工程科学学报，第40卷，第11期：1380-1388,2018年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.11:1380-1388,November 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.012;http://journals.ustb.edu.cn 密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 张传钊)，刘应书)，王浩宇)区，吴义民)，马晓钧)，陈福祥) 1)北京联合大学生物化学工程学院，北京1000232)北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jdthaoyu@buu.cdu.cn 摘要搭建了一套密闭建筑空间室内供氧实验装置，分别研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式的不同对建 筑空间室内的富氧特性及富氧效果的影响.结果表明：送氧口个数、管径、流量及送氧方式不同时，氧气轴向最大浓度分布随 轴向距离的增加呈递减趋势，且距离送氧口轴向距离0~0.55m的范围内，氧气轴向浓度迅速降低：单送氧口时，送氧口管径 及送氧流量不同时所形成的富氧范围大体呈扁椭圆形状，且送氧管径相同时送氧流量越大，富氧范围也越大：双送氧口竖直 向前和相对45°方式进行送氧所形成的富氧范围接近“一头尖一头圆”的扇形，且竖直向前所形成的富氧范围比相对45°送氧 所形成的富氧范围要大：采用双送氧口相背45°方式进行送氧时，管径为6mm的双送氧口所形成的富氧范围大体呈2片扇叶 形状：管径为10mm的双送氧口所形成的富氧范围大体呈2个半圆形状：总送氧流量为1m3.h时，6mm管径的双送氧口相 背45°送氧范围最大，10m管径的双送氧口竖直向前送氧范围最小：相同的总送氧流量及送氧方式下，单送氧口竖直向前送 氧所得到富氧面积比双送氧口竖直向前送氧所得到富氧面积大20%左右：相同的送氧口个数、送氧口流量及送氧方式下，管 径为6mm的送氧口所得到的富氧面积比管径为10mm的送氧口所得到的富氧面积大60%左右. 关键词缺氧环境；富氧特性；送氧方式；富氧面积 分类号T0116.14 Oxygen enrichment characteristics of an enclosed architectural space under anoxic conditions ZHANG Chuan-zhao),LIU Ying-shu),WANG Hao-yu,WU Yi-min),MA Xiao-jun,CHEN Fu-xiang) 1)College of Biochemical Engineering,Beijing Union University,Beijing 100023,China 2)School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:jdthaoyu@buu.edu.cn ABSTRACT A set of experimental devices for the measurement of indoor oxygen supply in an enclosed architectural space was built. The devices were used to analyze the effects of the number and diameter of oxygen-feeding ports,oxygen flow rate,and oxygen-feeding mode on the indoor oxygen enrichment characteristics and efficiency of an architectural space.Results show that the distribution of the maximum axial oxygen concentration tends to decline with axial distance under different numbers and diameters of oxygen-feeding ports, oxygen flow rates,and oxygen-feeding modes.Axial oxygen concentration rapidly decreases when the axial distance to the oxygen- feeding port ranges from 0m to 0.55.In general,the oxygen-enriched region that forms in a single oxygen-feeding port under different pipe diameters and oxygen flow rates presents a flat elliptical shape.The oxygen-enriched area expands under a constant oxygen-feeding pipe diameter and an increasing oxygen flow rate.The oxygen-enriched area that forms in double oxygen-feeding ports,wherein one is positioned vertically forward and the other port is positioned 45 opposite the forward-facing port,has a bifurcated shape with one point- ed head and one rounded head.The oxygen-enriched area that forms in the vertical forward-facing port is larger than that in the 45 收稿日期：2018-06-11 基金项目：北京市自然科学基金资助项目(8174064,8182019)：北京市教育委员会科技计划一般资助项目(KM201711417014);北京高等学校 青年英才计划资助项目(YETP1748):国家自然科学基金资助项目(51578065)
