CN110207351A - 高海拔地区新型护栏送风口及送风系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高海拔地区新型护栏送风口及送风系统，送风口内部空心可供气流流通，上部为三棱柱结构，三棱柱的其中一个侧面与下部连通，剩余两个侧面上均间隔设置有透气区和非透气区，同时底部设置有一个进风口。本发明针对高海拔人员密集场所的供氧现状提出的护栏送氧风管，将风管与护栏结合起来，在不改变高大空间的基本布置下，结合了分布式集中供氧和弥散式供氧的共同优点，将氧气直接输送到人体呼吸区域，能使室内氧气浓度场更加均匀，所得流场内的氧气浓度控制在满足人体正常呼吸的期望浓度值，有效避免了缺氧和醉氧等问题。

Description

高海拔地区新型护栏送风口及送风系统

技术领域

本发明属于通风技术领域，涉及高海拔地区人员密集排队等候区通风改进，具体涉及一种新型风口装置及其应用。

背景技术

不同人员密集场所对室内的空气品质要求不同。与平原地区不同，高海拔地区的火车站、医院等人员密集场所不仅需要控制热湿环境，还需要给人们提供一个满足人体正常生理活动的富氧环境，高海拔地区大气中氧体积分数虽然仍然为20.9％，但随着海拔高度的增加，空气密度减小，大气中氧分压降低，氧含量也会减少，尤其是高原火车站、客运站这种人员密集、排队等候区等令人焦虑的场所，处于氧分压较小的高海拔地区，再加之人员密集拥挤，人体需氧量升高，产生一个严重氧不足的区域，加重了缺氧对室内人员的身体健康的恶劣影响，对人体机能、代谢和形态等造成伤害。因此，如何针对高海拔地区研究氧气气流组织，对人员进行有效送氧，是函待解决的问题之一。

目前高原低气压环境送氧的方式有多种，包括：个体式供氧、分布式集中供氧和弥散式供氧。个体式供氧需要携带供氧设备，如氧气瓶，氧气袋等，造成个体行为负担，活动不方便；分布式集中供氧是令富氧空气充满供氧管路中，在每间房间的床头或其他位置设有氧气呼吸接口，需要时可以在接口处直接呼吸富氧空气，该方式同样极大地限制了人的自由，人必须在固定的位置才可以呼吸到富氧气体；弥散式供氧将富氧空气送入房间并充满整个房间，提高房间的氧气浓度。针对高海拔人员密集场所，由于人体密集、流动性大、地面空间拥挤等特点，个体式供氧和分布集中式供氧显然不满足工程实际要求。而弥散式供氧由于具有不限制人体自由行动和减少人体负担等优点，应该受到人们的重视。但是研究表明，弥散式供氧运行费用高昂，采用了全面通风供氧的方式提高室内氧气浓度，因此存在氧气浪费、供氧效果不够理想等问题。诸如此类的缺点也使其在车站等人员密集场所无法高效运转。因此，用弥散式供氧改善基本工作环境、提高氧舒适度的这一方式还需进一步研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种高海拔地区人员密集排队等候区新型送风装置及其系统，解决目前高海拔人员密集排队等候区存在的氧气浪费、供氧效果不够理想的技术问题。

为达到上述目的，本发明实现过程如下：

一种用于高海拔人员排队等候区的新型风口装置，该风口装置内部空心，风口装置包括上部结构和下部结构，上部结构和下部结构连通可供气流流通，上部结构为三棱柱并且三棱柱的竖向截面呈等腰三角形，三棱柱的其中一个侧面与下部结构连通，剩余两个侧面上均间隔设置有透气区和非透气区，透气区和非透气区均沿风口装置的长度方向设置，并且靠近风口装置顶部设置的是透气区，风口装置底部设置有一个进风口，进风口处接有水平的渗风管，所述渗风管为空心圆柱状，沿渗风管的长度方向依次加工有多个圆形风口，圆形风口均朝向护栏送风口的上部结构并且直径逐渐变大，气流经进风口流入渗风管后只能从透气区流出护栏送风口；渗风管采用透气材料制作，气流经进风口流入渗风管后可以通过圆形风口和渗风管的透气材料同时流入护栏送风口；每两个圆形风口的直径相同，圆形风口的直径为30mm-70mm，相邻圆形风口之间距离为200mm，气流经进风口流入风口装置后只能从透气区流出风口装置。

优选的，非透气区采用非透气材料密封，透气区为条缝型风口，条缝形风口风速为3m/s，透气区的风口宽度为30mm，风口角度为146°，其中，风口角度定义为三棱柱剩余两个侧面中的其中一个沿风口装置外部转过另一个侧面的角度的1/2值。

