高原建筑室内工作点位个性化供氧关键参数研究*

王莹莹 李广胜 宋 聪 王登甲 刘艳峰

(1.绿色建筑全国重点实验室,西安;2.西安建筑科技大学,西安)

0 引言

青藏高原地区具有海拔高、大气压力低的特殊地理条件,虽然大气中氧气体积分数仍为20.9%,但随着海拔升高,空气中的氧含量随着密度减小而逐渐降低,例如,当海拔为4 000 m时,空气中氧含量仅为标准大气压下的60%[1]。研究表明:长期处于低压缺氧环境中,将会对人的身体及心理健康造成不同程度的损害,如记忆力差、感知困难、疲劳感增加、工作效率下降等[2-8],这些影响对进入高原地区工作的外来人员尤为明显。因此,为高海拔地区进行有效供氧成为高原缺氧人群的迫切需求。

高海拔地区现有供氧方式主要为个体供氧和弥散供氧。个体供氧须用氧气罩或鼻塞将氧气送到呼吸区域,且要携带供氧设备,人体活动受供氧导管的影响[9]。弥散供氧包括全空间弥散供氧及局部空间弥散供氧[10],其中全空间弥散供氧[11]是通过供氧末端向整个建筑空间输送氧气,增加整个建筑中的氧气浓度,达到供氧效果,但富氧气体弥散到整个房间需要一定时间,且容易存在氧气分布不均匀、氧气通过门窗缝隙渗透等问题。相比全空间弥散供氧,局部空间弥散供氧更加具有针对性,通过供氧末端向局部空间输送氧气,具有输送距离短、速率快、氧气利用率高等特点。因此,局部供氧成为营造适宜氧环境的有效方式。

众多学者对高原低气压环境下局部供氧进行了深入研究。张人梅[12]和胡松涛等人[13]对列车上新风系统与供氧系统的联合运行供氧方式进行了可行性研究,分析了在局部弥散供氧方式下影响列车需氧量的因素,并为列车供氧方案研究提供依据。刘艳峰等人提出了针对睡眠环境的局部弥散供氧方法,研究了局部供氧的富氧效果及舒适水平,并提出了适宜的局部供氧设计参数[14]。Lai等人对高原地区的客运站或火车站排队人群呼吸区进行了局部弥散供氧研究,实现了高效供氧[15]。

对于高海拔地区办公建筑,提高其室内氧气浓度是保证人员高效工作的重要途径,因此,本文提出了针对高原建筑室内工作点位的个性化供氧策略,对其供氧效果进行了模拟研究,通过分析风口位置、送风速度、大气压力、送氧浓度等参数,对工作点位呼吸区氧气浓度及分布进行了研究,以确定在不同氧气浓度需求下供氧口位置、送风速度等关键参数,在达到人体适宜的氧浓度需求的同时增加氧利用率,实现对工作点位的高效供氧。

1 工作点位局部供氧研究方法

1.1 物理模型

本文选取了1间海拔为4 000 m处的简化办公室(见图1),房间尺寸为6.0 m(长)×4.2 m(宽)×3.0 m(高),窗户尺寸为1.8 m×1.8 m,下边缘距地1.1 m,室内置有常用的办公桌模型,办公桌尺寸为1.25m(长)×0.60 m(宽)×0.78 m(高),在简化的人体模型面部前方高1.225 m处取垂直于地面的矩形截面1(尺寸为0.3 m×0.2 m),设该区域为人办公时的动态呼吸区,即为目标供氧区域。距地1.25 m处(电脑上方)有一直径为125 mm的圆形百叶送风口,可通过调节百叶转向来调节送风角度,风口距人面部0.70 m。本研究中送风口的位置及角度是可变化调节的,以对比得出最佳风口位置。在x=1.5 m截面上取方形截面2(尺寸为1.7 m×1.7 m),以便从侧向得出氧气浓度及速度场分布。

图1 简化办公室模型示意图

1.2 数学模型

1.2.1控制方程

富氧空气流动产生的传热传质过程遵循质量、动量和能量守恒定律,供氧时局部送风口处氧气浓度要远高于周围空气氧气浓度,在氧气浓度差的作用下,空气中氧组分将发生扩散,此时氧组分遵循组分质量守恒定律:

