类型A：原创性研究学术报告

本研究由西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院的高然（通讯作者）领衔，联合丹麦技术大学国际室内环境与能源中心的Arsen K. Melikov教授等学者共同完成。该研究成果题为《Air distribution of oxygen supply through guardrail slot diffusers in high-altitude hypoxic areas》，于2020年4月30日在线发表于环境科学与建筑领域的权威期刊《Building and Environment》第179卷上。

一、 研究背景与目标

高海拔低氧地区的室内环境质量，尤其是在火车站、医院等高密度人群公共空间，面临着巨大的挑战。尽管大气中的氧气体积分数（oxygen volume fraction）保持为20.9%，但随着海拔升高，空气密度下降，导致单位体积内的氧气含量（oxygen content）显著降低，这会使人体产生血压升高、认知困难、疲劳等一系列生理与心理损伤。现有的供氧方式，如个体供氧（Individual Oxygen Supply, IOS）、分布式集中供氧（Distributed Centralized Oxygen Supply, DCOS）和弥漫式供氧（Diffusion-Type Oxygen Supply, DTOS），均存在不足。IOS与DCOS虽能将氧气直接输送到呼吸区域，但需要氧气面罩或鼻导管，在高密度人群中应用不便。改进型的DTOS虽不受空间类型限制，却存在着氧气浪费或供氧不足的问题，其根本原因是传统的气流组织（air distribution）是为满足人体热舒适设计的，其工作区在0-2米高度，而供氧的工作区应是人体口鼻所在的呼吸区（breathing zone）。因此，如何将富氧空气高效地直接送达呼吸区，同时降低氧气消耗和投资成本是一个亟待解决的难题。本研究的目标是开发一种利用护栏条缝风口（Guardrail Slot Diffusers, GSDS）进行的新型气流组织方法，能在不改变高大空间原有布局的前提下，通过对呼吸区的靶向供氧（targeted oxygen supply），以更低的成本实现更高的供氧效率。

二、 研究流程与方法

本研究的工作流程主要包含四个核心环节：动态靶向呼吸区的测定、评价指标的建立、通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟进行供氧效果优化与比较，以及全尺寸实验验证。

在研究的第一步，团队首先精确界定了供氧的“标靶”。由于人在排队等待时会因晃动、点头等产生位移，研究通过摄影测量法，对一名身高1.75米的成年男性在护栏旁站立10分钟内的连续图像进行分析，综合1200张有效照片后，绘制出动态的靶向呼吸区（dynamic targeted breathing zone），最终确定为一个约30厘米（宽）×40厘米（高）的矩形空间，其坐标位置为垂直高度1.40–1.70米。

为评价供氧效果，本研究提出了两项创新性评估指标。第一项是“氧浓度目标值”（Target Value of Oxygen Concentration, TC），其计算公式为 ( TC = \sqrt{\frac{\sum^n_i (c_i - c’_i)^2 + \sum^{n_0} (c_0 - c’_0)^2}{n_i + n_0}} )。该指标综合反映了呼吸区及其他区域的氧气浓度与各自期望浓度（呼吸区为30%，其他区域为21%）的偏差程度，TC值越低，说明有效供氧效果越好、浪费越少。第二项是“供氧效率”（Oxygen Supply Efficiency, ε），其公式为 ( ε = \frac{c_i - c_0}{c_s - c_0} )。该指标用于评估局部靶向呼吸区的氧气流场，ε越接近1，意味着呼吸区氧气浓度越接近送风口浓度，氧气消耗越低。

在此基础上，研究采用CFD模拟作为核心分析手段，使用ANSYS Fluent 17.0软件进行数值计算。模拟采用了组分输运模型和k-ε RNG湍流模型，并结合布辛涅斯克（Boussinesq）模型来捕捉因浓度差异而非温度差异引起的浮力效应。模拟在一个海拔3000米的低压舱模型中进行。研究者首先对GSDS的物理参数（送风角度、宽度和风速）进行了优化，然后将优化后的GSDS与三种传统气流组织方式（顶送风、置换通风、侧送风）在供氧效果上进行了全面对比。对比过程分为两步：首先，在供氧浓度为30%的条件下，优化并比较了四种送风方式达成各自最佳效果时所需的送风量；其次，比较了为实现呼吸区30%氧浓度的目标，不同送风方式所需的供氧浓度及其相应的供氧效率。研究进一步模拟了GSDS在海拔2000米、3000米、4000米和5000米高度的实施效果，以验证其普适性。

