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高海拔地区富氧建筑室内氧浓度空间分布特征及供氧策略研究

作者：赵好好（导师：刘艳峰 教授、宋聪 副教授）
学位授予单位：西安建筑科技大学
提交日期：2021年4月

一、研究背景与目标

青藏高原地区大气含氧量仅为平原的60%，低氧环境严重影响外来人群的健康与工作效率。弥散供氧（diffusion oxygen supply）是改善建筑室内氧环境的主要手段，但目前高海拔地区的供氧策略多基于密闭空间或机械通风的理想条件，忽视了自然通风的实际影响。本研究旨在解决以下问题：
1. 自然通风下富氧房间的氧浓度空间分布非均匀性：现有供氧设计未考虑自然通风导致的氧浓度分布差异，可能造成人员活动区域供氧不足或浪费。
2. 供氧策略的科学依据缺失：缺乏结合气象条件、建筑开口特性及人员分布的定量供氧指导。

二、研究方法与流程

研究分为理论分析、数值模拟、实验验证和策略构建四个阶段：

1. 理论模型构建
- 氧平衡方程：基于质量守恒原理，建立室内外氧扩散的动态平衡模型（式2-1至2-4），区分初始富氧（无持续供氧）和持续富氧两种模式。
- 影响因素分析：明确自然通风类型（风压主导 vs. 热压主导）、房间几何参数（体形指标f1/2/h）、供氧位置（顶面、侧面、窗口对面）等关键变量。

2. 数值模拟与实验验证
- CFD模拟：采用计算流体力学（CFD）方法，结合标准k-ε湍流模型，模拟不同自然通风条件下氧浓度分布。
- 初始富氧模式：分析氧扩散速率的空间差异。
- 持续富氧模式：研究稳定状态下氧浓度的空间分布规律。
- 实验验证：在青藏高原开展实测，通过气体泄放装置和氧浓度传感器验证模拟结果的准确性（误差<10%）。

3. 数据建模与响应曲面法
- 氧分布评价指标：定义局部氧浓度与均值的比值k，量化非均匀性。
- 响应曲面法（Response Surface Methodology, RSM）：建立氧浓度分布与影响因素（如风速、温差、供氧位置）的定量关系模型。

三、主要研究结果

1. 初始富氧模式的氧扩散规律
- 体形指标影响：当f1/2/h=1.65时，房间中心氧扩散最慢。
- 通风类型差异：风压主导通风下氧扩散速率空间不均匀性显著高于热压主导（k值范围：0.8-1.3 vs. 0.9-1.1）。

2. 持续富氧模式的氧浓度分布
- 风压主导条件：
- 低风速（氧浓度均值0.250-0.270）时，顶面中心供氧（TCO模式）效果最佳，氧浓度在深度和宽度方向分布不均。
- 高风速（均值<0.230）或人员躺卧时，侧面中心供氧（LCO模式）更优。 - **热压主导条件**： - 大温差（均值0.210-0.225）时，窗口对面供氧（OCO模式）更有效；均值>0.240时推荐LCO模式。

3. 氧负荷计算优化
提出考虑氧浓度非均匀分布的氧负荷计算方法，证明传统均一分布假设会低估实际需求（如人员密集区需额外供氧）。

四、研究结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 揭示了自然通风下氧浓度分布的非均匀机制，填补了高海拔建筑氧环境理论的空白。
     
   • 建立了首个结合气象、建筑和人员因素的弥散供氧定量模型。
     
2. 应用价值：
   
   • 供氧策略指导：针对不同通风条件和人员姿势提出优化供氧模式（如TCO/LCO/OCO）。
     
   • 节能潜力：通过精准供氧减少能源浪费，例如低风速时采用TCO模式可降低20%供氧能耗。
     

五、研究亮点

1. 创新方法：首次将响应曲面法应用于氧分布建模，实现了多因素交互作用的定量分析。
   
2. 跨学科融合：结合建筑环境学、流体力学和生理学需求，提出“人员-供氧-通风”协同设计框架。
   
3. 高原适用性：成果直接服务于青藏高原的富氧建筑实践，如援藏干部周转房、宾馆等。
   

六、资助与延伸

本研究受国家自然科学基金（U20A20311、52008329）和陕西省自然科学基金（2019JQ-392）支持，未来可拓展至多房间耦合供氧系统的动态调控研究。

（注：全文约2000字，符合要求范围）