本發(fā)明涉及空氣凈化技術領域，特別涉及一種室內(nèi)流場跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)。

背景技術：

過去幾十年中國經(jīng)濟的快速發(fā)展產(chǎn)生的霧霾污染已經(jīng)成為嚴重的環(huán)境問題，威脅到人類的生存環(huán)境和身體健康。霧霾的源頭多種多樣，比如汽車尾氣、工業(yè)排放、建筑揚塵、垃圾焚燒，甚至火山噴發(fā)等等，霧霾天氣通常是多種污染源混合作用形成的，但各地區(qū)的霧霾天氣中，不同污染源的作用程度各有差異。二氧化硫、氮氧化物以及可吸入顆粒物這三項是霧霾主要組成，前兩者為氣態(tài)污染物，最后一項顆粒物才是加重霧霾天氣污染的罪魁禍首。持續(xù)高發(fā)、頻發(fā)、連片、且越來越嚴重的霧霾,使城市空氣污染問題成為公眾最關心的問題之一，但治理霧霾不是一件簡單、一蹴而就的事情，不單是環(huán)境保護部門的任務，而需要地方政府和中央政府都應該盡快建立符合中國地理現(xiàn)實的防治顆粒型污染通則和落實細則，且任重而道遠。因此，空氣凈化器就成為當前解決室內(nèi)空氣污染的最主要的手段。

在精密機械加工、表面噴涂、醫(yī)藥制造、食品加工、醫(yī)院等對空氣質(zhì)量要求較高的場合，需要采用高質(zhì)量空氣凈化設備，保證室內(nèi)所有空間的空氣質(zhì)量都符合要求。空氣凈化器的主要技術指標包括風機風量、凈化效率(CADR)、能效比和安全性能，用戶可以根據(jù)這些參數(shù)和房間面積粗略選擇合適的產(chǎn)品和型號，通過空氣凈化器上PM2.5的讀數(shù)了解其凈化效果，但空氣凈化器的讀數(shù)只反映其附近位置的空氣質(zhì)量，無法體現(xiàn)整個房間的情況。實際中，空氣凈化器的凈化效果不僅與空氣凈化器的捕集效率有關，而且與室內(nèi)污染顆粒物隨循環(huán)風進入到凈化器的份額有關，即空氣凈化器對房間空氣品質(zhì)的改善不僅與空氣凈化器本身性能有關，而且與使用條件相關。

隨著計算機的發(fā)展，利用計算流體力學對氣流組織進行數(shù)值模擬的方法應運而生。數(shù)值模擬方法通過求解質(zhì)量、動量、能量、氣體組分質(zhì)量守恒方程和粒子運動方程，得到室內(nèi)各個位置的風速、溫度、相對濕度、污染物濃度、空氣年齡等參數(shù)，研究比較不同通風方式、房間面積和布局、空氣凈化器擺放位置、出口風速、入口和出口方向、空氣凈化器不同面速對室內(nèi)污染物濃度分布和通風效率的影響。目前的產(chǎn)品都是采用潔凈空氣出口和空氣入口一體的空氣凈化器，還未出現(xiàn)分體式空氣凈化器。因此，提出采用檢測室內(nèi)流場和顆粒物濃度的傳感器，空氣凈化單元和電風扇吹風單元組成的分體式空氣凈化器結(jié)構(gòu)，利用空氣凈化器提供潔凈空氣，利用電風扇主動控制室內(nèi)氣體流場分布，增加室內(nèi)PM2.5等顆粒物隨循環(huán)風進入到空氣凈化器的份額，為提高室內(nèi)空氣質(zhì)量提供了一種經(jīng)濟的、實用、有效的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種室內(nèi)流場跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)，構(gòu)建以氣體流場檢測單元和顆粒物濃度檢測單元為系統(tǒng)輸入，空氣凈化單元和電風扇吹風單元為系統(tǒng)輸出，通過控制器單元的運算功能實現(xiàn)空氣凈化單元的面速和電風扇吹風單元的風速的控制，在室內(nèi)形成有利于顆粒物進入空氣凈化單元的循環(huán)風流場，提高PM2.5等顆粒物隨循環(huán)風進入到空氣凈化器的份額，提高空氣凈化器的凈化效果。

本發(fā)明實施例提供一種室內(nèi)流場跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)，包括：