(1)

式中t为时间,s;ρ为密度,kg/m3;Y为氧气质量分数;v为速度矢量,m/s;J为氧气扩散通量,kg/(m2·s);S为源项。

扩散通量与氧气浓度梯度和温度梯度有关,由菲克定律可得出浓度梯度引起的质量扩散。

(2)

式中Dm为混合物中氧气的质量扩散系数,m2/s;μt为湍流黏度,Pa·s;Sct为湍流施密特数,一般取0.7;DT为热扩散系数,m2/s;T为热力学温度,K。

1.2.2边界条件

本研究采用CFD方法模拟氧传输过程。边界条件设置中,将局部送风口定义为速度入口,将房间窗户处设为压力出口。根据DBJ 540002—2016《西藏自治区民用建筑供暖通风设计标准》[16],室内温度设置为20 ℃,模拟不同气压工况,对空气密度、氧气密度、扩散系数等物性参数进行低压换算修正,见表1,并根据GB/T 35414—2017《高原地区室内空间弥散供氧(氧调)要求》[17]得出不同气压下的氧气浓度需求。

表1 不同压力下空气物性参数修正及氧气浓度需求

1.2.3数值解法

CFD求解设置中,选择了基于压力的瞬态方程,考虑重力的影响,在y方向设为-9.81 m/s2,打开能量方程,采用组分运输模型和K-εRNG模型来模拟富氧空气流动及氧气分布,压力速度耦合采用SIMPLE算法,对流项和扩散项的离散格式选择中,压力项为标准格式,动量方程和能量方程均采用一阶迎风格式,进行瞬态模拟,时间步长为0.01 s,总时长为600 s。数值计算收敛准则一方面按照Fluent的残差量级监控,残差限值为默认量级;另一方面对设定呼吸区的平均氧气体积分数值进行监控,保证平均氧气浓度值随迭代基本不变。满足上述收敛准则,即认为最后的计算结果可靠。

1.2.4供氧效果评价方法

1) 平均氧气浓度及平均风速。

(3)

(4)

式中mi为位置i处氧气体积分数,%;vi为位置i处风速,m/s;n为位置总数。

2) 氧气不均匀系数及速度不均匀系数。

为评价呼吸区氧气浓度和风速分布水平及不均匀程度,提出了氧气不均匀系数km和速度不均匀系数kv,反映了呼吸区各点氧气浓度和风速偏离其平均值的程度,不均匀系数越高,分布越不均匀。

(5)

(6)

1.3 模型验证

为确定氧扩散数学模型的可靠性,根据祝显强等人[18]的低气压环境弥散供氧实验结果对建立的计算模型进行了验证。根据实验中的边界条件进行模拟,将出流速度为5.89 m/s时弥散供氧流动轴向最大速度分布和弥散形成氧气体积分数大于22%的富氧区域实验结果与模拟结果进行对比,结果如图2所示。

图2 实验与模拟结果对比

由验证结果可知,实验结果与模拟结果吻合程度较好,认为建立的数学模型可以预测供氧过程。

2 低压条件下工作点位供氧影响因素及效果分析

2.1 供氧温度对氧气扩散及分布的影响

送入室内的富氧空气温度将影响其密度大小,从而决定富氧空气与室内空气密度差所产生的浮升力,进而影响富氧气体气流组织。为了研究供氧温度对呼吸区供氧效果的影响,对比分析了风口位于人体面部正前方,格栅与水平方向夹角为30°,供氧风口风速v=0.3 m/s,供氧口氧气体积分数为27.2%,供氧温度分别为18、20、22 ℃时的3种工况下的供氧效果。

