）圖7是用MATLAB把室內(nèi)速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量的關(guān)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(nèi)速度不均勻系數(shù)。

[1]劉希女 申江 楊永安 鄒同華 吳雙.Airpak在客車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[ J ].天津商學(xué)院學(xué)報(bào),2004.24

[2]馬榮華 南國(guó)良 程景林.大學(xué)生公寓室內(nèi)污染物分布的數(shù)值模擬研究[ J ].建筑節(jié)能,2008.38 (4).

[3]張坤.多聯(lián)機(jī)室外機(jī)在室內(nèi)安裝時(shí)的設(shè)計(jì)問(wèn)題分析[ J].制冷與空調(diào),2011.11 (2).

[4]壽煒煒 張偉程等.上海光源工程儲(chǔ)存環(huán)隧道恒溫空調(diào)設(shè)計(jì)[ J ].暖通空調(diào),2007.37 (7).

[5]方進(jìn) 徐玉黨 雷飛 郭輝.新武漢火車站候車廳分層空調(diào)氣流組織CFD模擬研究[ J ].空調(diào).

[6]張春陽(yáng) 林豹.中學(xué)教室空調(diào)氣流組織的數(shù)值模擬研究[ J ].制冷,2010.29