根據(jù)房間大小和結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)布置若干個氣體流場檢測單元和若干個顆粒物濃度檢測單元，實時檢測室內(nèi)關鍵位置的氣體流速大小、方向以及顆粒物的濃度，用于室內(nèi)流場分析和顆粒物室內(nèi)分布特性分析；

空氣凈化系統(tǒng)采用分體式結(jié)構(gòu)，根據(jù)房間大小和結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)布置若干個空氣凈化單元和若干個電風扇吹風單元，在電風扇吹風單元作用下，使空氣凈化單元出風口產(chǎn)生的潔凈空氣流經(jīng)室內(nèi)絕大部分區(qū)域，最后進入空氣凈化單元進風口，形成比較穩(wěn)定的循環(huán)流場，保證室內(nèi)PM2.5等顆粒物隨循環(huán)風被各個空氣凈化單元收集，提高PM2.5等顆粒物凈化的速度和效果；

根據(jù)房間大小和結(jié)構(gòu)，設計各個空氣凈化單元和各個電風扇吹風單元的位置和方向，空氣凈化單元的數(shù)量和電風扇吹風單元的數(shù)量不一定相等，但在各個電風扇吹風單元作用下，保證各個空氣凈化單元的進風口有穩(wěn)定的循環(huán)風進入；

控制器單元根據(jù)房間結(jié)構(gòu)和布局、各個空氣凈化單元和電風扇吹風單元的位置，室內(nèi)氣體流場速度分布特征和室內(nèi)顆粒物濃度分布特征，采用合適的控制各個空氣凈化單元風速和電風扇吹風單元風速的算法，在室內(nèi)形成穩(wěn)定的循環(huán)風流場。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的室內(nèi)流場跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的室內(nèi)流場跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)的組成框圖；

圖3為本發(fā)明實施例中的軟件算法輸入輸出關系圖；

圖4為本發(fā)明實施例中的仿真物理模型；

圖5為本發(fā)明實施例中的空氣凈化器出風口的仿真氣流流線圖；

圖6為本發(fā)明實施例中的y＝0平面仿真氣體流場速度云圖。

圖7為本發(fā)明實施例中的電風扇氣體流場主動控制方法與房間內(nèi)PM2.5顆粒污染物殘留數(shù)量仿真的關系圖；

圖8為本發(fā)明實施例中的周期矩形波氣體流場主動控制法電風扇壓力差ΔP及空氣凈化器出風口的氣流流線圖的周期性圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的室內(nèi)流場跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)的原理框圖；如圖1所示，氣體流場檢測單元13實時檢測室內(nèi)的氣體流動速度和方向，并通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)實時傳送到控制器單元15；顆粒物濃度檢測單元14實時檢測室內(nèi)的顆粒物濃度，并通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)實時傳送到控制器單元15；控制器單元15根據(jù)室內(nèi)氣體流場速度和室內(nèi)顆粒物濃度，以及房間結(jié)構(gòu)、確定空氣凈化單元11的風速和電風扇吹風單元12的風速，實現(xiàn)室內(nèi)顆粒物的快速捕獲，提高空氣凈化器的效果。

圖2為本發(fā)明實施例中的室內(nèi)流場跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)的組成框圖；如圖2所示，氣體流場檢測單元13由P個分布在室內(nèi)的氣體流場檢測模塊131-13P組成，實時檢測室內(nèi)P個關鍵位置的氣體流動速度和方向，并通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)實時傳送到控制器單元15；顆粒物濃度檢測單元14由Q個分布在室內(nèi)的顆粒物濃度檢測模塊141-14Q組成，實時檢測室內(nèi)Q個關鍵位置的顆粒物濃度，并通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)實時傳送到控制器單元15；控制器單元15根據(jù)P個關鍵位置的氣體流動速度和方向分析室內(nèi)氣體流場速度分布特征，根據(jù)Q個關鍵位置的顆粒物濃度分析室內(nèi)顆粒物濃度分布特征；控制器單元15根據(jù)室內(nèi)氣體流場速度分布特征和室內(nèi)顆粒物濃度分布特征，以及房間結(jié)構(gòu)、M個空氣凈化模塊111-11M和N個電風扇吹風模塊121-12N的位置，確定M個空氣凈化模塊111-11M的風速和N個電風扇吹風模塊121-12N的風速，實現(xiàn)室內(nèi)氣體流場控制，提高空氣凈化器的效果。