根据模拟结果可知,3种不同供氧温度下呼吸区的平均氧气体积分数分别约为21.2%、23.5%、21.0%,当温度为20 ℃时供氧效果最好。图3给出了不同供氧温度下截面2的氧气体积分数和风速分布。由图3可以看出:供氧温度为18、20 ℃时,富氧空气以一定初速度流出后逐渐下沉,其流动轨迹类似于抛物线;当供氧温度为18 ℃时,富氧空气经一定距离扩散后到达呼吸区下部;当供氧温度为20 ℃时,富氧空气可直接到达呼吸区,此时供氧效果最好;供氧温度为22 ℃时,富氧空气流出后逐渐上浮,扩散到呼吸区上方。这是因为富氧空气流出后与室内空气的密度差产生浮升力,其中富氧空气密度受两方面影响:一方面为富氧气体温度的影响,其温度越高,密度越小;另一方面为富氧气体本身氧气浓度的影响,氧气浓度越大,其密度越大。因此,供氧温度为18、20 ℃时,富氧空气密度大于室内空气密度,富氧空气流出后逐渐下沉;当供氧温度为22 ℃时,其密度小于室内空气密度,浮升力向上,富氧空气流出后逐渐上浮。

当供氧温度为20 ℃时,呼吸区平均温度为19.9 ℃,可以看出,当供氧温度与室内空气温度相同时,富氧空气与室内空气的对流扩散对呼吸区温度场影响较小。因此,为方便处理温差对密度产生的影响,进而影响富氧空气流动及其分布,本研究将供氧温度设置为与室内空气初始状态温度一致,即均为20 ℃。

2.2 风口位置对氧扩散及分布的影响

风口位置对供氧末端设计有重要影响,通过合理布置送风末端位置,可将富氧空气直接送到人体呼吸区,提高供氧效率。

对比分析了风口位置在人体面部正前方及位于斜上方时,格栅与水平及竖直方向处于不同角度时7种工况下的供氧效果。供氧风口采用局部送风中常用直径为125 mm的圆形百叶风口,设定格栅与水平方向夹角为α(工况1～5分别对应α为0°、30°、35°、40°、45°,见图4a),以及风口在人面部斜上方倾斜角为β(工况6、7分别对应β为20°、30°,见图4b),供氧风口风速v=0.3 m/s,供氧口氧气体积分数为27.2%,得出不同工况下呼吸区平均氧气浓度、平均风速和不均匀系数。

改进阶段体现STEAM核心是面向全体学生，学生需要填写姓名、日期、主题等基本信息，还要提出促进活动进行的建议，以及从技术、工程、艺术等角度改善形成的作品。保证全员参与，真正做到关注每个学生的发展。该阶段培养学生的批判思维能力、审美情趣以及乐思善学精神，发展人文底蕴、科学精神、学会学习、实践创新等素养。

图4 风口位置及工况

图5给出了不同工况下呼吸区氧气体积分数、风速的平均水平及不均匀系数对比。由图5可以看出:工况2时,呼吸区平均氧气体积分数达到最大值,相比供氧效果最差的工况7提高了5%,且不均匀系数降低了约36%;总体看来,工况2～5的供氧水平高于工况1、6、7,且氧气和速度不均匀系数更低,即风口位置处于正前方、风速向上倾斜时的供氧效果要比水平直射和风口处于侧上方向下倾斜时供氧效果好。

图5 不同工况下呼吸区氧气体积分数、 风速的平均水平及不均匀系数对比

图6给出了不同工况下截面2的氧气体积分数和风速分布。由图6可知,由于氧气密度大于空气密度,当采用水平或向下倾斜送风时,富氧空气因重力作用下沉而不能到达呼吸区,而随着倾斜角α增大,气流组织穿过人的头部,氧气也将越过呼吸区,使得平均氧气体积分数降低,不均匀系数增大,供氧效率下降。

图6 不同工况下截面2的氧气体积分数和风速分布

综上,风口位置在人体前方且向上倾斜30°～40°时,供氧效果最好。人们可通过改变风口格栅角度调节气流流向,使得富氧空气直接到达呼吸区。

2.3 大气压力对氧扩散及分布的影响

大气压力对氧扩散的影响主要体现在氧气、空气在不同压力下的密度、黏度和扩散系数等物性参数的差别,随着大气压力降低,空气中氧气密度减小,但其扩散系数增大,从而影响呼吸区氧环境营造水平。