工程科学学报,第 40 卷,第 11 期:1380鄄鄄1388,2018 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 11: 1380鄄鄄1388, November 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 11. 012; http: / / journals. ustb. edu. cn 密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 张传钊1) , 刘应书2) , 王浩宇1)苣 , 吴义民1) , 马晓钧1) , 陈福祥1) 1) 北京联合大学生物化学工程学院, 北京 100023 2) 北京科技大学能源与环境工程学院, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail: jdthaoyu@ buu. edu. cn 摘 要 搭建了一套密闭建筑空间室内供氧实验装置,分别研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式的不同对建 筑空间室内的富氧特性及富氧效果的影响. 结果表明:送氧口个数、管径、流量及送氧方式不同时,氧气轴向最大浓度分布随 轴向距离的增加呈递减趋势,且距离送氧口轴向距离 0 ~ 0郾 55 m 的范围内,氧气轴向浓度迅速降低;单送氧口时,送氧口管径 及送氧流量不同时所形成的富氧范围大体呈扁椭圆形状,且送氧管径相同时送氧流量越大,富氧范围也越大;双送氧口竖直 向前和相对 45毅方式进行送氧所形成的富氧范围接近“一头尖一头圆冶的扇形,且竖直向前所形成的富氧范围比相对 45毅送氧 所形成的富氧范围要大;采用双送氧口相背 45毅方式进行送氧时,管径为 6 mm 的双送氧口所形成的富氧范围大体呈 2 片扇叶 形状;管径为 10 mm 的双送氧口所形成的富氧范围大体呈 2 个半圆形状;总送氧流量为 1 m 3·h - 1时,6 mm 管径的双送氧口相 背 45毅送氧范围最大,10 mm 管径的双送氧口竖直向前送氧范围最小;相同的总送氧流量及送氧方式下,单送氧口竖直向前送 氧所得到富氧面积比双送氧口竖直向前送氧所得到富氧面积大 20% 左右;相同的送氧口个数、送氧口流量及送氧方式下,管 径为 6 mm 的送氧口所得到的富氧面积比管径为 10 mm 的送氧口所得到的富氧面积大 60% 左右. 关键词 缺氧环境; 富氧特性; 送氧方式; 富氧面积 分类号 TQ116郾 14 收稿日期: 2018鄄鄄06鄄鄄11 基金项目: 北京市自然科学基金资助项目(8174064,8182019);北京市教育委员会科技计划一般资助项目(KM201711417014);北京高等学校 青年英才计划资助项目(YETP1748);国家自然科学基金资助项目(51578065) Oxygen enrichment characteristics of an enclosed architectural space under anoxic conditions ZHANG Chuan鄄zhao 1) , LIU Ying鄄shu 2) , WANG Hao鄄yu 1)苣 , WU Yi鄄min 1) , MA Xiao鄄jun 1) , CHEN Fu鄄xiang 1) 1) College of Biochemical Engineering, Beijing Union University, Beijing 100023, China 2) School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: jdthaoyu@ buu. edu. cn ABSTRACT A set of experimental devices for the measurement of indoor oxygen supply in an enclosed architectural space was built. The devices were used to analyze the effects of the number and diameter of oxygen鄄feeding ports, oxygen flow rate, and oxygen鄄feeding mode on the indoor oxygen enrichment characteristics and efficiency of an architectural space. Results show that the distribution of the maximum axial oxygen concentration tends to decline with axial distance under different numbers and diameters of oxygen鄄feeding ports, oxygen flow rates, and oxygen鄄feeding modes. Axial oxygen concentration rapidly decreases when the axial distance to the oxygen鄄 feeding port ranges from 0 m to 0郾 55 . In general, the oxygen鄄enriched region that forms in a single oxygen鄄feeding port under different pipe diameters and oxygen flow rates presents a flat elliptical shape. The oxygen鄄enriched area expands under a constant oxygen鄄feeding pipe diameter and an increasing oxygen flow rate. The oxygen鄄enriched area that forms in double oxygen鄄feeding ports, wherein one is positioned vertically forward and the other port is positioned 45毅 opposite the forward鄄facing port, has a bifurcated shape with one point鄄 ed head and one rounded head. The oxygen鄄enriched area that forms in the vertical forward鄄facing port is larger than that in the 45毅
