王瑩瑩 李廣勝 宋 聰 王登甲 劉艷峰

(1.綠色建筑全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安;2.西安建筑科技大學(xué),西安)

0 引言

青藏高原地區(qū)具有海拔高、大氣壓力低的特殊地理?xiàng)l件,雖然大氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)仍為20.9%,但隨著海拔升高,空氣中的氧含量隨著密度減小而逐漸降低,例如,當(dāng)海拔為4 000 m時(shí),空氣中氧含量僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的60%[1]。研究表明:長期處于低壓缺氧環(huán)境中,將會對人的身體及心理健康造成不同程度的損害,如記憶力差、感知困難、疲勞感增加、工作效率下降等[2-8],這些影響對進(jìn)入高原地區(qū)工作的外來人員尤為明顯。因此,為高海拔地區(qū)進(jìn)行有效供氧成為高原缺氧人群的迫切需求。

高海拔地區(qū)現(xiàn)有供氧方式主要為個(gè)體供氧和彌散供氧。個(gè)體供氧須用氧氣罩或鼻塞將氧氣送到呼吸區(qū)域,且要攜帶供氧設(shè)備,人體活動受供氧導(dǎo)管的影響[9]。彌散供氧包括全空間彌散供氧及局部空間彌散供氧[10],其中全空間彌散供氧[11]是通過供氧末端向整個(gè)建筑空間輸送氧氣,增加整個(gè)建筑中的氧氣濃度,達(dá)到供氧效果,但富氧氣體彌散到整個(gè)房間需要一定時(shí)間,且容易存在氧氣分布不均勻、氧氣通過門窗縫隙滲透等問題。相比全空間彌散供氧,局部空間彌散供氧更加具有針對性,通過供氧末端向局部空間輸送氧氣,具有輸送距離短、速率快、氧氣利用率高等特點(diǎn)。因此,局部供氧成為營造適宜氧環(huán)境的有效方式。

眾多學(xué)者對高原低氣壓環(huán)境下局部供氧進(jìn)行了深入研究。張人梅[12]和胡松濤等人[13]對列車上新風(fēng)系統(tǒng)與供氧系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行供氧方式進(jìn)行了可行性研究,分析了在局部彌散供氧方式下影響列車需氧量的因素,并為列車供氧方案研究提供依據(jù)。劉艷峰等人提出了針對睡眠環(huán)境的局部彌散供氧方法,研究了局部供氧的富氧效果及舒適水平,并提出了適宜的局部供氧設(shè)計(jì)參數(shù)[14]。Lai等人對高原地區(qū)的客運(yùn)站或火車站排隊(duì)人群呼吸區(qū)進(jìn)行了局部彌散供氧研究,實(shí)現(xiàn)了高效供氧[15]。

對于高海拔地區(qū)辦公建筑,提高其室內(nèi)氧氣濃度是保證人員高效工作的重要途徑,因此,本文提出了針對高原建筑室內(nèi)工作點(diǎn)位的個(gè)性化供氧策略,對其供氧效果進(jìn)行了模擬研究,通過分析風(fēng)口位置、送風(fēng)速度、大氣壓力、送氧濃度等參數(shù),對工作點(diǎn)位呼吸區(qū)氧氣濃度及分布進(jìn)行了研究,以確定在不同氧氣濃度需求下供氧口位置、送風(fēng)速度等關(guān)鍵參數(shù),在達(dá)到人體適宜的氧濃度需求的同時(shí)增加氧利用率,實(shí)現(xiàn)對工作點(diǎn)位的高效供氧。

1 工作點(diǎn)位局部供氧研究方法

1.1 物理模型

本文選取了1間海拔為4 000 m處的簡化辦公室(見圖1),房間尺寸為6.0 m(長)×4.2 m(寬)×3.0 m(高),窗戶尺寸為1.8 m×1.8 m,下邊緣距地1.1 m,室內(nèi)置有常用的辦公桌模型,辦公桌尺寸為1.25m(長)×0.60 m(寬)×0.78 m(高),在簡化的人體模型面部前方高1.225 m處取垂直于地面的矩形截面1(尺寸為0.3 m×0.2 m),設(shè)該區(qū)域?yàn)槿宿k公時(shí)的動態(tài)呼吸區(qū),即為目標(biāo)供氧區(qū)域。距地1.25 m處(電腦上方)有一直徑為125 mm的圓形百葉送風(fēng)口,可通過調(diào)節(jié)百葉轉(zhuǎn)向來調(diào)節(jié)送風(fēng)角度,風(fēng)口距人面部0.70 m。本研究中送風(fēng)口的位置及角度是可變化調(diào)節(jié)的,以對比得出最佳風(fēng)口位置。在x=1.5 m截面上取方形截面2(尺寸為1.7 m×1.7 m),以便從側(cè)向得出氧氣濃度及速度場分布。

