高原建筑室內工作點位個性化供氧關鍵參數研究*

王瑩瑩 李廣勝 宋 聰 王登甲 劉艷峰

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學,西安)

0 引言

青藏高原地區具有海拔高、大氣壓力低的特殊地理條件,雖然大氣中氧氣體積分數仍為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,當海拔為4 000 m時,空氣中氧含量僅為標準大氣壓下的60%[1]。研究表明:長期處于低壓缺氧環境中,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],這些影響對進入高原地區工作的外來人員尤為明顯。因此,為高海拔地區進行有效供氧成為高原缺氧人群的迫切需求。

高海拔地區現有供氧方式主要為個體供氧和彌散供氧。個體供氧須用氧氣罩或鼻塞將氧氣送到呼吸區域,且要攜帶供氧設備,人體活動受供氧導管的影響[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建筑空間輸送氧氣,增加整個建筑中的氧氣濃度,達到供氧效果,但富氧氣體彌散到整個房間需要一定時間,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。因此,局部供氧成為營造適宜氧環境的有效方式。

眾多學者對高原低氣壓環境下局部供氧進行了深入研究。張人梅[12]和胡松濤等人[13]對列車上新風系統與供氧系統的聯合運行供氧方式進行了可行性研究,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。劉艷峰等人提出了針對睡眠環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計參數[14]。Lai等人對高原地區的客運站或火車站排隊人群呼吸區進行了局部彌散供氧研究,實現了高效供氧[15]。

對于高海拔地區辦公建筑,提高其室內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工作點位的個性化供氧策略,對其供氧效果進行了模擬研究,通過分析風口位置、送風速度、大氣壓力、送氧濃度等參數,對工作點位呼吸區氧氣濃度及分布進行了研究,以確定在不同氧氣濃度需求下供氧口位置、送風速度等關鍵參數,在達到人體適宜的氧濃度需求的同時增加氧利用率,實現對工作點位的高效供氧。

1 工作點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),設該區域為人辦公時的動態呼吸區,即為目標供氧區域。距地1.25 m處(電腦上方)有一直徑為125 mm的圓形百葉送風口,可通過調節百葉轉向來調節送風角度,風口距人面部0.70 m。本研究中送風口的位置及角度是可變化調節的,以對比得出最佳風口位置。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 數學模型

1.2.1控制方程

富氧空氣流動產生的傳熱傳質過程遵循質量、動量和能量守恒定律,供氧時局部送風口處氧氣濃度要遠高于周圍空氣氧氣濃度,在氧氣濃度差的作用下,空氣中氧組分將發生擴散,此時氧組分遵循組分質量守恒定律:

(1)

式中t為時間,s;ρ為密度,kg/m3;Y為氧氣質量分數;v為速度矢量,m/s;J為氧氣擴散通量,kg/(m2·s);S為源項。

擴散通量與氧氣濃度梯度和溫度梯度有關,由菲克定律可得出濃度梯度引起的質量擴散。

(2)

式中Dm為混合物中氧氣的質量擴散系數,m2/s;μt為湍流黏度,Pa·s;Sct為湍流施密特數,一般取0.7;DT為熱擴散系數,m2/s;T為熱力學溫度,K。

1.2.2邊界條件

本研究采用CFD方法模擬氧傳輸過程。邊界條件設置中,將局部送風口定義為速度入口,將房間窗戶處設為壓力出口。根據DBJ 540002—2016《西藏自治區民用建筑供暖通風設計標準》[16],室內溫度設置為20 ℃,模擬不同氣壓工況,對空氣密度、氧氣密度、擴散系數等物性參數進行低壓換算修正,見表1,并根據GB/T 35414—2017《高原地區室內空間彌散供氧(氧調)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修正及氧氣濃度需求

