婴儿心肺功能、免疫系统发育尚不完善,易受空气污染物侵袭 ^[1]。二手烟、病毒等污染物均有可能对婴儿发育造成不良影响 ^[2,3,4]。此外,缺乏新风也会增加婴儿猝死综合征(SIDS)发病率(绝大多数发生于夜间睡眠状态) ^[5,6]。因此,婴儿躺卧场景下的通风策略对保障其健康具有重要意义。

　　 个性化送风具有高效率、高灵活性、低能耗等优点,其定向送风特性又与躺卧场景吻合,很适合用于婴儿卧室送风 ^[7,8]。孙浩 ^[9]和Garcia-Souto等人 ^[10]提出采用覆盖式或置换式个性化送风系统为婴儿呼吸区送风,并证明个性化送风方式能够有效降低呼吸区污染物浓度。截至目前,相关研究主要集中于CFD计算,缺少实验验证。

　　 与成人通风场景相比,婴儿通风的特殊性体现在以下方面:

　　 1) 婴儿体表温度与产热功率均与成人不同,因此具有独特的热羽流特性;

　　 2) 婴儿床护栏结构显著影响气流分布;

　　 3) 婴儿的身体尺寸与成人不同,对气流分布亦会产生一定影响;

　　 4) 婴儿长期保持躺卧,而成人通风场景则多以坐姿为研究对象。

　　 本文提出一种新型的个性化送风系统,基于不同运行策略,借助婴儿暖体假人进行实验研究。通过空气龄测算等方法,定量评价个性化送风系统的有效性,并与传统混合通风系统进行对比,进而找出最适合婴儿躺卧场景的通风方式。

　　 个性化通风系统示意图见图1。个性化通风系统主要由支架、送风口、气阀、风管等部件组成。其中送风口选取圆形格栅散流器,出口直径为264 mm,扣除边缘部分后出口直径为180 mm,自由通风面积为0.021 6 m²,内部单个方形孔边长约14 mm。理论上每一股通过单个方形孔的气流均可近似为射流。多股紧密排列的细小射流互相影响并交错融合形成整体送风气流。散流器通过柔性风管与外界新风管道相连,因此能在一定范围内自由改变位置。系统支架除起支撑作用外,还能够调节散流器高度。系统通风管道上连接有多道气阀,能够灵活调整沿程阻力,进而调节流量。新风直接由外界大空间引入,其温度与室温一致。

　　 实验采用的织物风管(如图2所示)由多丝纱线制成,其送风过滤能力相当于G2预过滤器。织物风管长450 mm,直径200 mm,管身前后各有3个开孔。开孔处装有圆台状硬质喷口,顶端直径约18 mm,底座直径约25 mm,高约15 mm。织物风管直接与房间顶部的固定式通风管道相连,距地面高约2.3 m。

　　 实验采用暖体假人模拟真实婴儿躺卧场景。为确保实验准确性,暖体假人的几何尺寸、产热量与体表温度均应与真人相似。婴儿体表温度见表1。

　　 暖体假人身体长600 mm,与3个月左右的婴儿相仿,身体各部位几何尺寸均与真人类似。暖体假人被置于带护栏婴儿床中,护栏高度为200 mm,略高于婴儿平躺时(枕头高约80 mm)的口鼻高度。

　　 2条额定功率均为13.5 W的LED灯串被置于假人内部产热。一条置于假人头部空腔内,另一条均匀缠绕在假人胸腹部并被上身衣物覆盖,分别模拟婴儿头部与身体产热。2条灯串均拥有独立的以体表温度为控制变量的PID系统。头部温度设定值为33.9 ℃,身体温度设定值为34.1 ℃(胸腹平均温度)。

　　 实验采用示踪气体N₂O测算气流组织分布情况,测点布置如图3所示。N₂O分子质量略高于空气,示踪气体由高处释放有助于其均匀分布。实验中共布有4个浓度测点,分别位于婴儿暖体假人口鼻处、新风通道内、房间中央及通风口处。示踪气体初始体积分数一般保持在2.0×10^-5左右,因其难以精确控制,各组实验的初始体积分数略有差异,理论上初始体积分数差异并不影响空气龄计算结果。由于自然空气中含有(0.5～1.0)×10^-6的N₂O,在计算过程中以示踪气体体积分数达到1.0×10^-6的时刻为积分上限。实验中室温基本恒定于20 ℃左右。

　　 针对个性化送风方式设计了15组工况,分别对应3种散流器高度和5种送风量。3种不同的散流器高度下,送风距离分别为50,70,90 cm。5种送风量分别为3,5,7,9,11 L/s。

　　 针对织物风管混合通风设计了2组工况,分别对应11 L/s和40 L/s的送风量。具体实验工况见表2。

　　 以空气龄为核心指标,综合考虑一定时间内的污染物浓度降幅,对通风系统性能做出定量评价。

　　 空气龄是描述送风有效性的核心指标之一,反映新风到达特定区域所需要的时间。假定某处空气由大量具有不同空气龄的空气微团构成,则该点的平均空气龄可通过式(1)计算。

　　 $\tau {}_{\text{p}}={\displaystyle \underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}\tau }f(\tau )\text{d}\tau ={\displaystyle \underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}[}1-F(\tau )]\text{d}\tau (1)$

　　 式中 τ_p为某点的平均空气龄;f(τ)为空气龄为τ的空气微团在某点空气中的占比;F(τ)为某点空气龄的累计分布函数。

　　 某点的空气龄越小,说明该点空气越新鲜,空气品质就越好。

　　 本文以N₂O作为示踪气体,采用可靠性较高的下降法进行实验。

　　 $\tau {}_{\text{p}}={\displaystyle \underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}\frac{C(t)\text{d}t}{C(0)}}(2)$