圖3為本發(fā)明實施例中的軟件算法輸入輸出關系圖；如圖3所示，控制算法21的輸入量為顆粒物濃度分布22、氣體流場分布23和房間結(jié)構(gòu)24，控制算法21的輸出量為各個空氣凈化模塊面速25、各個電風扇風速26。

圖4為本發(fā)明實施例中的仿真物理模型；通過仿真方法，驗證設計思想。圖4所示為利用Gambit建模軟件建立的房間模型，圖5-圖8為利用Fluent軟件對此模型進行仿真的結(jié)果；以一個5層高、朝南的一個房間為例進行數(shù)值模擬；房間31的尺寸為4.9mX3mX2.8m(長X寬X高)，朝南方向有一扇窗戶32，朝東方向是房間的大門33。房間內(nèi)有一個空氣凈化器34和一個電風扇35；空氣凈化器34的外形尺寸為0.432mX0.268mX0.638m(長X寬X高)，擺放在房間31南面中間的靠墻位置，空氣凈化器34的進風口purifier-room-out在空氣凈化器的側(cè)面，尺寸為0.38mX0.24m(長X寬)，面向北方；空氣凈化器34的出風口purifier-room-in朝上，尺寸為0.19mX0.085m(長X寬)；電風扇35擺放在房間北面中間靠墻位置，直徑為0.4m的圓形風扇正對著空氣凈化器34的進風口，利用電風扇35的集總參數(shù)模型表達電風扇對氣體流場的作用，在此，用厚度無限薄的直徑0.4m的圓形的面Fan-face模擬電風扇，F(xiàn)an-face兩邊的壓力差ΔP與流過電風扇的風速成一定的關系；在模型中，將purifier-room-in設置為速度入口邊界條件(velocity inlet)，purifier-room-out設置為自由出流邊界條件(outflow)，F(xiàn)an-face設置為交界面邊界條件(interface)，F(xiàn)an-face面將房間分為兩個部分，將房間中其它的面設置為實墻(wall)。

圖5為本發(fā)明實施例中的空氣凈化器出風口的仿真的氣流流線圖，圖6為本發(fā)明實施例中的y＝0平面仿真的氣體流場速度云圖；在仿真時，將空氣凈化器34的purifier-room-in邊界條件設置為0.05m/s、0.5m/s和1.5m/s不同面速，電風扇35設置壓力差ΔP＝0和壓力差ΔP＝100兩種情況，圖5所示為空氣凈化器34和電風扇35在不同情況下、工作300秒時的空氣凈化器34的出口氣流流線圖，圖6所示為y＝0平面氣體流場速度云圖；從圖5(a)、5(b)和5(c)所示氣流流線圖和圖6(a)、6(b)和6(c)所示氣體流場速度云圖可見，當凈化器面速0.2m/s時，新鮮空氣從凈化器出來后很快就下降，容易造成新鮮空氣短路，影響凈化效果；當凈化器面速0.5m/s，情況有所改善，當凈化器面速達到1m/s時，新鮮空氣可以直接到達房間頂部，并輸送到房間其他地方。從圖5(d)、5(e)和5(f)所示氣流流線圖和圖6(d)、6(e)和6(f)所示氣體流場速度云圖可見，當電風扇35的壓力差ΔP＝100時，在電風扇35產(chǎn)生的氣流對氣體流場的作用下，即使凈化器34面速只有0.2m/s新鮮空氣也可以輸送到房間31的其它地方，提高了凈化效果；從圖6(d)、6(e)和6(f)所示氣體流場速度云圖可見，當電風扇35的壓力差ΔP＝100時，在凈化器34和電風扇35的中間氣體流場形成了渦流區(qū)，因此，易造成室內(nèi)PM2.5等顆粒污染物在此區(qū)域發(fā)生懸浮。

圖7為本發(fā)明實施例中的電風扇氣體流場主動控制方法與房間內(nèi)PM2.5顆粒污染物殘留數(shù)量仿真的關系圖；如圖7所示，為探究基于電風扇35的氣體流場主動控制方法對提高PM2.5顆粒物捕獲率的影響，電風扇35設置了4種仿真條件：

