天津城建大学曹为学Building and Environment：高海拔办公环境热湿氧协同输送特性实验和模拟研究

转自 能源科学进展

摘要

针对高海拔地区室内环境存在的低氧、低温、低湿问题会影响人员健康与工作效率。本研究提出了一种通过在工作点计算机上方特定位置布置供氧末端，将经过协同优化的热、湿、氧多参数耦合气流直接输送至人体面部呼吸区的调控方法。通过实验与数值模拟相结合的手段，研究了关键送风参数局部环境的影响规律，确定了最优工况。结果显示，该方法能在维持良好热湿舒适度的同时，将工作区氧浓度显著提升至22.81%（相对于20%的基准水平），室内湿度稳定在0.072kg/m³，平均富氧速率达2.05%/min，个人吸氧效率为64.12%。该研究为高海拔办公环境的局部精准调控提供了有效的技术方案。

本文亮点：

提出了一种适用于热-湿-氧环境的新型协同方法；

氧气浓度可从20%的基准值提高至22.81%；

建议室内局部工作场所的送风速度为1.25 m/s。

研究背景

营造良好的环境条件以及人类健康问题是城市和社会可持续发展中的关键要素。通常，在医学上将高程在3000m以上的地域定义为高海拔地区，高海拔地区占我国国土面积的1/6左右，该地区环境常表现为低温（比平原低40%～60%）、低压（比平原低35%～40%）、低湿（比平原低30%～50%）、低氧气分压力（比平原低35%～45%）和昼夜温差大（比平原高50%～100%）、太阳辐射强度大（比平原高50%～70%）即“四低两大”特性。研究表明：长期处于上述低压缺氧环境中，将会对人的身体及心理健康造成不同程度的损害。西藏自治区卫健委的报告显示由于高寒低压缺氧的自然环境，西藏儿童先天性心脏病发病率为12%～14%，约为平原地区（6%～8%）的两倍，明显高于低海拔地区发病率，北京积水潭医院和西藏自治区人民医院的共同研究表明西藏海拔4000m以上居民成年人高血压的患病率达到了37.4%，是全国平均（23.2%）的1.6倍。另外，研究表明，由低海拔进入高海拔地区，还会造成如睡眠障碍、睡眠质量不佳、记忆力差、感知困难、疲劳感增加、工作效率下降等症状，这些影响对进入高原地区工作、驻防、生活和旅游的外来人员尤为明显。因此，为高海拔地区进行有效供氧成为高原世居、旅居、久居和急进高原缺氧人群的迫切需求。

针对上述研究空白，本研究提出了一种面向高海拔办公点位的“热-湿-氧”多参数协同送风新方法。本方法的创新性主要体现在：突破了传统单一因素调控的模式，旨在通过一个集成系统，实现热环境、湿环境与氧环境的同步营造与协同优化；构建了个性化靶向送风模型，其核心在于将送风末端特定地布置于计算机显示器上方，通过优化送风角度与速度，将一股经过协同优化的、富氧的热湿耦合空气，直接、精准地输送至坐姿办公人员的面部呼吸区，从而在人体主要活动区域形成高效的局部微环境。

图文导读

图1 工作实验舱具体布局：(A)实验舱模型；(B)实验舱图片

图1所示为本次研究中实验舱的物理模型。其中，图1(A)为工作室实验舱具体布局对应的几何模型图，该模型精准还原了实验舱内部的空间结构、设备摆放及关键监测区域的位置，为后续数值模拟的网格划分与边界条件设置提供了几何依据；图1(B)为实验舱的实物图片，直观呈现了实验舱的实际外观、尺寸规模及现场布置情况，与图1(A)的几何模型形成对应，确保了模型对实际实验场景的真实表征。

图2 速度与温度测点布置图

该室内环境监测的三维示意图由图2所示，该图用于展示温度和速度监测点、监测路径的布置情况，可辅助研究室内气流组织、温度分布等。图中设置8个不同室内温湿度数据采集点以及3个气流速度数据采集点。对实验中速度测点的布置选取一条气流路径线L1，温度测点的布置选取一条气流路径线L2。L1(Speed monitoring path)是速度监测路径，沿着该路径可对气流速度进行连续监测，了解气流在特定路径上的速度变化。L2(Temperature monitoring path)为温度监测路径，沿此路径能获取温度的分布信息，分析温度在该路径上的梯度等情况。

图3 不同送风参数下沿该直线的速度变化：(A)1m/s；(B)1.25m/s；(C)1.5m/s

在采用局部送风策略为工作点位供氧时，供氧末端的出口速度是影响气流组织分布、呼吸区平均氧浓度及平均风速的关键参数。沿三条特征线(L1, L2, L3)对速度衰减规律进行的定量研究表明，如图8所示，不同送风速度下气流发展特性存在显著差异。基于动量守恒方程的模拟结果显示，当送风速度为1m/s时，呼吸区平均速度为0.2m/s，低于ASHRAE Standard 55规定的面部区域风速舒适阈值，人体无明显吹风感。当送风速度为1.25m/s时，呼吸区平均速度为0.25m/s，恰好达到ASHRAE Standard 55的推荐限值，仍维持在可接受的低风速水平。当送风速度增至1.5m/s时，呼吸区平均速度升至0.3m/s，已超过热舒适标准推荐的临界值，易导致吹风不适。从动量方程中初始动量项与浮力项的平衡关系分析，送风速度从1m/s提升至1.25m/s时，呼吸区平均速度上升25%；而速度进一步增至1.5m/s时，增幅降至20%，表明惯性力与浮力之比达到某一临界后，速度提升效率开始下降。综合分析表明，1.25m/s的送风速度在气流输送效率与舒适性之间达到了最佳平衡。

