一种室内流场跟踪控制分体式空气净化系统的制作方法

本发明涉及空气净化技术领域，特别涉及一种室内流场跟踪控制分体式空气净化系统。

背景技术：

过去几十年中国经济的快速发展产生的雾霾污染已经成为严重的环境问题，威胁到人类的生存环境和身体健康。雾霾的源头多种多样，比如汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧，甚至火山喷发等等，雾霾天气通常是多种污染源混合作用形成的，但各地区的雾霾天气中，不同污染源的作用程度各有差异。二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物这三项是雾霾主要组成，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。持续高发、频发、连片、且越来越严重的雾霾,使城市空气污染问题成为公众最关心的问题之一，但治理雾霾不是一件简单、一蹴而就的事情，不单是环境保护部门的任务，而需要地方政府和中央政府都应该尽快建立符合中国地理现实的防治颗粒型污染通则和落实细则，且任重而道远。因此，空气净化器就成为当前解决室内空气污染的最主要的手段。

在精密机械加工、表面喷涂、医药制造、食品加工、医院等对空气质量要求较高的场合，需要采用高质量空气净化设备，保证室内所有空间的空气质量都符合要求。空气净化器的主要技术指标包括风机风量、净化效率(CADR)、能效比和安全性能，用户可以根据这些参数和房间面积粗略选择合适的产品和型号，通过空气净化器上PM2.5的读数了解其净化效果，但空气净化器的读数只反映其附近位置的空气质量，无法体现整个房间的情况。实际中，空气净化器的净化效果不仅与空气净化器的捕集效率有关，而且与室内污染颗粒物随循环风进入到净化器的份额有关，即空气净化器对房间空气品质的改善不仅与空气净化器本身性能有关，而且与使用条件相关。

随着计算机的发展，利用计算流体力学对气流组织进行数值模拟的方法应运而生。数值模拟方法通过求解质量、动量、能量、气体组分质量守恒方程和粒子运动方程，得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气年龄等参数，研究比较不同通风方式、房间面积和布局、空气净化器摆放位置、出口风速、入口和出口方向、空气净化器不同面速对室内污染物浓度分布和通风效率的影响。目前的产品都是采用洁净空气出口和空气入口一体的空气净化器，还未出现分体式空气净化器。因此，提出采用检测室内流场和颗粒物浓度的传感器，空气净化单元和电风扇吹风单元组成的分体式空气净化器结构，利用空气净化器提供洁净空气，利用电风扇主动控制室内气体流场分布，增加室内PM2.5等颗粒物随循环风进入到空气净化器的份额，为提高室内空气质量提供了一种经济的、实用、有效的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种室内流场跟踪控制分体式空气净化系统，构建以气体流场检测单元和颗粒物浓度检测单元为系统输入，空气净化单元和电风扇吹风单元为系统输出，通过控制器单元的运算功能实现空气净化单元的面速和电风扇吹风单元的风速的控制，在室内形成有利于颗粒物进入空气净化单元的循环风流场，提高PM2.5等颗粒物随循环风进入到空气净化器的份额，提高空气净化器的净化效果。

本发明实施例提供一种室内流场跟踪控制分体式空气净化系统，包括：

根据房间大小和结构，在室内布置若干个气体流场检测单元和若干个颗粒物浓度检测单元，实时检测室内关键位置的气体流速大小、方向以及颗粒物的浓度，用于室内流场分析和颗粒物室内分布特性分析；

空气净化系统采用分体式结构，根据房间大小和结构，在室内布置若干个空气净化单元和若干个电风扇吹风单元，在电风扇吹风单元作用下，使空气净化单元出风口产生的洁净空气流经室内绝大部分区域，最后进入空气净化单元进风口，形成比较稳定的循环流场，保证室内PM2.5等颗粒物随循环风被各个空气净化单元收集，提高PM2.5等颗粒物净化的速度和效果；

根据房间大小和结构，设计各个空气净化单元和各个电风扇吹风单元的位置和方向，空气净化单元的数量和电风扇吹风单元的数量不一定相等，但在各个电风扇吹风单元作用下，保证各个空气净化单元的进风口有稳定的循环风进入；

控制器单元根据房间结构和布局、各个空气净化单元和电风扇吹风单元的位置，室内气体流场速度分布特征和室内颗粒物浓度分布特征，采用合适的控制各个空气净化单元风速和电风扇吹风单元风速的算法，在室内形成稳定的循环风流场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的室内流场跟踪控制分体式空气净化系统的原理框图；