圖1 簡化辦公室模型示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1控制方程

富氧空氣流動產(chǎn)生的傳熱傳質(zhì)過程遵循質(zhì)量、動量和能量守恒定律,供氧時(shí)局部送風(fēng)口處氧氣濃度要遠(yuǎn)高于周圍空氣氧氣濃度,在氧氣濃度差的作用下,空氣中氧組分將發(fā)生擴(kuò)散,此時(shí)氧組分遵循組分質(zhì)量守恒定律:

(1)

式中t為時(shí)間,s;ρ為密度,kg/m3;Y為氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù);v為速度矢量,m/s;J為氧氣擴(kuò)散通量,kg/(m2·s);S為源項(xiàng)。

擴(kuò)散通量與氧氣濃度梯度和溫度梯度有關(guān),由菲克定律可得出濃度梯度引起的質(zhì)量擴(kuò)散。

(2)

式中Dm為混合物中氧氣的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù),m2/s;μt為湍流黏度,Pa·s;Sct為湍流施密特?cái)?shù),一般取0.7;DT為熱擴(kuò)散系數(shù),m2/s;T為熱力學(xué)溫度,K。

1.2.2邊界條件

本研究采用CFD方法模擬氧傳輸過程。邊界條件設(shè)置中,將局部送風(fēng)口定義為速度入口,將房間窗戶處設(shè)為壓力出口。根據(jù)DBJ 540002—2016《西藏自治區(qū)民用建筑供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[16],室內(nèi)溫度設(shè)置為20 ℃,模擬不同氣壓工況,對空氣密度、氧氣密度、擴(kuò)散系數(shù)等物性參數(shù)進(jìn)行低壓換算修正,見表1,并根據(jù)GB/T 35414—2017《高原地區(qū)室內(nèi)空間彌散供氧(氧調(diào))要求》[17]得出不同氣壓下的氧氣濃度需求。

表1 不同壓力下空氣物性參數(shù)修正及氧氣濃度需求

1.2.3數(shù)值解法

CFD求解設(shè)置中,選擇了基于壓力的瞬態(tài)方程,考慮重力的影響,在y方向設(shè)為-9.81 m/s2,打開能量方程,采用組分運(yùn)輸模型和K-εRNG模型來模擬富氧空氣流動及氧氣分布,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,對流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散格式選擇中,壓力項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)格式,動量方程和能量方程均采用一階迎風(fēng)格式,進(jìn)行瞬態(tài)模擬,時(shí)間步長為0.01 s,總時(shí)長為600 s。數(shù)值計(jì)算收斂準(zhǔn)則一方面按照Fluent的殘差量級監(jiān)控,殘差限值為默認(rèn)量級;另一方面對設(shè)定呼吸區(qū)的平均氧氣體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行監(jiān)控,保證平均氧氣濃度值隨迭代基本不變。滿足上述收斂準(zhǔn)則,即認(rèn)為最后的計(jì)算結(jié)果可靠。

1.2.4供氧效果評價(jià)方法

1) 平均氧氣濃度及平均風(fēng)速。

(3)

(4)

式中mi為位置i處氧氣體積分?jǐn)?shù),%;vi為位置i處風(fēng)速,m/s;n為位置總數(shù)。

2) 氧氣不均勻系數(shù)及速度不均勻系數(shù)。

為評價(jià)呼吸區(qū)氧氣濃度和風(fēng)速分布水平及不均勻程度,提出了氧氣不均勻系數(shù)km和速度不均勻系數(shù)kv,反映了呼吸區(qū)各點(diǎn)氧氣濃度和風(fēng)速偏離其平均值的程度,不均勻系數(shù)越高,分布越不均勻。

(5)

(6)