张传钊等：密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 ·1381· opposing port.Under back-to-back oxygen feeding,the oxygen-enriched area that forms in double oxygen-feeding ports with the pipe diameter of 6 mm generally exhibits a two-bladed fan shape,whereas that in double oxygen-feeding ports with the pipe diameter of 10 mm appears as two overlapping semicircles.Under the total oxygen delivery flow rate of 1mh,the range of oxygen feeding in doub- le oxygen-feeding ports with the pipe diameter of 6 mm and 45 angle is the largest and that in double oxygen-feeding ports with the pipe diameter of 10 mm and vertical forward position is the smallest.Under a constant total oxygen flow rate and oxygen-feeding mode, the oxygen-enriched area that forms in the single oxygen-feeding port in the vertical forward position is 20%larger than that in the double oxygen-feeding ports in the vertical forward position.Under the same number of oxygen-feeding port,oxygen flow rate,and oxy- gen-feeding mode,the oxygen-enriched area in the oxygen-feeding port with the pipe diameter of 6 mm is approximately 60%larger than that in the oxygen-feeding port with the pipe diameter of 10 mm. KEY WORDS anoxic conditions;oxygen enrichment characteristics;oxygen-feeding mode;oxygen-enriched area 随着近年来全国大部分地区雾霾污染频发，人 制氧装置、缓冲罐、氧化锆氧浓度检测器、转子流量 们在室外活动的时间被迫压缩，室内空气品质 计、氧浓度传感器、数据采集卡、上位机等组成[】 (indoor air quality,LAQ)受到的关注度持续升高[). 如图1所示.变压吸附制氧装置为本课题组之前开 IAQ保障的两个关键点，一个是污染物去除，一个缺 发的双级变压吸附制氧系统[20-21]，制取氧气体积分 氧环境的供氧问题.近年来密闭空间室内污染物问 数为99%.Z0-101T型氧化锆氧浓度检测器是用 题较为突出，因此对密闭空间室内污染物去除的研 来测量变压吸附制氧机所制出的氧气浓度，测量范 究和应用较多2-刀.但是单纯去除密闭建筑空间室 围为0.1%~100%，测量精度±2%S:DK800-6F 内空气污染物并不能根本解决室内环境问题，还要 转子流量计控制送氧流量，测量范围为0~2m3· 考虑缺氧环境的供氧问题，尤其是在建筑节能和室 h-:USB5936型数据采集卡用于采集氧浓度信号并 外大气污染的背景下，如何解决高效、节能的建筑空 进行实时采集和记录；日本费加罗氧气传感器KE- 间的供氧问题更为重要.事实上，密闭建筑内部的 25用于测量不同位置的氧浓度，测量范围0~ 缺氧问题较为严重，且容易被忽视.人们长期在“微 100%,响应时间14±2s,范围精度为±1%. 缺氧”的密闭建筑内生活和工作，容易产生头痛、胸 闷、疲劳、烦躁、失眠、皮肤过敏等诸多身体问题] 北京科技大学刘应书教授也指出，利用专用制氧设 8 备产生的氧气，增加了密闭建筑空间环境中的氧含 量，有望为改善室内空气品质提供一条新途径]. 1213 313233 以往的供氧研究主要针对窄小的密闭空间（如 飞船、潜艇、矿井救生舱等)[0)]，技术相对比较成 0 熟：对于密闭建筑空间缺氧问题的研究和应用较少， 特别是缺少对密闭建筑空间内部供氧装置的选择、 布置、富氧特性及富氧效果的相关研究.仅见杨国 1一变压吸附制氧装置：2一氧化锆氧浓度检测器：3一缓冲罐：4， 萍等1]对北京地区的典型房间内部的氧浓度进行 5,7,8一球阀：6一转子流量计：9一圆形送氧口：10一数据采集卡： 了实地测量，测试结果表明人员密集、封闭性较强的 11一上位计算机：12~33一氧浓度传感器 图1实验装置示意图 房间内部的0，浓度普遍偏低.因此，本文通过实验 Fig.1 Schematic diagram of the experimental unit 研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式 等发生变化时密闭建筑空间室内的富氧特性及富氧 1.2实验内容 效果，以期为密闭建筑空间缺氧环境下的供氧装置 密闭建筑空间缺氧环境下的富氧特性实验在北 的选择、布置及密闭建筑空间内的富氧安全标准制 京某高校人工气候室内完成，变压吸附制氧装置制 定提供参考 取出的高浓度富氧气体通入缓冲罐，经氧化锆氧浓 度检测器检测其浓度后，流经转子流量计控制其送 1实验部分 氧流量，再通过设置于侧墙壁面中心位置距地面 1.5m处的圆形送氧口，并以射流形式进入密闭建 1.1供氧装置 筑房间内.送氧口管径分别选择10mm和6mm,并 密闭建筑房间的供氧系统实验装置由变压吸附 以单送氧口和双送氧口的供氧方式进行送氧.氧浓
张传钊等: 密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 opposing port. Under back鄄to鄄back oxygen feeding, the oxygen鄄enriched area that forms in double oxygen鄄feeding ports with the pipe diameter of 6 mm generally exhibits a two鄄bladed fan shape, whereas that in double oxygen鄄feeding ports with the pipe diameter of 10 mm appears as two overlapping semicircles. Under the total oxygen delivery flow rate of 1 m 3·h - 1 , the range of oxygen feeding in doub鄄 le oxygen鄄feeding ports with the pipe diameter of 6 mm and 45毅 angle is the largest and that in double oxygen鄄feeding ports with the pipe diameter of 10 mm and vertical forward position is the smallest. Under a constant total oxygen flow rate and oxygen鄄feeding mode, the oxygen鄄enriched area that