1.2.3數值解法

CFD求解設置中,選擇了基于壓力的瞬態方程,考慮重力的影響,在y方向設為-9.81 m/s2,打開能量方程,采用組分運輸模型和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,對流項和擴散項的離散格式選擇中,壓力項為標準格式,動量方程和能量方程均采用一階迎風格式,進行瞬態模擬,時間步長為0.01 s,總時長為600 s。數值計算收斂準則一方面按照Fluent的殘差量級監控,殘差限值為默認量級;另一方面對設定呼吸區的平均氧氣體積分數值進行監控,保證平均氧氣濃度值隨迭代基本不變。滿足上述收斂準則,即認為最后的計算結果可靠。

1.2.4供氧效果評價方法

1) 平均氧氣濃度及平均風速。

(3)

(4)

式中mi為位置i處氧氣體積分數,%;vi為位置i處風速,m/s;n為位置總數。

2) 氧氣不均勻系數及速度不均勻系數。

為評價呼吸區氧氣濃度和風速分布水平及不均勻程度,提出了氧氣不均勻系數km和速度不均勻系數kv,反映了呼吸區各點氧氣濃度和風速偏離其平均值的程度,不均勻系數越高,分布越不均勻。

(5)

(6)

1.3 模型驗證

為確定氧擴散數學模型的可靠性,根據祝顯強等人[18]的低氣壓環境彌散供氧實驗結果對建立的計算模型進行了驗證。根據實驗中的邊界條件進行模擬,將出流速度為5.89 m/s時彌散供氧流動軸向最大速度分布和彌散形成氧氣體積分數大于22%的富氧區域實驗結果與模擬結果進行對比,結果如圖2所示。

圖2 實驗與模擬結果對比

由驗證結果可知,實驗結果與模擬結果吻合程度較好,認為建立的數學模型可以預測供氧過程。

2 低壓條件下工作點位供氧影響因素及效果分析

2.1 供氧溫度對氧氣擴散及分布的影響

送入室內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空氣密度差所產生的浮升力,進而影響富氧氣體氣流組織。為了研究供氧溫度對呼吸區供氧效果的影響,對比分析了風口位于人體面部正前方,格柵與水平方向夾角為30°,供氧風口風速v=0.3 m/s,供氧口氧氣體積分數為27.2%,供氧溫度分別為18、20、22 ℃時的3種工況下的供氧效果。

根據模擬結果可知,3種不同供氧溫度下呼吸區的平均氧氣體積分數分別約為21.2%、23.5%、21.0%,當溫度為20 ℃時供氧效果最好。圖3給出了不同供氧溫度下截面2的氧氣體積分數和風速分布。由圖3可以看出:供氧溫度為18、20 ℃時,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;當供氧溫度為18 ℃時,富氧空氣經一定距離擴散后到達呼吸區下部;當供氧溫度為20 ℃時,富氧空氣可直接到達呼吸區,此時供氧效果最好;供氧溫度為22 ℃時,富氧空氣流出后逐漸上浮,擴散到呼吸區上方。這是因為富氧空氣流出后與室內空氣的密度差產生浮升力,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,富氧空氣密度大于室內空氣密度,富氧空氣流出后逐漸下沉;當供氧溫度為22 ℃時,其密度小于室內空氣密度,浮升力向上,富氧空氣流出后逐漸上浮。

當供氧溫度為20 ℃時,呼吸區平均溫度為19.9 ℃,可以看出,當供氧溫度與室內空氣溫度相同時,富氧空氣與室內空氣的對流擴散對呼吸區溫度場影響較小。因此,為方便處理溫差對密度產生的影響,進而影響富氧空氣流動及其分布,本研究將供氧溫度設置為與室內空氣初始狀態溫度一致,即均為20 ℃。

2.2 風口位置對氧擴散及分布的影響

風口位置對供氧末端設計有重要影響,通過合理布置送風末端位置,可將富氧空氣直接送到人體呼吸區,提高供氧效率。

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

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圖4 風口位置及工況

圖5給出了不同工況下呼吸區氧氣體積分數、風速的平均水平及不均勻系數對比。由圖5可以看出:工況2時,呼吸區平均氧氣體積分數達到最大值,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更低,即風口位置處于正前方、風速向上傾斜時的供氧效果要比水平直射和風口處于側上方向下傾斜時供氧效果好。