1.3 模型驗(yàn)證

為確定氧擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的可靠性,根據(jù)祝顯強(qiáng)等人[18]的低氣壓環(huán)境彌散供氧實(shí)驗(yàn)結(jié)果對建立的計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的邊界條件進(jìn)行模擬,將出流速度為5.89 m/s時(shí)彌散供氧流動軸向最大速度分布和彌散形成氧氣體積分?jǐn)?shù)大于22%的富氧區(qū)域?qū)嶒?yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對比

由驗(yàn)證結(jié)果可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合程度較好,認(rèn)為建立的數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測供氧過程。

2 低壓條件下工作點(diǎn)位供氧影響因素及效果分析

2.1 供氧溫度對氧氣擴(kuò)散及分布的影響

送入室內(nèi)的富氧空氣溫度將影響其密度大小,從而決定富氧空氣與室內(nèi)空氣密度差所產(chǎn)生的浮升力,進(jìn)而影響富氧氣體氣流組織。為了研究供氧溫度對呼吸區(qū)供氧效果的影響,對比分析了風(fēng)口位于人體面部正前方,格柵與水平方向夾角為30°,供氧風(fēng)口風(fēng)速v=0.3 m/s,供氧口氧氣體積分?jǐn)?shù)為27.2%,供氧溫度分別為18、20、22 ℃時(shí)的3種工況下的供氧效果。

根據(jù)模擬結(jié)果可知,3種不同供氧溫度下呼吸區(qū)的平均氧氣體積分?jǐn)?shù)分別約為21.2%、23.5%、21.0%,當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)供氧效果最好。圖3給出了不同供氧溫度下截面2的氧氣體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)速分布。由圖3可以看出:供氧溫度為18、20 ℃時(shí),富氧空氣以一定初速度流出后逐漸下沉,其流動軌跡類似于拋物線;當(dāng)供氧溫度為18 ℃時(shí),富氧空氣經(jīng)一定距離擴(kuò)散后到達(dá)呼吸區(qū)下部;當(dāng)供氧溫度為20 ℃時(shí),富氧空氣可直接到達(dá)呼吸區(qū),此時(shí)供氧效果最好;供氧溫度為22 ℃時(shí),富氧空氣流出后逐漸上浮,擴(kuò)散到呼吸區(qū)上方。這是因?yàn)楦谎蹩諝饬鞒龊笈c室內(nèi)空氣的密度差產(chǎn)生浮升力,其中富氧空氣密度受兩方面影響:一方面為富氧氣體溫度的影響,其溫度越高,密度越小;另一方面為富氧氣體本身氧氣濃度的影響,氧氣濃度越大,其密度越大。因此,供氧溫度為18、20 ℃時(shí),富氧空氣密度大于室內(nèi)空氣密度,富氧空氣流出后逐漸下沉;當(dāng)供氧溫度為22 ℃時(shí),其密度小于室內(nèi)空氣密度,浮升力向上,富氧空氣流出后逐漸上浮。

當(dāng)供氧溫度為20 ℃時(shí),呼吸區(qū)平均溫度為19.9 ℃,可以看出,當(dāng)供氧溫度與室內(nèi)空氣溫度相同時(shí),富氧空氣與室內(nèi)空氣的對流擴(kuò)散對呼吸區(qū)溫度場影響較小。因此,為方便處理溫差對密度產(chǎn)生的影響,進(jìn)而影響富氧空氣流動及其分布,本研究將供氧溫度設(shè)置為與室內(nèi)空氣初始狀態(tài)溫度一致,即均為20 ℃。

2.2 風(fēng)口位置對氧擴(kuò)散及分布的影響

風(fēng)口位置對供氧末端設(shè)計(jì)有重要影響,通過合理布置送風(fēng)末端位置,可將富氧空氣直接送到人體呼吸區(qū),提高供氧效率。

對比分析了風(fēng)口位置在人體面部正前方及位于斜上方時(shí),格柵與水平及豎直方向處于不同角度時(shí)7種工況下的供氧效果。供氧風(fēng)口采用局部送風(fēng)中常用直徑為125 mm的圓形百葉風(fēng)口,設(shè)定格柵與水平方向夾角為α(工況1～5分別對應(yīng)α為0°、30°、35°、40°、45°,見圖4a),以及風(fēng)口在人面部斜上方傾斜角為β(工況6、7分別對應(yīng)β為20°、30°,見圖4b),供氧風(fēng)口風(fēng)速v=0.3 m/s,供氧口氧氣體積分?jǐn)?shù)為27.2%,得出不同工況下呼吸區(qū)平均氧氣濃度、平均風(fēng)速和不均勻系數(shù)。