图2为本发明实施例中的室内流场跟踪控制分体式空气净化系统的组成框图；

图3为本发明实施例中的软件算法输入输出关系图；

图4为本发明实施例中的仿真物理模型；

图5为本发明实施例中的空气净化器出风口的仿真气流流线图；

图6为本发明实施例中的y＝0平面仿真气体流场速度云图。

图7为本发明实施例中的电风扇气体流场主动控制方法与房间内PM2.5颗粒污染物残留数量仿真的关系图；

图8为本发明实施例中的周期矩形波气体流场主动控制法电风扇压力差ΔP及空气净化器出风口的气流流线图的周期性图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的室内流场跟踪控制分体式空气净化系统的原理框图；如图1所示，气体流场检测单元13实时检测室内的气体流动速度和方向，并通过有线或无线方式将数据实时传送到控制器单元15；颗粒物浓度检测单元14实时检测室内的颗粒物浓度，并通过有线或无线方式将数据实时传送到控制器单元15；控制器单元15根据室内气体流场速度和室内颗粒物浓度，以及房间结构、确定空气净化单元11的风速和电风扇吹风单元12的风速，实现室内颗粒物的快速捕获，提高空气净化器的效果。

图2为本发明实施例中的室内流场跟踪控制分体式空气净化系统的组成框图；如图2所示，气体流场检测单元13由P个分布在室内的气体流场检测模块131-13P组成，实时检测室内P个关键位置的气体流动速度和方向，并通过有线或无线方式将数据实时传送到控制器单元15；颗粒物浓度检测单元14由Q个分布在室内的颗粒物浓度检测模块141-14Q组成，实时检测室内Q个关键位置的颗粒物浓度，并通过有线或无线方式将数据实时传送到控制器单元15；控制器单元15根据P个关键位置的气体流动速度和方向分析室内气体流场速度分布特征，根据Q个关键位置的颗粒物浓度分析室内颗粒物浓度分布特征；控制器单元15根据室内气体流场速度分布特征和室内颗粒物浓度分布特征，以及房间结构、M个空气净化模块111-11M和N个电风扇吹风模块121-12N的位置，确定M个空气净化模块111-11M的风速和N个电风扇吹风模块121-12N的风速，实现室内气体流场控制，提高空气净化器的效果。

图3为本发明实施例中的软件算法输入输出关系图；如图3所示，控制算法21的输入量为颗粒物浓度分布22、气体流场分布23和房间结构24，控制算法21的输出量为各个空气净化模块面速25、各个电风扇风速26。

图4为本发明实施例中的仿真物理模型；通过仿真方法，验证设计思想。图4所示为利用Gambit建模软件建立的房间模型，图5-图8为利用Fluent软件对此模型进行仿真的结果；以一个5层高、朝南的一个房间为例进行数值模拟；房间31的尺寸为4.9mX3mX2.8m(长X宽X高)，朝南方向有一扇窗户32，朝东方向是房间的大门33。房间内有一个空气净化器34和一个电风扇35；空气净化器34的外形尺寸为0.432mX0.268mX0.638m(长X宽X高)，摆放在房间31南面中间的靠墙位置，空气净化器34的进风口purifier-room-out在空气净化器的侧面，尺寸为0.38mX0.24m(长X宽)，面向北方；空气净化器34的出风口purifier-room-in朝上，尺寸为0.19mX0.085m(长X宽)；电风扇35摆放在房间北面中间靠墙位置，直径为0.4m的圆形风扇正对着空气净化器34的进风口，利用电风扇35的集总参数模型表达电风扇对气体流场的作用，在此，用厚度无限薄的直径0.4m的圆形的面Fan-face模拟电风扇，Fan-face两边的压力差ΔP与流过电风扇的风速成一定的关系；在模型中，将purifier-room-in设置为速度入口边界条件(velocity inlet)，purifier-room-out设置为自由出流边界条件(outflow)，Fan-face设置为交界面边界条件(interface)，Fan-face面将房间分为两个部分，将房间中其它的面设置为实墙(wall)。

图5为本发明实施例中的空气净化器出风口的仿真的气流流线图，图6为本发明实施例中的y＝0平面仿真的气体流场速度云图；在仿真时，将空气净化器34的purifier-room-in边界条件设置为0.05m/s、0.5m/s和1.5m/s不同面速，电风扇35设置压力差ΔP＝0和压力差ΔP＝100两种情况，图5所示为空气净化器34和电风扇35在不同情况下、工作300秒时的空气净化器34的出口气流流线图，图6所示为y＝0平面气体流场速度云图；从图5(a)、5(b)和5(c)所示气流流线图和图6(a)、6(b)和6(c)所示气体流场速度云图可见，当净化器面速0.2m/s时，新鲜空气从净化器出来后很快就下降，容易造成新鲜空气短路，影响净化效果；当净化器面速0.5m/s，情况有所改善，当净化器面速达到1m/s时，新鲜空气可以直接到达房间顶部，并输送到房间其他地方。从图5(d)、5(e)和5(f)所示气流流线图和图6(d)、6(e)和6(f)所示气体流场速度云图可见，当电风扇35的压力差ΔP＝100时，在电风扇35产生的气流对气体流场的作用下，即使净化器34面速只有0.2m/s新鲜空气也可以输送到房间31的其它地方，提高了净化效果；从图6(d)、6(e)和6(f)所示气体流场速度云图可见，当电风扇35的压力差ΔP＝100时，在净化器34和电风扇35的中间气体流场形成了涡流区，因此，易造成室内PM2.5等颗粒污染物在此区域发生悬浮。

