高海拔地区睡眠环境局部弥散式富氧效果及氧环境营造方法研究

来源 :西安建筑科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sust_alex
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高海拔地区特殊的低压缺氧环境易引发建藏援藏、商旅科考等外来人群入睡困难、睡眠障碍等问题,并导致工作学习效率等日间功能受损,严重威胁人体身心健康。营造适宜的睡眠富氧环境是改善高原人体睡眠质量的有效手段。目前,全空间弥散供氧和局部空间弥散供氧逐渐成为高原建筑室内富氧常用方法。局部弥散供氧方式是通过供氧口针对局部目标空间定向、定量供氧。相比全空间弥散供氧而言,局部弥散供氧方式具有可缩短氧气输送距离、提高富氧效率、降低能源消耗的潜力优势。对于睡眠环境而言,人员活动范围固定、富氧目标空间有界,具备利用局部弥散供氧在近人空间实现节能、高效富氧的先决条件。然而,现有关于高原弥散供氧的研究主要关注氧气的物理流动特性,较少结合局部空间人体实际氧需求评价富氧效果及特性,而对室内睡眠环境的局部弥散供氧方法及富氧效果更是鲜少涉及。基于此,本文提出一种局部弥散供氧方式,根据供氧末端类型不同分为点源式和面源式局部弥散供氧方式。首先,基于流体力学中圆断面射流原理,对局部富氧气流的流动特性进行理论分析,明确点面源局部弥散供氧模式下富氧效果的主要影响因素;其次,采用CFD方法将局部弥散供氧方式与人体躺卧模型相结合,将气体密度、扩散系数等参数根据高海拔地区环境特征进行设置,建立高原睡眠环境局部弥散供氧求解模型,分析局部富氧气流速度场、氧气浓度场和二氧化碳浓度场分布;同时,在青藏高原搭建睡眠环境局部弥散供氧实验台,布置氧浓度监测点以分析实验过程中氧浓度随时间与空间的变化情况并与数值模拟结果对比,验证模型的准确性;进而,分析获得了适宜于高海拔地区的睡眠环境局部弥散式供氧方法和供氧策略。本文主要研究结果如下:(1)通过CFD方法,探究了躺卧人体吸气时周围气流的速度分布,对躺卧人体吸入区进行了空间界定,即为沿鼻呼出气流方向长12cm,垂直于鼻呼出气横向长8cm,纵向高4cm的空间范围内。本研究中对睡眠人体吸入区范围的界定为睡眠环境局部弥散供氧的富氧效果研究奠定了基础。(2)采用本研究中的局部弥散供氧方式,吸入区氧浓度从初始房间氧浓度迅速升高且很快达到目标氧浓度值。面源式的平均富氧速率为1.0%/min,点源式的平均富氧速率为1.5%/min以上,面源式的富氧速率要低于点源式;点源式吸入区氧浓度受室内通风的影响较大,ACH由1增加到3,氧浓度最大波动超过1%,而面源式无较大波动;面源式个人吸氧效率保持在95%以上而远高于点源式,可见面源式所营造的局部氧环境比点源式更为可靠。(3)风速能有效降低吸入区二氧化碳浓度,随着供氧口风速增加吸入区二氧化碳浓度逐渐降低。在一个呼吸周期内,点源式与面源式吸入区二氧化碳浓度在呼气阶段先上升后快速下降。在吸气阶段已下降到1000ppm以下,最后基本趋于0ppm,因此不需要担心二氧化碳的聚集问题;当面部舒适速度比大于60%,吹风感不超过10%时,点源式最佳供氧风速区间为1.41m/s-3.30m/s,面源式为0.20m/s-0.30m/s。点源式供氧风速可调节的范围更大且营造的局部风环境较好。(4)点源式供氧距离比面源式长,需要保持较高的出口风速和出口氧浓度,因此需要较大的供氧量,其供氧能耗比面源式要大。而与传统的分体式制氧空调弥散供氧能耗对比,传统富氧方式的能耗比点源式与面源式高出数倍,在实际应用中若采用点源或面源局部弥散供氧方式更为优异。本研究根据供氧末端类型不同提出了点源式和面源式局部弥散供氧方式,并分析了局部富氧气流的流动特性;通过CFD方法界定了睡眠人体躺卧模型的吸入区;从富氧效率、均匀性、稳定性和人体舒适度等方面综合分析了睡眠氧环境与风环境;结合局部弥散供氧能耗分析,确定了局部弥散供氧方式更为经济适用,从而提出了高海拔地区局部弥散供氧策略,为高海拔地区建筑的可持续发展提供了有效的节能方式。
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