为研究大气压力对局部供氧效果的影响,对比分析了大气压力在50.5～70.1 kPa范围内变化时(海拔3 000～5 500 m)6种工况下的供氧效果,采用工况2的风口位置,送风速度为0.3 m/s,供氧口氧气体积分数为27.2%。

图7给出了不同海拔下呼吸区氧气体积分数分布。由图7可知:随着海拔的升高,呼吸区平均氧气体积分数逐渐降低,但降低幅度较小,仅为0.2%;且随着海拔升高,呼吸区氧气体积分数的极差减小,氧气分布更加均匀。这是因为富氧空气流出后与周围环境空气进行对流扩散和以浓度梯度为驱动力的质量扩散,随着海拔升高,一方面,氧气在空气中的扩散系数增大,增强了氧气的扩散过程;另一方面,空气和氧气密度降低,增大了富氧空气及环境空气中氧气的浓度差,这使得扩散过程加快。

图7 不同海拔下呼吸区氧气体积分数分布

但总体看来,不同海拔下呼吸区氧气体积分数均处于23%～24%之间,供氧效果差距小。这可能与送风距离和供氧浓度有关,不同于送风速度大、供氧浓度高的弥散供氧,本研究中供氧过程是依靠适宜的风速将合适浓度的富氧空气直接送到呼吸区,具有供氧送风速度小、氧扩散距离短、供氧浓度低的特点,富氧空气与室内空气的对流扩散强于依靠自身浓度差形成的质量扩散,因而在不同海拔高度时,呼吸区平均氧气体积分数差距较小。

2.4 送风速度对氧扩散及分布的影响

对于局部供氧,送风速度大小对气流组织分布、呼吸区平均氧气浓度、平均风速有重要影响。送风速度较小时将导致富氧空气不能直接到达呼吸区,而送风速度较大时将导致呼吸区平均速度过大引起吹风感,所以送风速度大小存在一个合适的范围。因此,对比分析了送风速度为0.20～0.45 m/s时的呼吸区平均氧气体积分数、平均风速、不均匀系数及其分布,采用工况2的风口位置,供氧口氧气体积分数为27.2%。

图8给出了不同送风速度下呼吸区氧气体积分数、风速的平均水平及不均匀系数对比。由图8可知:当送风速度为0.3 m/s时,平均氧气体积分数达到最大,相比0.2 m/s时提高了12%;随着送风速度的增大,呼吸区平均氧气体积分数先增大后减小,平均风速也有同样的变化趋势。这是因为送风速度小于0.3 m/s时,富氧空气由风口射出后因自身重力作用下沉,未能到达呼吸区(见图9);送风速度为0.3 m/s时富氧空气可直接到达呼吸区,此时平均氧气体积分数最大;而随着送风速度的继续增大,富氧空气下沉效应减弱,逐渐越过呼吸区,因此,平均氧气体积分数减小。由图8可知,风速过大或过小时,都将使呼吸区氧气及风速不均匀系数增大,而当送风速度为0.3 m/s时,不均匀系数最小,呼吸区氧气及风速分布更加均匀。

图8 不同送风速度下呼吸区氧气体积分数、 风速的平均水平及不均匀系数对比

图9 不同送风速度下截面2的氧气体积分数及风速分布

2.5 供氧浓度对氧扩散及分布的影响

为研究供氧浓度对氧扩散及分布的影响,对比分析了送风速度为0.3 m/s、送风口氧气体积分数为25.4%～32.6%时,呼吸区平均氧气体积分数、平均风速、不均匀系数及其分布,采用工况2的风口位置。