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圖4 風(fēng)口位置及工況

圖5給出了不同工況下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)、風(fēng)速的平均水平及不均勻系數(shù)對比。由圖5可以看出:工況2時(shí),呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值,相比供氧效果最差的工況7提高了5%,且不均勻系數(shù)降低了約36%;總體看來,工況2～5的供氧水平高于工況1、6、7,且氧氣和速度不均勻系數(shù)更低,即風(fēng)口位置處于正前方、風(fēng)速向上傾斜時(shí)的供氧效果要比水平直射和風(fēng)口處于側(cè)上方向下傾斜時(shí)供氧效果好。

圖5 不同工況下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)、 風(fēng)速的平均水平及不均勻系數(shù)對比

圖6給出了不同工況下截面2的氧氣體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)速分布。由圖6可知,由于氧氣密度大于空氣密度,當(dāng)采用水平或向下傾斜送風(fēng)時(shí),富氧空氣因重力作用下沉而不能到達(dá)呼吸區(qū),而隨著傾斜角α增大,氣流組織穿過人的頭部,氧氣也將越過呼吸區(qū),使得平均氧氣體積分?jǐn)?shù)降低,不均勻系數(shù)增大,供氧效率下降。

圖6 不同工況下截面2的氧氣體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)速分布

綜上,風(fēng)口位置在人體前方且向上傾斜30°～40°時(shí),供氧效果最好。人們可通過改變風(fēng)口格柵角度調(diào)節(jié)氣流流向,使得富氧空氣直接到達(dá)呼吸區(qū)。

2.3 大氣壓力對氧擴(kuò)散及分布的影響

大氣壓力對氧擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在氧氣、空氣在不同壓力下的密度、黏度和擴(kuò)散系數(shù)等物性參數(shù)的差別,隨著大氣壓力降低,空氣中氧氣密度減小,但其擴(kuò)散系數(shù)增大,從而影響呼吸區(qū)氧環(huán)境營造水平。

為研究大氣壓力對局部供氧效果的影響,對比分析了大氣壓力在50.5～70.1 kPa范圍內(nèi)變化時(shí)(海拔3 000～5 500 m)6種工況下的供氧效果,采用工況2的風(fēng)口位置,送風(fēng)速度為0.3 m/s,供氧口氧氣體積分?jǐn)?shù)為27.2%。

圖7給出了不同海拔下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布。由圖7可知:隨著海拔的升高,呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸降低,但降低幅度較小,僅為0.2%;且隨著海拔升高,呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)的極差減小,氧氣分布更加均勻。這是因?yàn)楦谎蹩諝饬鞒龊笈c周圍環(huán)境空氣進(jìn)行對流擴(kuò)散和以濃度梯度為驅(qū)動力的質(zhì)量擴(kuò)散,隨著海拔升高,一方面,氧氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)增大,增強(qiáng)了氧氣的擴(kuò)散過程;另一方面,空氣和氧氣密度降低,增大了富氧空氣及環(huán)境空氣中氧氣的濃度差,這使得擴(kuò)散過程加快。

圖7 不同海拔下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布

但總體看來,不同海拔下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)均處于23%～24%之間,供氧效果差距小。這可能與送風(fēng)距離和供氧濃度有關(guān),不同于送風(fēng)速度大、供氧濃度高的彌散供氧,本研究中供氧過程是依靠適宜的風(fēng)速將合適濃度的富氧空氣直接送到呼吸區(qū),具有供氧送風(fēng)速度小、氧擴(kuò)散距離短、供氧濃度低的特點(diǎn),富氧空氣與室內(nèi)空氣的對流擴(kuò)散強(qiáng)于依靠自身濃度差形成的質(zhì)量擴(kuò)散,因而在不同海拔高度時(shí),呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)差距較小。

2.4 送風(fēng)速度對氧擴(kuò)散及分布的影響

對于局部供氧,送風(fēng)速度大小對氣流組織分布、呼吸區(qū)平均氧氣濃度、平均風(fēng)速有重要影響。送風(fēng)速度較小時(shí)將導(dǎo)致富氧空氣不能直接到達(dá)呼吸區(qū),而送風(fēng)速度較大時(shí)將導(dǎo)致呼吸區(qū)平均速度過大引起吹風(fēng)感,所以送風(fēng)速度大小存在一個(gè)合適的范圍。因此,對比分析了送風(fēng)速度為0.20～0.45 m/s時(shí)的呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)、平均風(fēng)速、不均勻系數(shù)及其分布,采用工況2的風(fēng)口位置,供氧口氧氣體積分?jǐn)?shù)為27.2%。

