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

背景技術(shù)：

過去幾十年中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展產(chǎn)生的霧霾污染已經(jīng)成為嚴(yán)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(yáng)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(xiàng)是霧霾主要組成，前兩者為氣態(tài)污染物，最后一項(xiàng)顆粒物才是加重霧霾天氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。持續(xù)高發(fā)、頻發(fā)、連片、且越來越嚴(yán)重的霧霾,使城市空氣污染問題成為公眾最關(guān)心的問題之一，但治理霧霾不是一件簡(jiǎn)單、一蹴而就的事情，不單是環(huán)境保護(hù)部門的任務(wù)，而需要地方政府和中央政府都應(yīng)該盡快建立符合中國(guó)地理現(xiàn)實(shí)的防治顆粒型污染通則和落實(shí)細(xì)則，且任重而道遠(yuǎn)。因此，空氣凈化器就成為當(dāng)前解決室內(nèi)空氣污染的最主要的手段。

在精密機(jī)械加工、表面噴涂、醫(yī)藥制造、食品加工、醫(yī)院等對(duì)空氣質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，需要采用高質(zhì)量空氣凈化設(shè)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(shù)指標(biāo)包括風(fēng)機(jī)風(fēng)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(hào)，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(gè)房間的情況。實(shí)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(guān)，而且與室內(nèi)污染顆粒物隨循環(huán)風(fēng)進(jìn)入到凈化器的份額有關(guān)，即空氣凈化器對(duì)房間空氣品質(zhì)的改善不僅與空氣凈化器本身性能有關(guān)，而且與使用條件相關(guān)。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，利用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬的方法應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)值模擬方法通過求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量、氣體組分質(zhì)量守恒方程和粒子運(yùn)動(dòng)方程，得到室內(nèi)各個(gè)位置的風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、污染物濃度、空氣年齡等參數(shù)，研究比較不同通風(fēng)方式、房間面積和布局、空氣凈化器擺放位置、出口風(fēng)速、入口和出口方向、空氣凈化器不同面速對(duì)室內(nèi)污染物濃度分布和通風(fēng)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(cè)室內(nèi)流場(chǎng)和顆粒物濃度的傳感器，空氣凈化單元和電風(fēng)扇吹風(fēng)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(fēng)扇主動(dòng)控制室內(nèi)氣體流場(chǎng)分布，增加室內(nèi)PM2.5等顆粒物隨循環(huán)風(fēng)進(jìn)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(jì)的、實(shí)用、有效的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種室內(nèi)流場(chǎng)跟蹤控制分體式空氣凈化系統(tǒng)，構(gòu)建以氣體流場(chǎng)檢測(cè)單元和顆粒物濃度檢測(cè)單元為系統(tǒng)輸入，空氣凈化單元和電風(fēng)扇吹風(fēng)單元為系統(tǒng)輸出，通過控制器單元的運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)空氣凈化單元的面速和電風(fēng)扇吹風(fēng)單元的風(fēng)速的控制，在室內(nèi)形成有利于顆粒物進(jìn)入空氣凈化單元的循環(huán)風(fēng)流場(chǎng)，提高PM2.5等顆粒物隨循環(huán)風(fēng)進(jìn)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(shí)施例提供一種室內(nèi)流場(chǎng)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(gè)氣體流場(chǎng)檢測(cè)單元和若干個(gè)顆粒物濃度檢測(cè)單元，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)關(guān)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(chǎng)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(gè)空氣凈化單元和若干個(gè)電風(fēng)扇吹風(fēng)單元，在電風(fēng)扇吹風(fēng)單元作用下，使空氣凈化單元出風(fēng)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(jìn)入空氣凈化單元進(jìn)風(fēng)口，形成比較穩(wěn)定的循環(huán)流場(chǎng)，保證室內(nèi)PM2.5等顆粒物隨循環(huán)風(fēng)被各個(gè)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(shè)計(jì)各個(gè)空氣凈化單元和各個(gè)電風(fēng)扇吹風(fēng)單元的位置和方向，空氣凈化單元的數(shù)量和電風(fēng)扇吹風(fēng)單元的數(shù)量不一定相等，但在各個(gè)電風(fēng)扇吹風(fēng)單元作用下，保證各個(gè)空氣凈化單元的進(jìn)風(fēng)口有穩(wěn)定的循環(huán)風(fēng)進(jìn)入；