　　 式中 C(t)为某特定时刻t示踪气体的浓度;C(0)为初始时刻浓度。

　　 实验室内设有4处示踪气体浓度测点,其中新风管道内的测点用于监测新风是否受到示踪气体污染,其余3处测点用于空气龄计算。婴儿呼吸区测点的空气龄直接表征婴儿呼吸空气的新鲜程度。

　　 图4显示了个性化送风下的呼吸区空气龄。由图4可以看出,呼吸区空气龄随送风量的增大而减小,随送风距离的增大而增大。

　　 在所有工况中,空气龄最小值19.13 min在散流器距呼吸区50 cm、送风量为11 L/s时取得,最大值69.18 min在散流器距呼吸区90 cm、送风量为3 L/s时取得。该最大值较次大值35.72 min大93.69%,主要因为该工况下送风过于微弱,未能穿透婴儿热羽流所致。整体来看,送风量和送风距离对空气龄的影响效果均呈边际递减。

　　 理论上为取得最小空气龄,应使散流器尽可能接近婴儿呼吸区,同时尽量增大送风量。但考虑到高送风量和集中气流对热舒适性的损害,在实际操作中应综合考虑婴儿发育情况及其对热环境的敏感性,选取最为合适的通风策略。

　　 图5显示了不同个性化送风策略下通风口和房间中央的空气龄。实验结果显示,个性化送风口位置变动对于送风射流范围外的气流组织分布影响有限。相对于直接处于送风射流范围内的呼吸区而言,通风口和房间中央的空气龄均较大,并且这2处的空气龄也有差异。送风量较小时通风口空气龄小于房间中央空气龄,送风量较大时房间中央空气龄小于通风口空气龄。主要由于送风量较小时房间内正压较低,外界空气可能由通风口进入室内,从而稀释通风口处示踪气体浓度。而当送风量较大时房间内正压高,外界空气难以进入室内,而房间中央位置距离送风口较近,因而具有更小的空气龄。

　　 混合通风场景下,各处空气龄基本一致,说明新风与室内空气混合比较充分。对比分析11,40 L/s混合通风及11,5 L/s个性化送风(送风距离均为50 cm)在不同区域的空气龄,结果如图6所示。由图6可以看出:在婴儿呼吸区,40 L/s混合通风下的空气龄最小,仅为18.20 min,而11 L/s个性化送风场景下的空气龄也仅为19.13 min;同样在11 L/s的送风量下,混合通风场景中的呼吸区空气龄达到38.65 min,较个性化送风大102%;考虑到热舒适性等因素,将个性化送风量降至5 L/s后,呼吸区空气龄依然达到27.98 min,较11 L/s的混合通风小27.62%。由此可见,在通风量相同时,个性化送风能够实现远小于混合通风的呼吸区空气龄。即便在风量相差3～4倍的情况下,个性化送风也能实现与混合通风相似的呼吸区空气龄。

　　 为直观体现不同通风策略下对污染物的稀释能力,以通风开启40 min后呼吸区污染物残留百分比作为指标对不同工况进行对比,结果如图7所示。由图7可以看出:与空气龄相似,呼吸区污染物浓度随送风量的增大而减小,随送风距离增大而增大;在全部15种策略中,通风开启40 min后污染物残留百分比最高为52.62%,最低为14.06%。排除未穿透热羽流的最不利情况后,污染物残留百分比最高为32.75%。

　　 图8显示了个性化送风与混合通风污染物残留对比。由图8可以看出:在4组个性化送风与混合通风实验中,40 min后呼吸区污染物残留百分比最低的为40 L/s的混合通风,仅为10.12%,其次分别为11 L/s和5 L/s的个性化送风;即便是低流量的个性化送风,其污染物残留百分比依然仅为24.84%,较低流量混合通风低12.17%。由此可见,在流量相差不大时,个性化送风的污染物去除效果要明显好于混合通风。

　　 图9显示了个性化送风与混合通风污染物浓度衰减曲线。由图9可以看出:在4组实验中,通风初期2组个性化送风的污染物衰减速度明显高于2组混合通风;而随着通风时间增长,40 L/s混合通风的衰减斜率先后超过2组个性化通风,并最终最快(约1 h)达到1×10^-6。可见个性化送风在污染物释放初期效果显著,而混合通风的污染物去除效果则更为平均。

　　 1) 3 L/s送风量、散流器距离呼吸区90 cm时个性化送风难以穿透婴儿身体周边的热羽流,通风有效性较差,其余实验工况中个性化送风均能显著降低呼吸区空气龄及污染物残留百分比。

　　 2) 个性化送风量越大、距离呼吸区越近时通风效果越好,送风量与距离对空气龄等指标的影响呈边际递减。

　　 3) 个性化送风具有局域性,对射流范围外气流组织分布的影响显著弱于射流范围内。直接受风的呼吸区空气龄仅为房间中央和通风口处空气龄的50%～60%。

　　 4) 相对于混合通风,在送风量同为11 L/s的情况下,个性化送风呼吸区空气龄仅为19.13 min,较混合通风的38.65 min小51%。考虑到40 L/s送风量下的混合通风呼吸区空气龄为18.20 min,为实现相似的通风有效性,个性化送风所需风量仅为混合通风的30%左右,能够在有效通风的前提下显著节约能源并降低噪声。

　　 5) 个性化送风初期呼吸区污染物浓度降幅显著高于混合通风,在前4 min内污染物浓度下降即超过50%。因此个性化送风在实际应用中能够更快地将污染物浓度降至对婴儿健康有害的阈值以下。