图4 不同送风参数下沿该直线的氧浓度变化：(A)不同供应速度；(B)不同供应角度

基于组分输运方程的数值解，本研究进一步分析了氧气扩散特性如图4所示。数学模型模拟结果显示：随着送风速度从1m/s增加至1.5m/s，路径末端氧浓度从20.41%逐步提升至20.95%，证实了增强的对流项有利于氧气输送。对路径中段氧浓度的组分输运方程分析表明：三种速度工况下的路径末端平均氧浓度分别为22.43%、22.81%和23.17%，且其路径中段相对基准浓度提升幅度分别为12.15%、14.05%和15.85%。图4(B)展示了三种不同送风角度对氧气浓度分布的影响，当送风角度从0°增大至10°时，人体面部区域的氧浓度从20.96%下降至20.65%，下降幅度约为1.5%。这一现象可通过动量方程与组分输运方程的耦合求解得到解释：送风角度的增大会改变动量方程中的速度方向矢量，导致气流核心轨迹偏离最优路径，从而削弱了组分方程中对流项向面部区域的氧气输送效率。

图5 不同工况下DR的比较

吹风感（DR）引起的不适可用吹风感发生率(DR)表示，其是对吹风感不满意的估计百分比。本研究根据吹风感公式，得出了不同送风速度与送风温度条件下工作区的DR值。如图5所示，在两种不同的送风温度下，人体面部工作区域的DR值存在显著差异。同时能够观察到，在相同送风速度下，随着送风温度的升高，工作区的平均DR值呈现出一致的变化规律。具体数据表明，不同送风速度与送风温度组合对吹风感发生率（DR）的影响显著：当送风速度为1.5m/s且送风温度为27℃时，DR值达到最大值，其均值为31.78%；而当送风速度降至1m/s且送风温度调整为24℃时，DR值达到最小值，均值为21.59%，相较于最大值降低了32.06%。而当速度为1.25m/s且送风温度为24℃时，其DR均值为26.36%，相较于最大值降低了17.78%。

图6 吸入区富氧速率

同时本研究得出了在不同送风速度和送风角度下工作区域的富氧速率，富氧速率用于评估单位时间内目标区域的氧气环境营造效果，并比较不同环境营造方式下氧气环境的营造效率。如图6所示，研究发现，在同一送风角度下，富氧速率随送风速度的增大而升高：当送风速度从1m/s增至1.25m/s时，平均富氧速率由1.10%/min提升至2.05%/min；当出口速度进一步从1.25m/s增至1.5m/s时，平均富氧速率则上升至2.44%/min。由此可见，随着送风速度的增加，富氧速率的增幅呈现递减趋势，这一现象表明当送风速度为1.25m/s时，送风气流已基本克服浮力限制，能够将气流有效输送至人体面部工作区域。

结论与展望

本研究提出并验证了一种适用于高海拔办公环境的“热-湿-氧”多物理场协同局部调控新方法。该方法通过构建局部靶向送风模型，在计算机上方设置供氧末端，将经协同优化的多参数耦合气流直接输送至面部呼吸区，确定了最优控制参数，主要结论如下：

（1）当送风速度为1.25m/s、温度为24℃时，DR值较速度为1.5m/s下降17.78%。同时，不满意百分比（PD）随送风速度增加而降低，1.25m/s工况下PD均值为8.19%，较1.5m/s工况的55.11%显著下降85.14%。

（2）从室内温度分布观察，1m/s送风速度产生的路径温差较1.25 m/s与1.5 m/s所产生的温差降低约33%。在湿度特性方面，1.5 m/s送风时的室内平均湿度为0.110 kg/m³，较1 m/s工况上升约28%；而送风湿度为0.1 kg/m³时，室内平均湿度为0.072 kg/m³，较送风湿度0.2 kg/m³工况下降约35%。

（3）在氧气分布方面，1.25 m/s送风速度使路径中段平均氧浓度提升至22.81%，较基准大气水平（20%）相对提高14.05%。当送风角度由0°增至10°时，面部区域氧浓度降低约1.5%。而当送风速度从1 m/s增至1.25 m/s时，平均富氧速率由1.10%/min升至2.05%/min。

作者信息

通讯作者

曹为学 副教授/研究生导师

天津城建大学

邮箱：caorainy@163.com

曹为学，副教授，天津城建大学能源与安全工程学院副院长，研究生导师；近年来围绕国家重大需求，以传热传质学、建筑节能、数值模拟技术为基础学科，开展微尺度强化传热传质、室内空气品质控制、建筑节能新技术等领域的研究。主持多项国家级、省部级科研项目，相关科研成果发表在BAE、ATE、JOBE、HAMT、EAB等国际知名期刊上。

第一作者

高卫彬 硕士研究生

天津城建大学

邮箱：fanshilin2021@163.com

高卫彬，天津城建大学能源与安全工程学院硕士研究生，研究方向为室内空气品质。

引用格式

Weibin Gao, Weixue Cao Yixuan Zhang, Kexin Yang, Mengnan Ruan, Xuchun Wei, Zipeng Li, Feng Shi, Jilin Feng, Bin Yang. Experimental and Simulation Study on the Synergistic Delivery Characteristics of Heat, Moisture, and Oxygen in High-Altitude Office Environments. 2026,291

https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2026.114212.