forms in the single oxygen鄄feeding port in the vertical forward position is 20% larger than that in the double oxygen鄄feeding ports in the vertical forward position. Under the same number of oxygen鄄feeding port, oxygen flow rate, and oxy鄄 gen鄄feeding mode, the oxygen鄄enriched area in the oxygen鄄feeding port with the pipe diameter of 6 mm is approximately 60% larger than that in the oxygen鄄feeding port with the pipe diameter of 10 mm. KEY WORDS anoxic conditions; oxygen enrichment characteristics; oxygen鄄feeding mode; oxygen鄄enriched area 随着近年来全国大部分地区雾霾污染频发,人 们在室外活动的时间被迫压缩, 室内空气品质 (indoor air quality,IAQ)受到的关注度持续升高[1] . IAQ 保障的两个关键点,一个是污染物去除,一个缺 氧环境的供氧问题. 近年来密闭空间室内污染物问 题较为突出,因此对密闭空间室内污染物去除的研 究和应用较多[2 - 7] . 但是单纯去除密闭建筑空间室 内空气污染物并不能根本解决室内环境问题,还要 考虑缺氧环境的供氧问题,尤其是在建筑节能和室 外大气污染的背景下,如何解决高效、节能的建筑空 间的供氧问题更为重要. 事实上,密闭建筑内部的 缺氧问题较为严重,且容易被忽视. 人们长期在“微 缺氧冶的密闭建筑内生活和工作,容易产生头痛、胸 闷、疲劳、烦躁、失眠、皮肤过敏等诸多身体问题[8] . 北京科技大学刘应书教授也指出,利用专用制氧设 备产生的氧气,增加了密闭建筑空间环境中的氧含 量,有望为改善室内空气品质提供一条新途径[9] . 以往的供氧研究主要针对窄小的密闭空间(如 飞船、潜艇、矿井救生舱等) [10鄄鄄17] ,技术相对比较成 熟;对于密闭建筑空间缺氧问题的研究和应用较少, 特别是缺少对密闭建筑空间内部供氧装置的选择、 布置、富氧特性及富氧效果的相关研究. 仅见杨国 萍等[18]对北京地区的典型房间内部的氧浓度进行 了实地测量,测试结果表明人员密集、封闭性较强的 房间内部的 O2浓度普遍偏低. 因此,本文通过实验 研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式 等发生变化时密闭建筑空间室内的富氧特性及富氧 效果,以期为密闭建筑空间缺氧环境下的供氧装置 的选择、布置及密闭建筑空间内的富氧安全标准制 定提供参考. 1 实验部分 1郾 1 供氧装置 密闭建筑房间的供氧系统实验装置由变压吸附 制氧装置、缓冲罐、氧化锆氧浓度检测器、转子流量 计、氧浓度传感器、数据采集卡、上位机等组成[19] , 如图 1 所示. 变压吸附制氧装置为本课题组之前开 发的双级变压吸附制氧系统[20鄄鄄21] ,制取氧气体积分 数为 99% . ZO鄄鄄 101T 型氧化锆氧浓度检测器是用 来测量变压吸附制氧机所制出的氧气浓度,测量范 围为 0郾 1% ~ 100% ,测量精度 依 2% FS;DK800鄄鄄 6F 转子流量计控制送氧流量,测量范围为 0 ~ 2 m 3· h - 1 ;USB5936 型数据采集卡用于采集氧浓度信号并 进行实时采集和记录;日本费加罗氧气传感器KE鄄鄄 25 用于 测 量 不 同 位 置 的 氧 浓 度,测 量 范 围 0 ~ 100% ,响应时间 14 依 2 s,范围精度为 依 1% . 1—变压吸附制氧装置;2—氧化锆氧浓度检测器;3—缓冲罐;4, 5,7,8—球阀;6—转子流量计;9—圆形送氧口;10—数据采集卡; 11—上位计算机;12 ~ 33—氧浓度传感器 图 1 实验装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental unit 1郾 2 实验内容 密闭建筑空间缺氧环境下的富氧特性实验在北 京某高校人工气候室内完成,变压吸附制氧装置制 取出的高浓度富氧气体通入缓冲罐,经氧化锆氧浓 度检测器检测其浓度后,流经转子流量计控制其送 氧流量,再通过设置于侧墙壁面中心位置距地面 1郾 5 m 处的圆形送氧口,并以射流形式进入密闭建 筑房间内. 送氧口管径分别选择 10 mm 和 6 mm,并 以单送氧口和双送氧口的供氧方式进行送氧. 氧浓 ·1381·
·1382 工程科学学报，第40卷，第11期 度传感器安置在固定支架上并进行吊装，通过改变 为1.5m,分别采用竖直向前、相对45°、相背45°三 氧浓度传感器距送氧口的轴向距离来探测不同位置 种送氧方式，两送氧口的间距及具体安装位置，如图 的氧气浓度，就可以测得密闭建筑空间内任意轴向 2所示.分别研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流 或径向位置处的氧气浓度. 量及送氧方式等不同时，密闭建筑房间内的富氧特 单送氧口位于侧墙壁面中心位置距地面高度 性及富氧效果.每组实验的条件及内容，如表1 1.5m处，双送氧口安装于侧墙壁面上，距地面高度 所示 20 cm (c) 图2不同送氧方式的双送氧口位置示意图.(a)竖直向前：(b)相对45°：(c)相背45° Fig.2 Schematic diagram of double oxygen-feeding ports for different oxygen-feeding modes:(a)vertical forward-facing port;(b)45 opposing port;(c)45back-to-back port 表1实验条件及内容 Table 1 Experimental conditions and contents 送氧口个数及 送氧体积 送氧口 总送氧流量/ 单个送氧口流量/ 送氧流速/ 序号 方式 分数/% 管径/mm (m3.h1) (m3.h-1) (ms-1) 1(竖 多 6 2.0 2.00 7.08 1(经) 99 b 1.5 1.50 5.31 3 1(经直) 99 10 1.0 1.00 3.54 1(整直) 99 10 0.5 0.50 1.77 1(经) 99 10 0.2 0.20 0.71 6 1(竖直) 99 6 2.0 2.00 19.66 > 1(竖直) 99 6 1.5 1.50 14.74 1(经直) 99 6 1.0 1.00 9.83 9 1(竖直) 99 6 0.5 0.50 4.91 10 1(经直) 99 6 0.2 0.20 1.96 11 2(竖直.相附45”相背45°) 99 10 2.0 1.00 3.54 12 2(竖直.