圖8給出了不同送風(fēng)速度下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)、風(fēng)速的平均水平及不均勻系數(shù)對比。由圖8可知:當(dāng)送風(fēng)速度為0.3 m/s時(shí),平均氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大,相比0.2 m/s時(shí)提高了12%;隨著送風(fēng)速度的增大,呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)先增大后減小,平均風(fēng)速也有同樣的變化趨勢。這是因?yàn)樗惋L(fēng)速度小于0.3 m/s時(shí),富氧空氣由風(fēng)口射出后因自身重力作用下沉,未能到達(dá)呼吸區(qū)(見圖9);送風(fēng)速度為0.3 m/s時(shí)富氧空氣可直接到達(dá)呼吸區(qū),此時(shí)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)最大;而隨著送風(fēng)速度的繼續(xù)增大,富氧空氣下沉效應(yīng)減弱,逐漸越過呼吸區(qū),因此,平均氧氣體積分?jǐn)?shù)減小。由圖8可知,風(fēng)速過大或過小時(shí),都將使呼吸區(qū)氧氣及風(fēng)速不均勻系數(shù)增大,而當(dāng)送風(fēng)速度為0.3 m/s時(shí),不均勻系數(shù)最小,呼吸區(qū)氧氣及風(fēng)速分布更加均勻。

圖8 不同送風(fēng)速度下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)、 風(fēng)速的平均水平及不均勻系數(shù)對比

圖9 不同送風(fēng)速度下截面2的氧氣體積分?jǐn)?shù)及風(fēng)速分布

2.5 供氧濃度對氧擴(kuò)散及分布的影響

為研究供氧濃度對氧擴(kuò)散及分布的影響,對比分析了送風(fēng)速度為0.3 m/s、送風(fēng)口氧氣體積分?jǐn)?shù)為25.4%～32.6%時(shí),呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)、平均風(fēng)速、不均勻系數(shù)及其分布,采用工況2的風(fēng)口位置。

圖10給出了不同供氧體積分?jǐn)?shù)下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)、風(fēng)速的平均水平及不均勻系數(shù)對比。由圖10可知,呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)和平均速度并不是隨著供氧體積分?jǐn)?shù)的增大而增大,而是呈現(xiàn)先增后減的趨勢,當(dāng)供氧體積分?jǐn)?shù)為29.0%時(shí),呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值,相比供氧體積分?jǐn)?shù)為25.4%和33.0%時(shí)分別提高約10%和7%。這是因?yàn)楫?dāng)供氧體積分?jǐn)?shù)較低時(shí),因密度差產(chǎn)生的下沉作用較小,富氧空氣隨著氣流組織越過呼吸區(qū)向人后部擴(kuò)散(見圖11);隨著供氧體積分?jǐn)?shù)的增大,空氣中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,下沉作用增強(qiáng),形成的富氧區(qū)域高度逐漸降低,富氧空氣可逐漸到達(dá)呼吸區(qū),使得平均氧氣體積分?jǐn)?shù)增大;隨著供氧體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大,富氧空氣下沉至呼吸區(qū)以下,使得平均氧氣體積分?jǐn)?shù)減小。由圖10可知,供氧體積分?jǐn)?shù)為26.3%～27.2%時(shí),不均勻系數(shù)最小,這是因?yàn)榇藭r(shí)富氧區(qū)域正好處于呼吸區(qū),且分布均勻,隨著供氧體積分?jǐn)?shù)的增大,雖然平均氧氣體積分?jǐn)?shù)增大,但呼吸區(qū)氧氣分布不均勻,更加集中分布于部分區(qū)域,因而不均勻系數(shù)較大。

圖10 不同供氧體積分?jǐn)?shù)下呼吸區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)、 風(fēng)速的平均水平及不均勻系數(shù)對比