最后，为验证CFD模拟结果的可靠性，研究团队在西安的一个低氧房间（5.0米 × 4.0米 × 9.0米）进行了全尺寸物理模型实验。实验系统由风机、医用氧气瓶、减压阀和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材质的1:1比例护栏模型组成。实验布置了五个监测点，实时监测供氧后的氧气浓度变化，并定义了无量纲时间和误差公式来统一比较实验与模拟数据。

三、 主要研究成果与讨论

对比研究的模拟结果显著证明了GSDS的优越性。在氧浓度场云图上，三种传统送风方式均未能在站立人员的呼吸区形成全面均匀的高浓度氧气覆盖层，高浓度氧气仅聚集在风口附近；而GSDS方法则成功地形成了一个均匀的高浓度氧气层。数据对比显示，GSDS的氧浓度目标值（TC）最低，比置换通风低9%，比单侧中部侧送风低27%，表明其有效供氧效果最好。更为突出的是，在供氧效率（ε）的对比中，GSDS在稳定后效率最高，比单侧中部侧送风高出658%，比置换通风高出271%。本项研究还提出了“送达呼吸区的额外氧气百分比”（ϕ），GSDS的此项指标高达约91.3%，意味着绝大多数供应氧气都精准地送达了目标区域，极大地减少了浪费。

在不同海拔的应用研究中，模拟结果表明，随着海拔和供氧浓度的增加，GSDS均能稳定地在呼吸区形成均匀的氧气场，供氧效率（ε）可稳定提升至约80%，且流场波动更小。对于高密度人群的模拟显示，即使人体散热量增加4倍，室内的氧气浓度分布基本保持不变，证明了该系统的热稳定性。

全尺寸实验验证了GSDS的实际效果。在初始氧体积分数仅为18.4%的缺氧室内，开启GSDS供氧系统后，各测点的氧浓度迅速上升并稳定至约20.0%。虽然增幅仅为2%，但这等效于将海拔降低了600米，产生了显著的生理等效供氧效果。实验结果与CFD模拟值的高度吻合，进一步证实了该系统的有效性和模型预测的准确性。最后，研究还探讨了适应性改进，指出将护栏高度从适合亚洲人的1.20米增加至1.30米，便能完全覆盖欧洲和北美成年人的呼吸区，具有良好的应用扩展潜力。

四、 结论与研究价值

本研究成功提出并验证了一种基于护栏条缝风口（GSDS）的靶向供氧方法。核心结论是，该系统在不改变高大气间原有布局的前提下，能将富氧空气直接、高效地送达动态呼吸区。与传统气流组织相比，其有效性（以氧浓度目标值衡量）提高了9%–27%，供氧效率更是提升了271%–658%。全尺寸实验证实，该系统可使室内氧气浓度提升2%，相当于将海拔降低600米，效果显著。

在科学价值层面，该研究创新性地引入了“氧浓度目标值”和“供氧效率”两个评价指标，为精准评估供氧气流组织效果提供了新工具，并通过对动态呼吸区的测量，将个性化送风的概念延伸至公共空间的共享设施上。在应用价值上，该方法巧妙利用了公共空间常见的护栏作为送风末端，不仅大幅减少氧气消耗和投资成本，具有显著的经济优势，还能为高原地区的高密度公共空间提供一种安全、便捷、高效的供氧解决方案，对于保护人员健康及提升工作效率具有重大现实意义。该研究的突出亮点在于，它并非改造空间或依赖个人携带设备，而是通过建筑环境与气流组织的巧妙结合，实现了“靶向”供氧，其设计理念为特殊环境下的室内环境控制提供了新范式。未来的研究将通过监测血氧饱和度、心率等人体生理和心理指标来进一步验证该系统的效果。