相对45”相背45) 90 10 1.5 0.75 2.66 13 2(竖直相对45“相背45) 99 10 1.0 0.50 1.77 14 2(竖直.相对45.相背5) 99 10 0.5 0.25 0.89 15 2(竖直.相对45°相背45） 99 10 0.2 0.10 0.36 16 2(竖直.相对45”相背5） 99 6 2.0 1.00 9.83 17 2(签直.相对45相背45) 99 6 1.5 0.75 7.37 18 2(整直.相对45°相背45) 99 6 1.0 0.50 4.91 19 2(整直.相对45°相45°) 99 6 0.5 0.25 2.46 20 2(直相对45相你45) 99 6 0.2 0.10 0.98 后，纯氧气体与周围气体发生对流扩散过程，且存在 2结果分析 的氧浓度差作为推动力使得富氧气体于室内空气迅 2.1送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方 速混合，所以在送氧口附近轴向距离0~0.55m的 式不同时的氧气轴向最大浓度分布 范围内氧气浓度较高，而在轴向距离0.55~2m的 单送氧口送氧流量不同时的氧气轴向最大浓度 范围内氧气浓度呈递减趋势.由图3还可以看出， 分布，如图3所示.由图3可以看出，随着轴向距离 送氧流量为2m3.h-1时，管径为6mm的送氧口在轴 的逐渐增加，氧气轴向最大浓度呈递减趋势，且在距 向距离为0.15、0.35和0.55m的位置处的氧气轴 离送氧口轴向距离0.55m的范围内，氧气轴向浓度 向最大氧气体积分数分别为34.38%、26.41%、 迅速降低，然后逐渐稳定并接近环境中的氧浓度. 24.32%:管径为10mm的送氧口在轴向距离为 这是由于送氧口送出氧气体积分数为99%的氧气0.15、0.35和0.55m的位置处的氧气轴向最大氧气
工程科学学报,第 40 卷,第 11 期 度传感器安置在固定支架上并进行吊装,通过改变 氧浓度传感器距送氧口的轴向距离来探测不同位置 的氧气浓度,就可以测得密闭建筑空间内任意轴向 或径向位置处的氧气浓度. 单送氧口位于侧墙壁面中心位置距地面高度 1郾 5 m 处,双送氧口安装于侧墙壁面上,距地面高度 为 1郾 5 m,分别采用竖直向前、相对 45毅、相背 45毅三 种送氧方式,两送氧口的间距及具体安装位置,如图 2 所示. 分别研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流 量及送氧方式等不同时,密闭建筑房间内的富氧特 性及富氧效果. 每组实验的条件及内容,如表 1 所示. 图 2 不同送氧方式的双送氧口位置示意图. (a) 竖直向前; (b) 相对 45毅; (c) 相背 45毅 Fig. 2 Schematic diagram of double oxygen鄄feeding ports for different oxygen鄄feeding modes: ( a) vertical forward鄄facing port; ( b) 45毅 opposing port; (c) 45毅back鄄to鄄back port 表 1 实验条件及内容 Table 1 Experimental conditions and contents 序号 送氧口个数及 方式 送氧体积 分数/ % 送氧口 管径/ mm 总送氧流量/ (m 3·h - 1 ) 单个送氧口流量/ (m 3·h - 1 ) 送氧流速/ (m·s - 1 ) 1 1(竖直) 99 10 2郾 0 2郾 00 7郾 08 2 1(竖直) 99 10 1郾 5 1郾 50 5郾 31 3 1(竖直) 99 10 1郾 0 1郾 00 3郾 54 4 1(竖直) 99 10 0郾 5 0郾 50 1郾 77 5 1(竖直) 99 10 0郾 2 0郾 20 0郾 71 6 1(竖直) 99 6 2郾 0 2郾 00 19郾 66 7 1(竖直) 99 6 1郾 5 1郾 50 14郾 74 8 1(竖直) 99 6 1郾 0 1郾 00 9郾 83 9 1(竖直) 99 6 0郾 5 0郾 50 4郾 91 10 1(竖直) 99 6 0郾 2 0郾 20 1郾 96 11 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 2郾 0 1郾 00 3郾 54 12 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 1郾 5 0郾 75 2郾 66 13 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 1郾 0 0郾 50 1郾 77 14 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 0郾 5 0郾 25 0郾 89 15 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 0郾 2 0郾 10 0郾 36 16 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 2郾 0 1郾 00 9郾 83 17 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 1郾 5 0郾 75 7郾 37 18 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 1郾 0 0郾 50 4郾 91 19 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 0郾 5 0郾 25 2郾 46 20 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 0郾 2 0郾 10 0郾 98 2 结果分析 2郾 1 送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方 式不同时的氧气轴向最大浓度分布 单送氧口送氧流量不同时的氧气轴向最大浓度 分布,如图 3 所示. 由图 3 可以看出,随着轴向距离 的逐渐增加,氧气轴向最大浓度呈递减趋势,且在距 离送氧口轴向距离 0郾 55 m 的范围内,氧气轴向浓度 迅速降低,然后逐渐稳定并接近环境中的氧浓度. 这是由于送氧口送出氧气体积分数为 99% 的氧气 后,纯氧气体与周围气体发生对流扩散过程,且存在 的氧浓度差作为推动力使得富氧气体于室内空气迅 速混合,所以在送氧口附近轴向距离 0 ~ 0郾 55 m 的 范围内氧气浓度较高,而在轴向距离 0郾 55 ~ 2 m 的 范围内氧气浓度呈递减趋势. 由图 3 还可以看出, 送氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴 向距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位置处的氧气轴 向最大氧气体积分数分 别 为 34郾 38% 、 26郾 41% 、 24郾 32% ;管径为 10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位置处的氧气轴向最大氧气 ·1382·