圖5 不同工況下呼吸區氧氣體積分數、 風速的平均水平及不均勻系數對比

圖6給出了不同工況下截面2的氧氣體積分數和風速分布。由圖6可知,由于氧氣密度大于空氣密度,當采用水平或向下傾斜送風時,富氧空氣因重力作用下沉而不能到達呼吸區,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,使得平均氧氣體積分數降低,不均勻系數增大,供氧效率下降。

圖6 不同工況下截面2的氧氣體積分數和風速分布

綜上,風口位置在人體前方且向上傾斜30°～40°時,供氧效果最好。人們可通過改變風口格柵角度調節氣流流向,使得富氧空氣直接到達呼吸區。

2.3 大氣壓力對氧擴散及分布的影響

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

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范圍內變化時(海拔3 000～5 500 m)6種工況下的供氧效果,采用工況2的風口位置,送風速度為0.3 m/s,供氧口氧氣體積分數為27.2%。

圖7給出了不同海拔下呼吸區氧氣體積分數分布。由圖7可知:隨著海拔的升高,呼吸區平均氧氣體積分數逐漸降低,但降低幅度較小,僅為0.2%;且隨著海拔升高,呼吸區氧氣體積分數的極差減小,氧氣分布更加均勻。這是因為富氧空氣流出后與周圍環境空氣進行對流擴散和以濃度梯度為驅動力的質量擴散,隨著海拔升高,一方面,氧氣在空氣中的擴散系數增大,增強了氧氣的擴散過程;另一方面,空氣和氧氣密度降低,增大了富氧空氣及環境空氣中氧氣的濃度差,這使得擴散過程加快。

圖7 不同海拔下呼吸區氧氣體積分數分布

但總體看來,不同海拔下呼吸區氧氣體積分數均處于23%～24%之間,供氧效果差距小。這可能與送風距離和供氧濃度有關,不同于送風速度大、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速將合適濃度的富氧空氣直接送到呼吸區,具有供氧送風速度小、氧擴散距離短、供氧濃度低的特點,富氧空氣與室內空氣的對流擴散強于依靠自身濃度差形成的質量擴散,因而在不同海拔高度時,呼吸區平均氧氣體積分數差距較小。

2.4 送風速度對氧擴散及分布的影響

對于局部供氧,送風速度大小對氣流組織分布、呼吸區平均氧氣濃度、平均風速有重要影響。送風速度較小時將導致富氧空氣不能直接到達呼吸區,而送風速度較大時將導致呼吸區平均速度過大引起吹風感,所以送風速度大小存在一個合適的范圍。因此,對比分析了送風速度為0.20～0.45 m/s時的呼吸區平均氧氣體積分數、平均風速、不均勻系數及其分布,采用工況2的風口位置,供氧口氧氣體積分數為27.2%。

圖8給出了不同送風速度下呼吸區氧氣體積分數、風速的平均水平及不均勻系數對比。由圖8可知:當送風速度為0.3 m/s時,平均氧氣體積分數達到最大,相比0.2 m/s時提高了12%;隨著送風速度的增大,呼吸區平均氧氣體積分數先增大后減小,平均風速也有同樣的變化趨勢。這是因為送風速度小于0.3 m/s時,富氧空氣由風口射出后因自身重力作用下沉,未能到達呼吸區(見圖9);送風速度為0.3 m/s時富氧空氣可直接到達呼吸區,此時平均氧氣體積分數最大;而隨著送風速度的繼續增大,富氧空氣下沉效應減弱,逐漸越過呼吸區,因此,平均氧氣體積分數減小。由圖8可知,風速過大或過小時,都將使呼吸區氧氣及風速不均勻系數增大,而當送風速度為0.3 m/s時,不均勻系數最小,呼吸區氧氣及風速分布更加均勻。