(1)電風扇不工作，壓力差ΔP＝0，如圖中Point 1。

(2)電風扇壓力差持續(xù)為ΔP＝100，如圖中Point 2。

(3)在310秒之前電風扇壓力差ΔP＝100，310秒之后ΔP＝0，如圖中Point 3。

(4)采用周期矩形波氣體流場主動控制方法，ΔP＝100和ΔP＝0交替出現(xiàn)，以某一占空比的周期矩形波對氣體流場實現(xiàn)主動控制。如圖中Point 4。

空氣凈化器34的purifier-room-in邊界條件都設置為面速1m/s不變，仿真開始時，利用MATLAB軟件在房間31內(nèi)均勻釋放9992個PM2.5顆粒，研究4種不同仿真條件下房間31內(nèi)PM2.5顆粒污染物殘留數(shù)量下降特性；由圖7可見，在第一種條件下(Point 1)，電風扇35不工作，到530秒時空氣凈化器34捕獲PM2.5顆粒污染物1941個，剩余80.6％。在第二種條件下(Point 2)，電風扇35的ΔP＝100，到530秒時空氣凈化器34捕獲PM2.5顆粒污染物2616個，剩余73.8％，很明顯，通過電風扇主動控制氣體流場方法可以提高PM2.5顆粒污染物凈化質(zhì)量；在第三種條件下(Point 3)，在310秒之后將電風扇35的壓力差由ΔP＝100變?yōu)棣＝0，到530秒時空氣凈化器34捕獲PM2.5顆粒污染物2863個，剩余71.3％。雖然電風扇35停止工作，但與電風扇35一直工作的第二種條件比較，捕獲PM2.5顆粒污染物的數(shù)量有所增加，主要原因是電風扇35一直工作會造成氣體流場的不對稱，以及渦流現(xiàn)象，使空氣凈化器的捕獲效率受到影響；在第四種條件下(Point 4)，采用周期矩形波氣體流場主動控制方法，ΔP＝100和ΔP＝0交替出現(xiàn)，到530秒時捕獲PM2.5顆粒污染物達到4301個，剩余57.0％；由此可見，采用周期矩形波氣體流場主動控制方法可以大大提高捕獲PM2.5顆粒污染物的數(shù)量。

圖8為本發(fā)明實施例中的周期矩形波氣體流場主動控制法電風扇壓力差ΔP及空氣凈化器出風口的氣流流線圖的周期性圖；如圖8(a)所示，310秒時氣體流場變差，此時將ΔP＝100轉(zhuǎn)換為ΔP＝0，圖8(b)-8(f)各個時刻氣體流場在不斷變化，圖8(f)所示流場已經(jīng)基本恢復，在8(f)所示360秒時將ΔP＝0轉(zhuǎn)換為ΔP＝100，開始加快捕獲粒子的速度；經(jīng)過圖8(g)-8(m)各個時刻氣體流場變化，到圖8(m)所示430秒時流場變差，重復圖8(a)的開始的過程；由圖8所示不同時刻ΔP的數(shù)值可計算出周期矩形波的周期為120秒和占空比為70/120＝58.3％。

綜上，(1)通過構(gòu)建基于氣體流場檢測單元、顆粒物濃度檢測單元、空氣凈化單元、電風扇吹風單元和控制器單元的分體式空氣凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)室內(nèi)流場的跟蹤控制，提高PM2.5等顆粒物的捕獲速度，提高空氣凈化器的效果。

(2)通過電風扇壓力差的周期性變化，實現(xiàn)周期矩形波對氣體流場的主動控制，使空氣凈化器的潔凈空氣在室內(nèi)大范圍內(nèi)形成循環(huán)風氣體流場，有效提高空氣凈化器對PM2.5顆粒污染物捕獲效率。為提高室內(nèi)空氣質(zhì)量提供一種經(jīng)濟的、實用，有效的方法。

(3)構(gòu)建的分體式空氣凈化系統(tǒng)，可以用于PM10以及其它尺寸大小的顆粒污染物的捕獲和空氣凈化。

(4)針對結(jié)構(gòu)布局不同、大小不同的房間，不同的空氣凈化器及其擺放位置，可以通過改變矩形波的周期和占空比，實現(xiàn)有針對性的氣體流場主動控制；除了周期矩形波外，也可以采用三角波、鋸齒波、階梯波等波形控制方式，實現(xiàn)氣體流場最優(yōu)控制。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。