更优选的，透气区的风口宽度小于非透气区的宽度。风口装置高度为1200mm，风口装置宽度为200mm。

本发明还公开一种送风系统，所述送风系统包括送风区域，该送风区域包括多个上述风口装置，各个风口装置之间发生气流流通，同时每个风口装置的透气区处气流呈条缝型喷射送风。

进一步，该送风系统还包括送氧机组，空气与送氧机组输出的氧气经主管道输送至送风区域后，再经支管道分别送入各个风口装置的渗风管内充分混合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对高海拔人员密集场所的供氧现状，提出了一种新型的护栏送氧风管，将风管与护栏结合起来，减少了设备的初投资。在不改变高大空间的基本布置下，结合了分布式集中供氧和弥散式供氧的共同优点，将氧气直接输送到人体呼吸区域，能使室内氧气浓度场更加均匀，所得流场内的氧气浓度控制在满足人体正常呼吸的期望浓度值，有效避免了缺氧和醉氧等问题。

与高大空间其他气流组织相比，本文所提出的护栏风管供氧气流组织的氧气浓度靶向值最小，氧气在人体靶向呼吸区域分布均匀、完全覆盖。本研究的无量纲氧气浓度ε最高，表明它能高效供氧，并减少耗氧量和运行费用。

附图说明

图1为本发明高海拔地区送氧护栏三维图。

图2为送氧护栏内部结构图。

图3a为渗风管示意图，b为俯视图。

图4为本发明高海拔地区送氧护栏三视图，a为主视图，b侧视图，c为俯视图。

图5为图4的A处放大图。

图6为本发明护栏风管氧气浓度云图。

图7为实验与模拟的氧气浓度场验证结果。

图8为不同气流组织无因次氧浓度云图。

图中：1为透气区，2为非透气区，3为下部结构，4为进风口，5为密封木板，6为渗风管。

具体实施方式

针对高海拔人员密集场所供氧问题，目前常见的层式通风，置换通风，分层空调，竖壁贴附射流等气流组织形式对于车站候车厅这类高大空间，以满足人体热舒适为出发点，要在传统送风模式中加入氧气输送，目前的送风参数设置并不合适。另外，目前传统气流组织都从全面通风的角度出发，为了不占用地面空间，将送风口一般布置在空间上部的顶侧或中侧。但是，工程实际中人们急需氧气的区域既不在空间上部、中部或者工作区，而是在鼻子所处位置的呼吸区域，这就使得传统气流组织送出来的氧气无法直接被人体利用、供氧效果差。那么，能否找到一种新型气流组织的供氧方式，能将氧气直接输送到人体的呼吸区域？发明人在前期通过观察一些新型送风模式，例如座椅送风，将送风口与人员的座椅相结合；柱壁贴附，是利用射流对方柱面的贴附效应，结合了置换通风与混合通风的优点；竖壁贴附加导流板送风，针对呼吸区的可调节式送风；这些送风模式均结合了室内空间内部结构特点，有效提高空间利用率，都具有“一物多用”的特点。在此基础上，发明人通过观察火车站、客运站等人员密集场所的空间构造，发现均设置了护栏来引导客流。考虑到实用性、经济性，工程上的护栏多为中空的不锈钢管，充分满足作为富氧气体输送管道的特性。因此，本申请结合个性化送风概念，提出一种以护栏作为输送富氧气体管道的气流分配方式，将护栏与风管结合起来，一体多用，不限制需氧个体的行动自由，并能将氧气短时高效地输送到需氧个体的呼吸区，直接在呼吸区营造富氧环境保证氧舒适度，实现了针对呼吸区的个性化送氧。更重要的是，它避免了其它气流组织弥散式供氧的缺点，减少了氧气的浪费，改善了供氧效果。

同时，本发明公开的送风系统，送氧护栏作为空调送风系统的末端装置，风机经柔性风管与纤维布静压风管连接，纤维布风管上布有大小不一的圆形风口，气流从圆形风口直径较小侧进入渗风管，通过风机进入到静压风管中的空气和氧气达到充分混合并得到充分发展，再经条缝喷射风口均匀出风。本发明的渗风管为送氧护栏很重要的一个结构，其结构设计直接关系到送氧效果，将风机与护栏之间用柔性风管连接后，风流进护栏内，达到充分发展，再经条缝喷射风口均匀出风。同时，为避免漏风、出风不均匀等现象，护栏风管左右两端均采用木板密封，其余部分为护栏本身结构。