张传钊等：密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 ·1383· 体积分数分别为33.5%、25.32%和24.17%.这说 氧效果更佳，这是因为管径越小，送氧口的送氧流速 明在相同的送氧流量下，管径为6mm的送氧口的送 越大，使得相同轴向距离上的氧气浓度较大 0.45 0.45 日-送氧流量0.2m.h b 日-送氧流量0.2m3.h1 e-送氧流量0.5m3.h-l e-送氧流量0.5m3,h- 0.40 a送氧流量1.0m2.hl 0.40 a送氧流量1.0m.h g-送氧流量1.5m3,h1 ?-送氧流量1.5m3,h-1 035 0-送氧流量2.0m3.h-1 0.35 0-送氧流量2.0m3.h- 0.30 0.25 0.25 020% 音备备省 0.30.60.91.21.51.8 0.20% 0.60.9121518 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离/m 图3单送氧口送氧流量不同时的氧气轴向最大浓度分布.(a）送氧口管径6mm:(b)送氧口管径10mm Fig.3 Axial oxygen concentration distribution of a single oxygen-feeding port in different oxygen flow rates:(a)outlet diameter 6mm;(b)outlet di- ameter 10 mm 双送氧口送氧方式不同时的氧气轴向最大浓度 氧气轴向最大体积分数分别为30.37%、23.23%和 分布，如图4所示.由图4可以看出，双送氧口送氧 22.01%.双送氧口相背45°送氧且总送氧流量为 方式不同时，氧气轴向最大浓度的递减变化趋势与 2m3.h1时，管径为6mm的送氧口在轴向距离为 单送氧口是相似的，氧气浓度都是随着轴向逐渐递 0.15,0.35和0.55m的位置处的氧气轴向最大体积 减至环境浓度.由图4还可以看出，双送氧口竖直 分数分别为29.94%、24.85%和22%：管径为10mm 向前送氧且总送氧流量为2m3.h-1时，管径为6mm 的送氧口在轴向距离为0.15、0.35和0.55m的位 的送氧口在轴向距离为0.15、0.35和0.55m的位 置处的氧气轴向最大体积分数分别为27.73%、 置处的氧气轴向最大体积分数分别为34.12%、 23.22%和22%.这是由于双送氧口相对45°送氧 26.36%和24.2%：管径为10mm的送氧口在轴向时，双送氧口送出的高浓度氧气在距送氧口0.15m 距离为0.150.35和0.55m的位置处的氧气轴向 的位置处进行交汇并迅速扩散至周围环境中，因此 最大体积分数分别为33.2%、24.1%和22.59%. 在0~0.55m的范围内的氧气最大浓度比双送氧口 双送氧口相对45°送氧且总送氧流量为2m3·h时， 竖直向前送氧要大；且在0~0.55m的范围内的管 管径为6mm的送氧口在轴向距离为0.15、0.35和 径10mm的氧气最大浓度比管径6mm要大，这是因 0.55m的位置处的氧气轴向最大体积分数分别为 为相同流量下管径越大，出氧流速越小，在距送氧口 32.17%、25.84%和22.04%；管径为10mm的送氧 附近的单位面积内所含氧分子数量越多，因此氧气 口在轴向距离为0.15、0.35和0.55m的位置处的 浓度也就越高. 0.45 0.45 (a) (b) 。-送氧口管径6mm,竖直向前 e-送氧口管径6mm.竖直向前 0.40 0-送氧口管径6mm,相对45 0-送氧口管径6mm,相对45° 4送氧口管径6mm.相背45° 0.40 4送氧口管径6mm,相背45 0.35 0.35 030H 0.30 0.25 0.25 020% 0.20 03 0.60.91.21.51.8 0 03 0.60.91.2151.8 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离m 图4双送氧口送氧方式不同时的氧气轴向最大体积分数分布.(a)送氧口管径6mm;(b)送氧口管径10mm Fig.4 Axial oxygen concentration distribution of double oxygen-feeding ports in different oxygen-feeding modes:(a)outlet diameter6 mm;(b)out- let diameter 10 mm
张传钊等: 密闭建筑空间缺氧环境下富氧特性研究 体积分数分别为 33郾 5% 、25郾 32% 和 24郾 17% . 这说 明在相同的送氧流量下,管径为 6 mm 的送氧口的送 氧效果更佳,这是因为管径越小,送氧口的送氧流速 越大,使得相同轴向距离上的氧气浓度较大. 图 3 单送氧口送氧流量不同时的氧气轴向最大浓度分布. (a) 送氧口管径 6 mm; (b) 送氧口管径 10 mm Fig. 3 Axial oxygen concentration distribution of a single oxygen鄄feeding port in different oxygen flow rates: (a) outlet diameter 6 mm; (b) outlet di鄄 ameter 10 mm 图 4 双送氧口送氧方式不同时的氧气轴向最大体积分数分布. (a) 送氧口管径 6 mm; (b) 送氧口管径 10 mm Fig. 4 Axial oxygen concentration distribution of double oxygen鄄feeding ports in different oxygen鄄feeding modes: (a) outlet diameter 6 mm; (b) out鄄 let diameter 10 mm 双送氧口送氧方式不同时的氧气轴向最大浓度 分布,如图 4 所示. 由图 4 可以看出,双送氧口送氧 方式不同时,氧气轴向最大浓度的递减变化趋势与 单送氧口是相似的,氧气浓度都是随着轴向逐渐递 减至环境浓度. 由图 4 还可以看出,双送氧口竖直 向前送氧且总送氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位 置处的氧气轴向最大体积分数分别为 34郾 12% 、 26郾 36% 和 24郾 2% ;管径为 10 mm 的送氧口在轴向 距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位置处的氧气轴向 最大体积分数分别为 33郾 2% 、24郾 1% 和 22郾 59% . 双送氧口相对45毅送氧且总送氧流量为2 m 3·h - 1时, 管径为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位置处的氧气轴向最大体积分数分别为 32郾 17% 、25郾 84% 和 22郾 04% ;管径为 10 mm 的送氧 口在轴向距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位置处的 氧气轴向最大体积分数分别为 30郾 37% 、23郾 23% 和 22郾 01% . 