小微睡眠空间受限特征下贴附通风模式气流分布及人员热舒适研究

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在当代快节奏的生活步调下,胶囊旅馆、睡眠盒子、列车软卧包厢等小微睡眠空间顺势而生,凭借着占地面积小、便捷、低碳等优势发展迅速,已在多个国家出现并受到了广泛喜爱。然而,狭小的空间尺寸和高度封闭性带来的热舒适和空气品质问题逐渐凸显,室内通风环境成为了限制小微睡眠空间发展不可忽视的因素之一。相比于尺寸为3.62m×2.6m×2.53m的典型卧室,小微睡眠空间(2m×1.4m×2.4m)几何尺寸受限的特征给室内舒适健康睡眠环境的营造带来了挑战,原因有以下三点:第一、狭小的空间尺寸使得射流无法充分衰减;第二、送风口的位置受到限制,人员和送风口的距离较近,极易产生吹风感;第三、高度封闭的空间布局易造成人体代谢污染物的堆积。针对上述问题,本文从小微睡眠空间内环境的需求出发,结合贴附送风的独特优势,提出了三种不同的贴附送风模式:单侧竖壁贴附、水平顶板贴附以及组合式双贴附,以期采用通风控制的方法为小微受限睡眠空间创造一个舒适的睡眠环境。文中以某机场睡眠盒子为原型建立了研究对象的典型物理模型和实验测试舱,采用实验测试和CFD数值模拟结合的方法对所提送风模式的分布特性进行了研究,在明确送风基础参数对气流分布规律影响的基础上采用了热舒适指标(吹风感DR、面部速度舒适比FSR、睡眠PMV)和空气质量指标(CO2浓度、空气龄)对送风效果进行了评价,并对研究中发现的关键问题进行了实验验证和机理探究。最后,在综合性能评价的基础上优选了组合式双贴附送风模式进行了风口设计等方面的拓展研究。所得结论如下所述:实验测试结果和数值模拟结果的对比表明,Realizable k-ε湍流模型最能准确的预测贴附送风气流在小微受限空间中的分布。继而使用该模型研究了不同贴附模式下小微空间内空气流动的特性,结果显示,贴附模式直接决定了室内流场的分布结构,在小微睡眠空间中送风速度对流场的影响大于送风温度,为了满足睡眠环境风速的要求,竖壁贴附模式的送风速度应小于2m/s,水平贴附需小于1.3m/s,而双贴附则需小于1m/s。对热舒适指标的分析则表明:贴附送风模式能有效的缓解受限空间中严重的吹风感,三种送风模式下睡眠区域的DR均能小于20%,竖壁贴附模式甚至能小于10%;另外,睡眠区域中综合表征睡眠热舒适的指标PMV则处于0.2-0.8的范围内,即可以为小微空间营造一个微暖的舒适睡眠环境。对室内空气品质的分析表明,水平贴附和双贴附在睡眠区有更小的空气龄分布,但是竖壁贴附和双贴附更有利于呼吸污染物CO2的排除,表征空气质量的指标—空气龄和CO2的分布之间出现了不一致,这说明了能最快的将新鲜空气送至目标区域并不一定能保证目标区域污染物的排除。故而,设计了呼吸模拟实验和空气龄示踪气体实验对上述现象进行了验证和机理探究。采用无量纲CO2浓度—CN和换气效率—η对实验数据进行了处理与分析,结果证实了上述现象:双贴附模式具有最好的排除呼吸污染物的能力,竖壁贴附次之,水平贴附最差;空气龄分布则表明竖壁贴附具有最好的空气分布性能,水平贴附和双贴附依次次之。表明了在小微睡眠空间中,几何受限特征会造成贴附气流的卷吸循环流动,随着贴附模式的不同而在室内不同的位置形成局部漩涡流动,室内空气品质由气流分布模式和污染源的位置共同决定。最后,综合多种指标对三种贴附模式的整体性能进行了排序,结果从优至劣依次为双贴附、竖壁贴附、水平贴附。小微睡眠空间尺寸受限的特征使得排风口位置会对气流分布产生较为明显的影响,故而在文章的最后,选择双贴附送风模式对回风口位置进行了优化研究,结果表明在本文研究范围内,最佳的回风口位置是送风装置同侧、脚部上方。本文的研究结论将有助于贴附通风理论在受限小微空间中的发展应用,为小微睡眠空间室内通风技术提出新思路。
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