实施例1：

如图1-5所示，本实施例提出一种新型护栏送风口，用于高海拔人员密集排队等候区，其内部空心，上部呈空心三棱柱，三棱柱的两个底面位于护栏侧面，其中一个侧面与下部结构3接通，下部结构3为原来的护栏结构，另外两个侧面上间隔设置有透气区1和非透气区2，透气区1直接是呈条缝型的出风口，非透气区2可以用密封材料达到不透气效果，风口装置底部设置有一个进风口4，进风口4处接有水平的渗风管6，渗风管6为空心圆柱状，沿渗风管的长度方向依次加工有9个圆形风口，圆形风口均朝向护栏送风口的上部结构并且直径逐渐变大，渗风管采用透气纤维布材料制作，气流经进风口流入渗风管后可以通过圆形风口和渗风管的透气材料同时流入护栏送风口；每两个圆形风口的直径相同，圆形风口的直径分别为30mm、30mm、40mm、40mm、50mm、50mm、60mm、60mm、70mm，相邻圆形风口之间距离为200mm，变径截面处的直径为190mm，气流经进风口流入风口装置后只能从透气区流出风口装置。进风口4处接风机，为使装置整体密封，装置下部结构3两侧采用例如密封木板5进行密封，气流经进风口流入风口装置后只能从透气区流出风口装置。透气区为条缝型，为条缝型风口出风，本实施例中，条缝形风口风速为3m/s，透气区的风口宽度为30mm，风口角度为146°，非透气区的宽度为44mm左右。风口装置高度为1200mm，风口装置宽度为200mm。

需要说明的是，本发明的结构，投入使用时须严格按照本实施例和说明书附图给出的尺寸进行生产加工，否则得不到本发明给出的技术效果。

在以上的结构设计基础上，进行本发明送氧护栏的效果验证：

(1)全尺寸实验

为验证护栏风管送氧气流组织的送氧效果，在本发明提出的护栏风管的各性能参数的基础上，采用全尺寸实验，分析并测量该护栏风管送氧气流组织的氧浓度场，本实验制作1:1护栏风管进行全尺寸实验，护栏采用防火帆布作为护栏风管的材料。送风系统由离心风机、调压调速器、软连接等组成，弥散式供氧系统包括医用氧气瓶(4个)、减压阀、压力表、连接软管。氧气瓶内的高压氧气经减压阀减压后，由连接软管将氧气输送至静压箱，氧气与空气在静压箱内混合后，再由风机通过软连接将充分混合后的富氧气体送至护栏风管中。风机的风量由调压调速器控制。氧气占空气的体积分数通过压力表改变阀门开度调节氧气导管横截面速度决定。氧气经护栏风管的送风口排入房间内，通过气体本身不同浓度间的扩散作用弥散充满整个房间，提高室内的氧浓度风机的风量由调压调速器控制。

根据GB10000-88中国成年人人体尺寸，考虑在实际使用中人体距离护栏的水平距离，并结合人体肩宽及人在站位时左右晃动幅度，实验监测点设置在离护栏水平距离0.2m的断面处，并通过人体形态面长划分了人的呼吸区范围(1.5-1.7m)。为验证护栏送氧的均匀性，在该截面处共布置了五个测点。在测量过程中，尽量保证空间的密闭性，无通风和空气扩散的影响，测量空间内氧气浓度随时间的变化趋势。

图6左侧为本发明护栏风管氧气浓度云图，右侧为人体站立在护栏两侧排队等候时的动态呼吸区域图。可以看出，护栏风管同样适用于人体移动时的动态区域。

图7为0.2m断面上测点处氧气浓度的实验结果与模拟结果。由图可以看出，开始供氧前测点的氧气浓度基本保持在18.4％左右，人体在房间内处于缺氧状态。待打开氧气瓶的阀门，供氧系统开始工作，各个测点的氧气浓度开始增加，除了在刚打开氧气瓶阀门的过程中，流场内的氧气浓度波动较大，待至50s后，流场内测点处的氧气浓度值基本维持在20.0％附近。尽管室内氧浓度从数值上看只增加了2％，但它使等效海拔高度降低了600m，送氧效果显著。

实验中房间的氧浓度在特定工况下、特定房间密闭性、特定人员呼吸消耗下达到了稳定值，并且不同测点处模拟值和实验值吻合都较好，证明了护栏风管具有高效良好的送氧效果。

(2)与不同气流组织对比

为说明送氧效果，本申请提出了“靶向送氧”的概念。人员在室内排队等候，将氧气的气流组织比作箭，将人体鼻子所在的呼吸区域比作射击过程中的靶子，呼吸区以外的区域比作靶子外面。当氧气射流射到红色射击靶上为有效送氧，反之射在蓝色靶子外面(送得过高或者过低)为无效送氧。因此，理想的靶向送氧效果应是：富氧气体直接输送至靶子内，最终人体呼吸区域的氧气浓度均匀一致地接近人体正常呼吸的设定；而靶子外不需要多余氧气，它的氧气浓度可以和周围空气的氧气浓度一致。这种供氧方式既满足了室内人员的供氧需求，又减少氧气浪费，节省了供氧系统的开支。基于以上概念，本文提出了两种评价靶向送氧气流组织的方法-浓度靶向值和无因次弥散供氧效率。