双送氧口相背 45 o 送氧且总送氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位置处的氧气轴向最大体积 分数分别为29郾 94% 、24郾 85% 和22% ;管径为10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 35 和 0郾 55 m 的位 置处的氧气轴向最大体积分数分别为 27郾 73% 、 23郾 22% 和 22% . 这是由于双送氧口相对 45毅送氧 时,双送氧口送出的高浓度氧气在距送氧口 0郾 15 m 的位置处进行交汇并迅速扩散至周围环境中,因此 在 0 ~ 0郾 55 m 的范围内的氧气最大浓度比双送氧口 竖直向前送氧要大;且在 0 ~ 0郾 55 m 的范围内的管 径 10 mm 的氧气最大浓度比管径 6 mm 要大,这是因 为相同流量下管径越大,出氧流速越小,在距送氧口 附近的单位面积内所含氧分子数量越多,因此氧气 浓度也就越高. ·1383·
.1384 工程科学学报，第40卷，第11期 送氧方式及送氧流量不同时氧气轴向最大浓度 示，其中a,和a1为常数，d为送氧口管径，x为距送 的变化趋势都是沿轴向迅速递减的，且不同送氧方 氧口轴向距离，y为对应轴向位置处的氧气体积分 式及送氧流量下的变化趋势相近，因此可以用相似 数.拟合得到氧气轴向最大浓度分布，相关系数 函数进行描述[2-2]，即用函数y=ao+1×d/x来表 2≥0.95，如表2所示. 表2送氧方式及送氧口流量不同时的氧气轴向最大浓度分布关系式 Table 2 Axial oxygen concentration distribution in different oxygen-feeding modes and different oxygen flow rates 送氧口管径/ 送氧口个数及 单个送氧流量/ 送氧速度/ 常数， 常数， 氧气最大轴 mm 方式 (m3h1) (m.s-1) ao 体积分数分布/% 10 1(整直) 2.00 7.080 0.204 1.97 0.204+1.97/(x/0.01) 10 1(整直) 1.50 5.310 0.204 1.71 0.204+1.71/(x/0.01) 10 1(整0 1.00 3.540 0.204 1.50 0.204+1.5/(x/0.01) 10 1(整直) 0.50 1.770 0.204 1.27 0.204+1.27/(x/0.01) 10 1(竖直) 0.20 0.710 0.204 1.05 0.204+1.05/(x/0.01) 1(整直) 2.00 19.660 0.204 3.49 0.204+3.49/(x/0.006) 6 1(整直) 1.50 14.740 0.204 2.94 0.204+2.94/(x/0.006) 1(竖直) 1.00 9.830 0.204 2.48 0.204+2.48/(x/0.006) 6 1(经) 0.50 4.910 0.204 2.12 0.204+2.12/(x/0.006) 6 1(经直) 0.20 1.960 0.204 1.73 0.204+1.73/(x/0.006) 10 2(整直) 1.00 3.540 0.204 1.92 0.204+1.92/(x/0.01) 10 2(蛟0 0.75 2.655 0.204 1.79 0.204+1.79/(x/0.01) 10 2(经直) 0.50 1.770 0.204 1.53 0.204+1.53/(x/0.01) 10 2(竖直) 0.25 0.885 0.204 1.25 0.204+1.25/(x/0.01) 10 2(酸直) 0.10 0.355 0.204 1.03 0.204+1.03/(x/0.01) 2(竖直) 1.00 9.830 0.204 3.43 0.204+3.43/(x/0.006) 6 2(经0 0.75 7.370 0.204 2.86 0.204+2.86/(x/0.006) 6 2(整直) 0.50 4.915 0.204 2.45 0.204+2.45/（x/0.006) 6 2(经直) 0.25 2.455 0.204 2.05 0.204+2.05/(x/0.006) 6 2(能直) 0.10 0.980 0.204 1.71 0.204+1.71/(x/0.006) 10 2(相对45°) 1.00 3.540 0.204 1.50 0.204+1.5/(x/0.01） 10 2(相对45) 0.75 2.655 0.204 1.35 0.204+1.75/(x/0.01) 10 2(相对45) 0.50 1.770 0.204 1.21 0.204+1.51/（x/0.01) 10 2(相对5) 0.25 0.885 0.204 1.18 0.204+1.28/(x/0.01) 10 2(相对45) 0.10 0.355 0.204 1.03 0.204+1.03/(x/0.01) 6 2(相对45) 1.00 9.830 0.204 2.93 0.204+2.93/(x/0.006) 6 2(相对5) 0.75 7.370 0.204 2.78 0.204+2.80/(x/0.006) 6 2(相对45) 0.50 4.915 0.204 2.51 0.204+2.51/(x/0.006) 6 2(相对45) 0.25 2.455 0.204 2.11 0.204+2.11/(x/0.006) 6 2(相对45) 0.10 0.980 0.204 1.75 0.204+1.75/(x/0.006) 10 2(相背45) 1.00 3.540 0.204 1.10 0.204+1.1/(x/0.01) 10 2(相背45） 0.75 2.655 0.204 0.93 0.204+1.73/（x/0.01) 10 2(相背45) 0.50 1.770 0.204 0.78 0.204+1.49/(x/0.01) 10 2(相背45) 0.25 0.885 0.204 0.59 0.204+1.23/(x/0.01) 10 2(相背45) 0.10 0.355 0.204 0.47 0.204+1.01/(x/0.01) 6 2(相背45) 1.00 9.830 0.204 2.38 0.204+2.38/(x/0.006) 6 2(相背45) 0.75 7.370 0.204 2.18 0.204+2.8/(x/0.006) 6 2(相背45) 0.50 4.915 0.204 2.01 0.204+2.49/(x/0.006) 6 2(相背45) 0.25 2.455 0.204 1.85 0.204+2.13/(x/0.006) 6 2(相背45) 0.10 0.980 0.204 1.73 0.204+1.73/(x/0.006)