圖11 不同供氧體積分?jǐn)?shù)下截面2的氧氣體積分?jǐn)?shù)及風(fēng)速分布

2.6 各因素共同影響下呼吸區(qū)氧擴(kuò)散及分布

風(fēng)口位置、送風(fēng)速度和供氧濃度均對呼吸區(qū)氧氣濃度分布有顯著影響,為獲得在海拔4 000 m、大氣壓力為61.6 kPa時(shí)工作點(diǎn)位的個(gè)性化供氧關(guān)鍵參數(shù)取值,綜合對比了風(fēng)口位置、送風(fēng)速度和供氧濃度在不同取值組合下的供氧效果(見圖12),其中送風(fēng)角度α分別為30°、35°、40°,送風(fēng)速度v=0.3～0.4 m/s,供氧體積分?jǐn)?shù)為25.4%～32.6%。

由圖12可知:當(dāng)送風(fēng)角度相同時(shí),改變送風(fēng)速度,呼吸區(qū)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)會隨著供氧體積分?jǐn)?shù)增大呈現(xiàn)不同的變化趨勢,v=0.30 m/s時(shí)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,v=0.35 m/s時(shí)先增大之后趨于平緩,v=0.40 m/s時(shí)呈現(xiàn)一直增大的趨勢,且增大速率最大;當(dāng)保持相同的送風(fēng)速度時(shí),不同送風(fēng)角度對呼吸區(qū)供氧效果影響相似,α=30°時(shí)的供氧效果比α=35°、40°時(shí)的供氧效果好。因此,相比于送風(fēng)角度,送風(fēng)速度對供氧效果影響更大。

綜上所述,本研究給出了在海拔4 000 m、大氣壓力為61.6 kPa、適宜氧氣體積分?jǐn)?shù)為23.6%～25.0%時(shí)針對工作點(diǎn)位的個(gè)性化供氧關(guān)鍵參數(shù)建議范圍(見表2)。

表2 個(gè)性化供氧關(guān)鍵參數(shù)取值建議

目前高海拔地區(qū)房間富氧方式主要為全局彌散供氧,其利用制氧機(jī)獲得高濃度氧氣后通過氧氣出口將富氧空氣彌散至整個(gè)空間,從而提高室內(nèi)氧氣濃度。而本研究提出的個(gè)性化供氧系統(tǒng)除需要制氧機(jī)外,還需要合適的風(fēng)機(jī)及連接至各工位處的室內(nèi)管道,將適宜濃度的富氧空氣送到呼吸區(qū),以達(dá)到供氧目的。由此看來,相較于全空間彌散供氧,個(gè)性化供氧建設(shè)成本更高。但個(gè)性化供氧具有供氧速率快、氧擴(kuò)散距離短、使用方便、供氧效率顯著提高的特點(diǎn),因此,對于有局部氧需求的高海拔建筑,在進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)供氧時(shí),個(gè)性化供氧方式更加適用。對于高海拔地區(qū),室內(nèi)環(huán)境還伴隨著干燥、空氣溫度較低等問題,未來可在局部環(huán)境熱濕氧綜合環(huán)境提升方面作更為深入的研究,營造更為舒適的室內(nèi)環(huán)境。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)供氧溫度與室內(nèi)溫度一致時(shí),個(gè)性化供氧對呼吸區(qū)溫度場的影響較小,因此,可設(shè)置供氧溫度為20 ℃,以方便減小溫差對供氧效果的影響。

2) 風(fēng)口位置的選擇影響氣流組織及富氧區(qū)域分布,α=30°的供氧效果最好,應(yīng)根據(jù)人體呼吸區(qū)位置對比選擇合適的風(fēng)口位置及送風(fēng)角度,使得富氧空氣可直接到達(dá)呼吸區(qū)。

3) 大氣壓力對呼吸區(qū)供氧水平影響較小,空氣對流擴(kuò)散作用將強(qiáng)于以濃度差為驅(qū)動力的傳質(zhì)作用。

4) 風(fēng)口速度大小對氣流組織、呼吸區(qū)平均氧氣濃度和平均風(fēng)速有重要影響,風(fēng)速過大或過小都無法使富氧空氣到達(dá)呼吸區(qū),送風(fēng)速度取0.3～0.4 m/s時(shí)較為合適。

5) 呼吸區(qū)平均氧氣濃度不會隨著供氧濃度增大而增大,氧氣會因與周圍空氣密度差產(chǎn)生的下沉作用脫離呼吸區(qū),供氧體積分?jǐn)?shù)為28.1%～31.7%時(shí)較為合適。