浓度靶向值的计算公式如下：

式中，T_S表示浓度靶向值；n_i表示靶向区域内的测点，n₀表示靶向区域外的测点。c_i表示靶向区域内测点处的氧气浓度实际值(通过模拟或测试该点氧气浓度获得)。c_i′表示靶向区域内测点处的氧气浓度期望值(取值30％)。同理，c₀表示靶向区域外测点处氧气浓度的实际值(通过模拟或测试该点氧气浓度获得)。c′₀表示靶向区域外测点处的氧气浓度的期望值(取值21％)。浓度靶向值，T_S越小，表示靶子内接近期望浓度值的氧气越多，输送到靶子外其余不必要区域的氧气越少，靶向区域里的氧气也越均匀，送氧效果越好。

送氧有效性以及衡量室内氧气浓度变化用无因次浓度ε来反映，ε表示供氧后的靶向区域内最终能达到的氧气浓度水平。相比体积浓度靶向值，无因次浓度考虑了不同气流组织的供氧浓度对室内氧气分布的影响。通过无因次弥散供氧效率大小，可以更加直观准确地比较各种气流组织在不同工况下的供氧效果。无因次弥散供氧效率定义如下式：

式中，c_i表示供氧后测点处的氧气浓度值(通过模拟或实验测得)，c₀表示供氧前测点处的氧气浓度值(通过模拟或实验测得该点的氧气浓度)，c_s表示送风口处的氧气浓度值。ε值越大，表示该系统能用较小的氧气浓度地实现靶向区域内期望的氧气浓度值，送氧效果好，也节能。

经分析，本申请提出的护栏风管供氧气流组织的氧气浓度靶向值最小，氧气在人体靶向呼吸区域分布均匀、完全覆盖，无量纲氧气浓度ε最高，表明它能高效供氧，并减少耗氧量和运行费用。

为了验证护栏个性化靶向送风的效果，将本发明装置与已有不同的气流组织进行了对比，图8为不同气流组织的弥散供氧效率ε云图。从图8中可以看到，上送下回、置换通风、竖壁贴附这三种送风方式都不能将人体工作区完全覆盖，流场不均匀，中心速度偏大。与上面三种气流组织相比可以明显地看到，本申请所研究的对象，护栏风管气流组织的氧气浓度场在人体鼻子靶向区域处分布均匀，并完全了覆盖人体呼吸区域。

Claims (7)

1.一种高海拔地区新型护栏送风口，其特征在于，该护栏送风口内部空心，护栏送风口包括上部结构和下部结构，上部结构和下部结构连通可供气流流通，上部结构为三棱柱并且三棱柱的竖向截面呈等腰三角形，上部结构的两侧均间隔设置有透气区和非透气区，透气区和非透气区均沿护栏送风口的长度方向设置，并且靠近护栏送风口顶部设置的是透气区，护栏送风口的底部加工有一个进风口，进风口处接有水平的渗风管，所述渗风管为空心圆柱状，沿渗风管的长度方向依次加工有多个圆形风口，圆形风口均朝向护栏送风口的上部结构并且直径逐渐变大，气流经进风口流入渗风管后只能从透气区流出护栏送风口。

2.如权利要求1所述护栏送风口，其特征在于，渗风管采用透气材料制作，气流经进风口进入渗风管后可以通过圆形风口和渗风管的透气材料同时流入护栏送风口；每两个圆形风口的直径相同，圆形风口的直径为30mm-70mm，相邻圆形风口之间距离为200mm。

3.如权利要求1所述护栏送风口，其特征在于，非透气区采用非透气材料密封，透气区为条缝型风口，条缝形风口风速为3m/s，透气区的风口宽度为30mm，风口角度为146°，其中，风口角度定义为上部结构两侧中的其中一侧沿护栏送风口外部转过另一侧的角度的1/2值。

4.如权利要求1所述护栏送风口，其特征在于，透气区的风口宽度小于非透气区的宽度。

5.如权利要求1所述护栏送风口，其特征在于，所述护栏送风口高度为1200mm，护栏送风口宽度为200mm。

6.一种送风系统，所述送风系统包括送风区域，其特征在于，该送风区域包括多个权利要求1所述的护栏送风口，各个护栏送风口之间发生气流流通，同时每个护栏送风口的透气区处气流呈条缝型喷射送风。

7.如权利要求6所述送风系统，其特征在于，该送风系统还包括送风机组，送风机组将气体经主管道输送至送风区域后再经支管道分别送入各个护栏送风口的进风口内。