工程科学学报,第 40 卷,第 11 期 送氧方式及送氧流量不同时氧气轴向最大浓度 的变化趋势都是沿轴向迅速递减的,且不同送氧方 式及送氧流量下的变化趋势相近,因此可以用相似 函数进行描述[22鄄鄄23] ,即用函数 y = a0 + a1 伊 d / x 来表 示,其中 a0和 a1为常数,d 为送氧口管径,x 为距送 氧口轴向距离,y 为对应轴向位置处的氧气体积分 数. 拟合得到氧气轴向最大浓度分布,相关系数 R 2逸0郾 95,如表 2 所示. 表 2 送氧方式及送氧口流量不同时的氧气轴向最大浓度分布关系式 Table 2 Axial oxygen concentration distribution in different oxygen鄄feeding modes and different oxygen flow rates 送氧口管径/ mm 送氧口个数及 方式 单个送氧流量/ (m 3·h - 1 ) 送氧速度/ (m·s - 1 ) 常数, a0 常数, a1 氧气最大轴 体积分数分布/ % 10 1(竖直) 2郾 00 7郾 080 0郾 204 1郾 97 0郾 204 + 1郾 97 / (x / 0郾 01) 10 1(竖直) 1郾 50 5郾 310 0郾 204 1郾 71 0郾 204 + 1郾 71 / (x / 0郾 01) 10 1(竖直) 1郾 00 3郾 540 0郾 204 1郾 50 0郾 204 + 1郾 5 / (x / 0郾 01) 10 1(竖直) 0郾 50 1郾 770 0郾 204 1郾 27 0郾 204 + 1郾 27 / (x / 0郾 01) 10 1(竖直) 0郾 20 0郾 710 0郾 204 1郾 05 0郾 204 + 1郾 05 / (x / 0郾 01) 6 1(竖直) 2郾 00 19郾 660 0郾 204 3郾 49 0郾 204 + 3郾 49 / (x / 0郾 006) 6 1(竖直) 1郾 50 14郾 740 0郾 204 2郾 94 0郾 204 + 2郾 94 / (x / 0郾 006) 6 1(竖直) 1郾 00 9郾 830 0郾 204 2郾 48 0郾 204 + 2郾 48 / (x / 0郾 006) 6 1(竖直) 0郾 50 4郾 910 0郾 204 2郾 12 0郾 204 + 2郾 12 / (x / 0郾 006) 6 1(竖直) 0郾 20 1郾 960 0郾 204 1郾 73 0郾 204 + 1郾 73 / (x / 0郾 006) 10 2(竖直) 1郾 00 3郾 540 0郾 204 1郾 92 0郾 204 + 1郾 92 / (x / 0郾 01) 10 2(竖直) 0郾 75 2郾 655 0郾 204 1郾 79 0郾 204 + 1郾 79 / (x / 0郾 01) 10 2(竖直) 0郾 50 1郾 770 0郾 204 1郾 53 0郾 204 + 1郾 53 / (x / 0郾 01) 10 2(竖直) 0郾 25 0郾 885 0郾 204 1郾 25 0郾 204 + 1郾 25 / (x / 0郾 01) 10 2(竖直) 0郾 10 0郾 355 0郾 204 1郾 03 0郾 204 + 1郾 03 / (x / 0郾 01) 6 2(竖直) 1郾 00 9郾 830 0郾 204 3郾 43 0郾 204 + 3郾 43 / (x / 0郾 006) 6 2(竖直) 0郾 75 7郾 370 0郾 204 2郾 86 0郾 204 + 2郾 86 / (x / 0郾 006) 6 2(竖直) 0郾 50 4郾 915 0郾 204 2郾 45 0郾 204 + 2郾 45 / (x / 0郾 006) 6 2(竖直) 0郾 25 2郾 455 0郾 204 2郾 05 0郾 204 + 2郾 05 / (x / 0郾 006) 6 2(竖直) 0郾 10 0郾 980 0郾 204 1郾 71 0郾 204 + 1郾 71 / (x / 0郾 006) 10 2(相对45毅 ) 1郾 00 3郾 540 0郾 204 1郾 50 0郾 204 + 1郾 5 / (x / 0郾 01) 10 2(相对45毅 ) 0郾 75 2郾 655 0郾 204 1郾 35 0郾 204 + 1郾 75 / (x / 0郾 01) 10 2(相对45毅 ) 0郾 50 1郾 770 0郾 204 1郾 21 0郾 204 + 1郾 51 / (x / 0郾 01) 10 2(相对45毅 ) 0郾 25 0郾 885 0郾 204 1郾 18 0郾 204 + 1郾 28 / (x / 0郾 01) 10 2(相对45毅 ) 0郾 10 0郾 355 0郾 204 1郾 03 0郾 204 + 1郾 03 / (x / 0郾 01) 6 2(相对45毅 ) 1郾 00 9郾 830 0郾 204 2郾 93 0郾 204 + 2郾 93 / (x / 0郾 006) 6 2(相对45毅 ) 0郾 75 7郾 370 0郾 204 2郾 78 0郾 204 + 2郾 80 / (x / 0郾 006) 6 2(相对45毅 ) 0郾 50 4郾 915 0郾 204 2郾 51 0郾 204 + 2郾 51 / (x / 0郾 006) 6 2(相对45毅 ) 0郾 25 2郾 455 0郾 204 2郾 11 0郾 204 + 2郾 11 / (x / 0郾 006) 6 2(相对45毅 ) 0郾 10 0郾 980 0郾 204 1郾 75 0郾 204 + 1郾 75 / (x / 0郾 006) 10 2(相背45毅 ) 1郾 00 3郾 540 0郾 204 1郾 10 0郾 204 + 1郾 1 / (x / 0郾 01) 10 2(相背45毅 ) 0郾 75 2郾 655 0郾 204 0郾 93 0郾 204 + 1郾 73 / (x / 0郾 01) 10 2(相背45毅 ) 0郾 50 1郾 770 0郾 204 0郾 78 0郾 204 + 1郾 49 / (x / 0郾 01) 10 2(相背45毅 ) 0郾 25 0郾 885 0郾 204 0郾 59 0郾 204 + 1郾 23 / (x / 0郾 01) 10 2(相背45毅 ) 0郾 10 0郾 355 0郾 204 0郾 47 0郾 204 + 1郾 01 / (x / 0郾 01) 6 2(相背45毅 ) 1郾 00 9郾 830 0郾 204 2郾 38 0郾 204 + 2郾 38 / (x / 0郾 006) 6 2(相背45毅 ) 0郾 75 7郾 370 0郾 204 2郾 18 0郾 204 + 2郾 8 / (x / 0郾 006) 6 2(相背45毅 ) 0郾 50 4郾 915 0郾 204 2郾 01 0郾 204 + 2郾 49 / (x / 0郾 006) 6 2(相背45毅 ) 0郾 25 2郾 455 0郾 204 1郾 85 0郾 204 + 2郾 13 / (x / 0郾 006) 6 2(相背45毅 ) 0郾 10 0郾 980 0郾 204 1郾 73 0郾 204 + 1郾 73 / (x / 0郾 006) ·1384·