控制器單元根據(jù)房間結(jié)構(gòu)和布局、各個(gè)空氣凈化單元和電風(fēng)扇吹風(fēng)單元的位置，室內(nèi)氣體流場(chǎng)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(gè)空氣凈化單元風(fēng)速和電風(fēng)扇吹風(fēng)單元風(fēng)速的算法，在室內(nèi)形成穩(wěn)定的循環(huán)風(fēng)流場(chǎng)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)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(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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(shí)施例提供的室內(nèi)流場(chǎng)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(shí)施例中的室內(nèi)流場(chǎng)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(shí)施例中的軟件算法輸入輸出關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的仿真物理模型；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的空氣凈化器出風(fēng)口的仿真氣流流線圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中的y＝0平面仿真氣體流場(chǎng)速度云圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中的電風(fēng)扇氣體流場(chǎng)主動(dòng)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(guān)系圖；

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

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的室內(nèi)流場(chǎng)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(chǎng)檢測(cè)單元13實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)的氣體流動(dòng)速度和方向，并通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制器單元15；顆粒物濃度檢測(cè)單元14實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)時(shí)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(chǎng)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(fēng)速和電風(fēng)扇吹風(fēng)單元12的風(fēng)速，實(shí)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(shí)施例中的室內(nèi)流場(chǎng)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(chǎng)檢測(cè)單元13由P個(gè)分布在室內(nèi)的氣體流場(chǎng)檢測(cè)模塊131-13P組成，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)P個(gè)關(guān)鍵位置的氣體流動(dòng)速度和方向，并通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制器單元15；顆粒物濃度檢測(cè)單元14由Q個(gè)分布在室內(nèi)的顆粒物濃度檢測(cè)模塊141-14Q組成，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)Q個(gè)關(guān)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(shí)時(shí)傳送到控制器單元15；控制器單元15根據(jù)P個(gè)關(guān)鍵位置的氣體流動(dòng)速度和方向分析室內(nèi)氣體流場(chǎng)速度分布特征，根據(jù)Q個(gè)關(guān)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(chǎng)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(gè)空氣凈化模塊111-11M和N個(gè)電風(fēng)扇吹風(fēng)模塊121-12N的位置，確定M個(gè)空氣凈化模塊111-11M的風(fēng)速和N個(gè)電風(fēng)扇吹風(fēng)模塊121-12N的風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)氣體流場(chǎng)控制，提高空氣凈化器的效果。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的軟件算法輸入輸出關(guān)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(chǎng)分布23和房間結(jié)構(gòu)24，控制算法21的輸出量為各個(gè)空氣凈化模塊面速25、各個(gè)電風(fēng)扇風(fēng)速26。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的仿真物理模型；通過仿真方法，驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(duì)此模型進(jìn)行仿真的結(jié)果；以一個(gè)5層高、朝南的一個(gè)房間為例進(jìn)行數(shù)值模擬；房間31的尺寸為4.9mX3mX2.8m(長(zhǎng)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(gè)空氣凈化器34和一個(gè)電風(fēng)扇35；空氣凈化器34的外形尺寸為0.432mX0.268mX0.638m(長(zhǎng)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(jìn)風(fēng)口purifier-room-out在空氣凈化器的側(cè)面，尺寸為0.38mX0.24m(長(zhǎng)X寬)，面向北方；空氣凈化器34的出風(fēng)口purifier-room-in朝上，尺寸為0.19mX0.085m(長(zhǎng)X寬)；電風(fēng)扇35擺放在房間北面中間靠墻位置，直徑為0.4m的圓形風(fēng)扇正對(duì)著空氣凈化器34的進(jìn)風(fēng)口，利用電風(fēng)扇35的集總參數(shù)模型表達(dá)電風(fēng)扇對(duì)氣體流場(chǎng)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(fēng)扇，F(xiàn)an-face兩邊的壓力差ΔP與流過電風(fēng)扇的風(fēng)速成一定的關(guān)系；在模型中，將purifier-room-in設(shè)置為速度入口邊界條件(velocity inlet)，purifier-room-out設(shè)置為自由出流邊界條件(outflow)，F(xiàn)an-face設(shè)置為交界面邊界條件(interface)，F(xiàn)an-face面將房間分為兩個(gè)部分，將房間中其它的面設(shè)置為實(shí)墻(wall)。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的空氣凈化器出風(fēng)口的仿真的氣流流線圖，圖6為本發(fā)明實(shí)施例中的y＝0平面仿真的氣體流場(chǎng)速度云圖；在仿真時(shí)，將空氣凈化器34的purifier-room-in邊界條件設(shè)置為0.05m/s、0.5m/s和1.5m/s不同面速，電風(fēng)扇35設(shè)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(fēng)扇35在不同情況下、工作300秒時(shí)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(chǎng)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(chǎng)速度云圖可見，當(dāng)凈化器面速0.2m/s時(shí)，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(dāng)凈化器面速0.5m/s，情況有所改善，當(dāng)凈化器面速達(dá)到1m/s時(shí)，新鮮空氣可以直接到達(dá)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(chǎng)速度云圖可見，當(dāng)電風(fēng)扇35的壓力差ΔP＝100時(shí)，在電風(fēng)扇35產(chǎn)生的氣流對(duì)氣體流場(chǎng)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(chǎng)速度云圖可見，當(dāng)電風(fēng)扇35的壓力差ΔP＝100時(shí)，在凈化器34和電風(fēng)扇35的中間氣體流場(chǎng)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(shí)施例中的電風(fēng)扇氣體流場(chǎng)主動(dòng)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(guān)系圖；如圖7所示，為探究基于電風(fēng)扇35的氣體流場(chǎng)主動(dòng)控制方法對(duì)提高PM2.5顆粒物捕獲率的影響，電風(fēng)扇35設(shè)置了4種仿真條件：