图7为本发明实施例中的电风扇气体流场主动控制方法与房间内PM2.5颗粒污染物残留数量仿真的关系图；如图7所示，为探究基于电风扇35的气体流场主动控制方法对提高PM2.5颗粒物捕获率的影响，电风扇35设置了4种仿真条件：

(1)电风扇不工作，压力差ΔP＝0，如图中Point 1。

(2)电风扇压力差持续为ΔP＝100，如图中Point 2。

(3)在310秒之前电风扇压力差ΔP＝100，310秒之后ΔP＝0，如图中Point 3。

(4)采用周期矩形波气体流场主动控制方法，ΔP＝100和ΔP＝0交替出现，以某一占空比的周期矩形波对气体流场实现主动控制。如图中Point 4。

空气净化器34的purifier-room-in边界条件都设置为面速1m/s不变，仿真开始时，利用MATLAB软件在房间31内均匀释放9992个PM2.5颗粒，研究4种不同仿真条件下房间31内PM2.5颗粒污染物残留数量下降特性；由图7可见，在第一种条件下(Point 1)，电风扇35不工作，到530秒时空气净化器34捕获PM2.5颗粒污染物1941个，剩余80.6％。在第二种条件下(Point 2)，电风扇35的ΔP＝100，到530秒时空气净化器34捕获PM2.5颗粒污染物2616个，剩余73.8％，很明显，通过电风扇主动控制气体流场方法可以提高PM2.5颗粒污染物净化质量；在第三种条件下(Point 3)，在310秒之后将电风扇35的压力差由ΔP＝100变为ΔP＝0，到530秒时空气净化器34捕获PM2.5颗粒污染物2863个，剩余71.3％。虽然电风扇35停止工作，但与电风扇35一直工作的第二种条件比较，捕获PM2.5颗粒污染物的数量有所增加，主要原因是电风扇35一直工作会造成气体流场的不对称，以及涡流现象，使空气净化器的捕获效率受到影响；在第四种条件下(Point 4)，采用周期矩形波气体流场主动控制方法，ΔP＝100和ΔP＝0交替出现，到530秒时捕获PM2.5颗粒污染物达到4301个，剩余57.0％；由此可见，采用周期矩形波气体流场主动控制方法可以大大提高捕获PM2.5颗粒污染物的数量。

图8为本发明实施例中的周期矩形波气体流场主动控制法电风扇压力差ΔP及空气净化器出风口的气流流线图的周期性图；如图8(a)所示，310秒时气体流场变差，此时将ΔP＝100转换为ΔP＝0，图8(b)-8(f)各个时刻气体流场在不断变化，图8(f)所示流场已经基本恢复，在8(f)所示360秒时将ΔP＝0转换为ΔP＝100，开始加快捕获粒子的速度；经过图8(g)-8(m)各个时刻气体流场变化，到图8(m)所示430秒时流场变差，重复图8(a)的开始的过程；由图8所示不同时刻ΔP的数值可计算出周期矩形波的周期为120秒和占空比为70/120＝58.3％。

综上，(1)通过构建基于气体流场检测单元、颗粒物浓度检测单元、空气净化单元、电风扇吹风单元和控制器单元的分体式空气净化系统，实现室内流场的跟踪控制，提高PM2.5等颗粒物的捕获速度，提高空气净化器的效果。

(2)通过电风扇压力差的周期性变化，实现周期矩形波对气体流场的主动控制，使空气净化器的洁净空气在室内大范围内形成循环风气体流场，有效提高空气净化器对PM2.5颗粒污染物捕获效率。为提高室内空气质量提供一种经济的、实用，有效的方法。

(3)构建的分体式空气净化系统，可以用于PM10以及其它尺寸大小的颗粒污染物的捕获和空气净化。

(4)针对结构布局不同、大小不同的房间，不同的空气净化器及其摆放位置，可以通过改变矩形波的周期和占空比，实现有针对性的气体流场主动控制；除了周期矩形波外，也可以采用三角波、锯齿波、阶梯波等波形控制方式，实现气体流场最优控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。