057-高原建筑室内弥散式供氧数值模拟研究.pdfVIP

高原建筑室内弥散式供氧数值模拟研究 1 华北电力大学 （保定） 郭真真 魏兵 杨静洁 张争争 摘要：弥散式供氧目前是高原地区建筑室内供氧的首选方式。本文采用理论计算和 Airpak 数值模拟方法，以高原某办公建筑为例，研究高原地区建筑室内弥散供氧方式，针 对室内不同供氧口位置和散流器布置工况下的氧气浓度分布和气流组织情况进行数值模拟， 确定较优方案，为弥散供氧方式的室内布置提供参考。 关键字：弥散式供氧 氧气浓度 气流组织 数值模拟 0 引言 高原空气含氧百分比与平原相同，但是单位容积内气体的分子数都低于平原，空气中的 氧分压也降低。随着高原地区海拔的升高，气温也降低[1] 。在高原低氧环境下长期生活，对 人体机能是有一定影响的[2] 。有学者研究表明高原低压低氧环境会使人出现感知能力下降、 记忆力差、工作效率低等问题[3-5] 。一些研究表明对高原地区进行弥散供氧能有效提高人员 的血氧饱和度，降低脉率和每分钟呼吸次数，明显改善人体不适症状，改善人体睡眠，增强 人体生理机能[6-8] 。 高原低气压环境补氧的方式有多种，如增氧通风、弥散供氧、个体背负式供氧等[8] 。弥 散供氧是通过提高密闭空间（比如卧室、办公室）的含氧量（氧浓度）来改善人体所在的环 境，使人沐浴在一个富氧的环境中，从而达到改善人体呼吸内环境、促进代谢过程的良性循 环，同时摆脱了吸氧的束缚。关于弥散供氧的安全性问题一项研究表明，高原空气的富氧程 度并不能增加火灾风险原因在于尽管氧气浓度增加了，但是氧气的分压力仍然很低[9] 。青藏 铁路风火山隧道施工期间，采用弥散供氧和氧吧车供氧使工人平均劳动效率提高三倍以上 [10] 。弥散供氧日益成为高原低压地区建筑中供氧的首选方式。利用CFD 技术研究室内空气 品质问题，主要是通过求解偏微分方程，得到室内各个位置的风速、温度、污染物浓度、空 气龄等参数。从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排放效率等[11] 。在国外，室内环境 部分早已采用计算流体动力学（CFD ）作为预测通风空间的气流组织工具，并且这一方法已 被延续使用多年[12-14]。2001 年Hyun 和Kleinstreuer 使用CFD 模拟来检测来自不同方向的气 流对站立人呼出二氧化碳的传播的影响[15] 。2009 年时国庆等人应用数值模型对东滩煤矿工 作面采空区的氧气浓度分布规律进行模拟，结果与实测数据基本吻合[16] 。2012 年田太阳等 人并利用Airpak 软件结合零方程模型模拟了车间改进前后的通风状况，观察通风前后的H2 S、 NH [17] 3 浓度分布，达到最优效果 。 目前，国内外对建筑室内温度场、速度场及室内环境热舒适性的研究成果很多，实际应 用的例子也逐渐增多，CFD 技术在建筑室内环境的模拟也有了一定的成果。迄今为止，人 们主要针对常温常压下室内气流组织与室内舒适度的模拟进行研究。鲜有人对低压低氧地区 建筑进行数值模拟研究，尚没有对低压低氧环境下供氧气流组织的研究。本文将采用数值模 拟方法针对弥散式供氧室内供氧口的布置进行优化研究。 1 郭真真，女，1993 年5 月生，在读硕士研究生 071003 河北省保定市永华北大街619 号华北电力大学62 信箱 (0) E-mail: 1214958399@ 1 案例研究 本文选择一个办公建筑为例进行研究，该建筑位于西藏山南地区，北纬27°59′、东经 91°57′，当地夏季空气调节室外计算干球温度13.2℃，湿球温度8.7℃，日平均温度为9℃， 室外平均风速4.1m/s ；冬季空气调节室外计算干球温度-18.2℃，室外平均风速3.6m/s，冬季 大气压力59830Pa，年平均相对湿度45 。该办公室长6.3m，宽3.6m，高3.65m，在北墙上 有1 扇窗户，房间分为一面外墙（北墙）、三面内墙。南墙有一个内门与楼道相通，房间内 有3 人。 2 物理模型建立及边界条件确定 2.1 工况选择及模型建立 考虑房间泄露对室内供氧的影响，在门窗关闭的条件下，建立四个工况如下： （1）Case 1：将供氧口布置在房顶中间； （2 ）Case 2 ：将供氧口位置放在南墙上方侧； （3 ）Case 3：将供氧口位置放在北墙上方侧； （4 ）Case 4 ：选择上述最优工况