(1)電風(fēng)扇不工作，壓力差ΔP＝0，如圖中Point 1。

(2)電風(fēng)扇壓力差持續(xù)為ΔP＝100，如圖中Point 2。

(3)在310秒之前電風(fēng)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(chǎng)主動(dòng)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(duì)氣體流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。如圖中Point 4。

空氣凈化器34的purifier-room-in邊界條件都設(shè)置為面速1m/s不變，仿真開始時(shí)，利用MATLAB軟件在房間31內(nèi)均勻釋放9992個(gè)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(fēng)扇35不工作，到530秒時(shí)空氣凈化器34捕獲PM2.5顆粒污染物1941個(gè)，剩余80.6％。在第二種條件下(Point 2)，電風(fēng)扇35的ΔP＝100，到530秒時(shí)空氣凈化器34捕獲PM2.5顆粒污染物2616個(gè)，剩余73.8％，很明顯，通過電風(fēng)扇主動(dòng)控制氣體流場(chǎng)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(fēng)扇35的壓力差由ΔP＝100變?yōu)棣＝0，到530秒時(shí)空氣凈化器34捕獲PM2.5顆粒污染物2863個(gè)，剩余71.3％。雖然電風(fēng)扇35停止工作，但與電風(fēng)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(fēng)扇35一直工作會(huì)造成氣體流場(chǎng)的不對(duì)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(chǎng)主動(dòng)控制方法，ΔP＝100和ΔP＝0交替出現(xiàn)，到530秒時(shí)捕獲PM2.5顆粒污染物達(dá)到4301個(gè)，剩余57.0％；由此可見，采用周期矩形波氣體流場(chǎng)主動(dòng)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(shí)施例中的周期矩形波氣體流場(chǎng)主動(dòng)控制法電風(fēng)扇壓力差ΔP及空氣凈化器出風(fēng)口的氣流流線圖的周期性圖；如圖8(a)所示，310秒時(shí)氣體流場(chǎng)變差，此時(shí)將ΔP＝100轉(zhuǎn)換為ΔP＝0，圖8(b)-8(f)各個(gè)時(shí)刻氣體流場(chǎng)在不斷變化，圖8(f)所示流場(chǎng)已經(jīng)基本恢復(fù)，在8(f)所示360秒時(shí)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(gè)時(shí)刻氣體流場(chǎng)變化，到圖8(m)所示430秒時(shí)流場(chǎng)變差，重復(fù)圖8(a)的開始的過程；由圖8所示不同時(shí)刻ΔP的數(shù)值可計(jì)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(chǎng)檢測(cè)單元、顆粒物濃度檢測(cè)單元、空氣凈化單元、電風(fēng)扇吹風(fēng)單元和控制器單元的分體式空氣凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)流場(chǎng)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(fēng)扇壓力差的周期性變化，實(shí)現(xiàn)周期矩形波對(duì)氣體流場(chǎng)的主動(dòng)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(fēng)氣體流場(chǎng)，有效提高空氣凈化器對(duì)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(jì)的、實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的氣體流場(chǎng)主動(dòng)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(shí)現(xiàn)氣體流場(chǎng)最優(yōu)控制。

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