圖8 不同送風速度下呼吸區氧氣體積分數、 風速的平均水平及不均勻系數對比

圖9 不同送風速度下截面2的氧氣體積分數及風速分布

2.5 供氧濃度對氧擴散及分布的影響

為研究供氧濃度對氧擴散及分布的影響,對比分析了送風速度為0.3 m/s、送風口氧氣體積分數為25.4%～32.6%時,呼吸區平均氧氣體積分數、平均風速、不均勻系數及其分布,采用工況2的風口位置。

圖10給出了不同供氧體積分數下呼吸區氧氣體積分數、風速的平均水平及不均勻系數對比。由圖10可知,呼吸區平均氧氣體積分數和平均速度并不是隨著供氧體積分數的增大而增大,而是呈現先增后減的趨勢,當供氧體積分數為29.0%時,呼吸區平均氧氣體積分數達到最大值,相比供氧體積分數為25.4%和33.0%時分別提高約10%和7%。這是因為當供氧體積分數較低時,因密度差產生的下沉作用較小,富氧空氣隨著氣流組織越過呼吸區向人后部擴散(見圖11);隨著供氧體積分數的增大,空氣中氧氣質量分數增大,下沉作用增強,形成的富氧區域高度逐漸降低,富氧空氣可逐漸到達呼吸區,使得平均氧氣體積分數增大;隨著供氧體積分數繼續增大,富氧空氣下沉至呼吸區以下,使得平均氧氣體積分數減小。由圖10可知,供氧體積分數為26.3%～27.2%時,不均勻系數最小,這是因為此時富氧區域正好處于呼吸區,且分布均勻,隨著供氧體積分數的增大,雖然平均氧氣體積分數增大,但呼吸區氧氣分布不均勻,更加集中分布于部分區域,因而不均勻系數較大。

圖10 不同供氧體積分數下呼吸區氧氣體積分數、 風速的平均水平及不均勻系數對比

圖11 不同供氧體積分數下截面2的氧氣體積分數及風速分布

2.6 各因素共同影響下呼吸區氧擴散及分布

風口位置、送風速度和供氧濃度均對呼吸區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時工作點位的個性化供氧關鍵參數取值,綜合對比了風口位置、送風速度和供氧濃度在不同取值組合下的供氧效果(見圖12),其中送風角度α分別為30°、35°、40°,送風速度v=0.3～0.4 m/s,供氧體積分數為25.4%～32.6%。

由圖12可知:當送風角度相同時,改變送風速度,呼吸區平均氧氣體積分數會隨著供氧體積分數增大呈現不同的變化趨勢,v=0.30 m/s時呈現先增大后減小的趨勢,v=0.35 m/s時先增大之后趨于平緩,v=0.40 m/s時呈現一直增大的趨勢,且增大速率最大;當保持相同的送風速度時,不同送風角度對呼吸區供氧效果影響相似,α=30°時的供氧效果比α=35°、40°時的供氧效果好。因此,相比于送風角度,送風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、適宜氧氣體積分數為23.6%～25.0%時針對工作點位的個性化供氧關鍵參數建議范圍(見表2)。

表2 個性化供氧關鍵參數取值建議

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

3 結論

1) 當供氧溫度與室內溫度一致時,個性化供氧對呼吸區溫度場的影響較小,因此,可設置供氧溫度為20 ℃,以方便減小溫差對供氧效果的影響。

2) 風口位置的選擇影響氣流組織及富氧區域分布,α=30°的供氧效果最好,應根據人體呼吸區位置對比選擇合適的風口位置及送風角度,使得富氧空氣可直接到達呼吸區。

3) 大氣壓力對呼吸區供氧水平影響較小,空氣對流擴散作用將強于以濃度差為驅動力的傳質作用。

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

5) 呼吸區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生的下沉作用脫離呼吸區,供氧體積分數為28.1%～31.7%時較為合適。