图10给出了不同供氧体积分数下呼吸区氧气体积分数、风速的平均水平及不均匀系数对比。由图10可知,呼吸区平均氧气体积分数和平均速度并不是随着供氧体积分数的增大而增大,而是呈现先增后减的趋势,当供氧体积分数为29.0%时,呼吸区平均氧气体积分数达到最大值,相比供氧体积分数为25.4%和33.0%时分别提高约10%和7%。这是因为当供氧体积分数较低时,因密度差产生的下沉作用较小,富氧空气随着气流组织越过呼吸区向人后部扩散(见图11);随着供氧体积分数的增大,空气中氧气质量分数增大,下沉作用增强,形成的富氧区域高度逐渐降低,富氧空气可逐渐到达呼吸区,使得平均氧气体积分数增大;随着供氧体积分数继续增大,富氧空气下沉至呼吸区以下,使得平均氧气体积分数减小。由图10可知,供氧体积分数为26.3%～27.2%时,不均匀系数最小,这是因为此时富氧区域正好处于呼吸区,且分布均匀,随着供氧体积分数的增大,虽然平均氧气体积分数增大,但呼吸区氧气分布不均匀,更加集中分布于部分区域,因而不均匀系数较大。

图10 不同供氧体积分数下呼吸区氧气体积分数、 风速的平均水平及不均匀系数对比

图11 不同供氧体积分数下截面2的氧气体积分数及风速分布

2.6 各因素共同影响下呼吸区氧扩散及分布

风口位置、送风速度和供氧浓度均对呼吸区氧气浓度分布有显著影响,为获得在海拔4 000 m、大气压力为61.6 kPa时工作点位的个性化供氧关键参数取值,综合对比了风口位置、送风速度和供氧浓度在不同取值组合下的供氧效果(见图12),其中送风角度α分别为30°、35°、40°,送风速度v=0.3～0.4 m/s,供氧体积分数为25.4%～32.6%。

由图12可知:当送风角度相同时,改变送风速度,呼吸区平均氧气体积分数会随着供氧体积分数增大呈现不同的变化趋势,v=0.30 m/s时呈现先增大后减小的趋势,v=0.35 m/s时先增大之后趋于平缓,v=0.40 m/s时呈现一直增大的趋势,且增大速率最大;当保持相同的送风速度时,不同送风角度对呼吸区供氧效果影响相似,α=30°时的供氧效果比α=35°、40°时的供氧效果好。因此,相比于送风角度,送风速度对供氧效果影响更大。

综上所述,本研究给出了在海拔4 000 m、大气压力为61.6 kPa、适宜氧气体积分数为23.6%～25.0%时针对工作点位的个性化供氧关键参数建议范围(见表2)。

表2 个性化供氧关键参数取值建议

目前高海拔地区房间富氧方式主要为全局弥散供氧,其利用制氧机获得高浓度氧气后通过氧气出口将富氧空气弥散至整个空间,从而提高室内氧气浓度。而本研究提出的个性化供氧系统除需要制氧机外,还需要合适的风机及连接至各工位处的室内管道,将适宜浓度的富氧空气送到呼吸区,以达到供氧目的。由此看来,相较于全空间弥散供氧,个性化供氧建设成本更高。但个性化供氧具有供氧速率快、氧扩散距离短、使用方便、供氧效率显著提高的特点,因此,对于有局部氧需求的高海拔建筑,在进行点对点供氧时,个性化供氧方式更加适用。对于高海拔地区,室内环境还伴随着干燥、空气温度较低等问题,未来可在局部环境热湿氧综合环境提升方面作更为深入的研究,营造更为舒适的室内环境。

3 结论

1) 当供氧温度与室内温度一致时,个性化供氧对呼吸区温度场的影响较小,因此,可设置供氧温度为20 ℃,以方便减小温差对供氧效果的影响。

2) 风口位置的选择影响气流组织及富氧区域分布,α=30°的供氧效果最好,应根据人体呼吸区位置对比选择合适的风口位置及送风角度,使得富氧空气可直接到达呼吸区。

3) 大气压力对呼吸区供氧水平影响较小,空气对流扩散作用将强于以浓度差为驱动力的传质作用。

4) 风口速度大小对气流组织、呼吸区平均氧气浓度和平均风速有重要影响,风速过大或过小都无法使富氧空气到达呼吸区,送风速度取0.3～0.4 m/s时较为合适。

5) 呼吸区平均氧气浓度不会随着供氧浓度增大而增大,氧气会因与周围空气密度差产生的下沉作用脱离呼吸区,供氧体积分数为28.1%～31.7%时较为合适。