学术研究丨面向工业环境移动个体的动态协同送风：有效性评估及系统展示

论文解读

利用智慧送风模式而非人工干预，追踪工业环境中的移动个体并降低其污染暴露是一项挑战。本研究提出了一种包含静态和动态通风模块的动态协同送风（Dynamic coordinated air supply，DCAS）系统，该系统能够在计算机视觉技术和物联网的辅助下，根据人员位置的变化切换送风模式并调整送风参数。通过计算流体动力学和重叠网格方法，分析了在配备DCAS系统的实验舱内人员移动过程引起的气流运动和污染扩散情况。在实验舱中进行的人员行走实验验证了动态模拟方法的可行性。提出了直接吸入暴露、防护因数和有效防护比三个评价指标以综合评估DCAS的污染去除有效性。结果显示，静态通风模块可在其防护范围内显著降低人员暴露风险。动态通风模块滑动和转动模式可有效降低人员移动过程的吸入暴露，前提是制定动态通风模块的提前运行策略以消除防护滞后的负面影响。此外，在示意实验舱内验证了基于物联网架构的DPAS系统的可行性。总的来说，这项工作有助于推动工业通风向智能和健康的方向发展。该成果发表在中科院一区期刊《Building and Environment》，影响因子为7.1，论文第一作者为课题组在读博士生许宇坤，指导老师为高军教授。

论文信息

研究背景

通风是降低高污染散发工业场所环境浓度的关键技术之一。聚焦于降低人员在移动过程中的吸入暴露，我们在以往研究中提出了静态定向送风（Direction air supply，DAS）和动态防护送风（Dynamic protective air supply，DPAS）两种模式，分别面向高占用频率的集中区域和低占用频率的随机点位。在上一项研究中，我们已经分析了在不同工业环境扰量下人员移动对DAS污染去除有效性的影响，但该研究的局限在于固定的DAS喷口无法改变其送风角度，导致其防护范围很大程度受到限制。因此，本研究从物联网的角度出发，提出了一种包含静态和动态通风模块的DCAS模式。分析了人员行走速度对DCAS模式的影响。确定了三个评价指标以全面评估DCAS有效性。最后，在示意实验舱中演示了DCAS系统的可行性。

研究结果

• 这项研究提出了一种计算机视觉辅助的DCAS模式，以减少人员在移动过程中的吸入暴露。该模式由静态和动态两种通风模块组成，可根据计算机视觉技术反馈的人员位置信息切换通风模式并调整送风参数。

• DAS的污染去除有效性在其防护范围内效果极佳。

• DPAS滑动和转动模式旨在清除人员行走路径上的环境污染。对于DPAS滑动模式，射流偏转角在滑动过程中保持不变。射流惯性力、滑动阻力和人体羽流的热浮力共同决定了DPAS射流的实际偏转角。判断DPAS速度是否合适的依据是呼吸区高度是否形成低浓度防护区域。提前滑动策略可有效降低人员吸入暴露。对于DPAS转动模式，变流量的提前转动策略效果最佳。

• DCAS模式的优势突出，其一是可灵活切换的送风模式和自主调节的送风参数，其二是通过离线反向设计获得的最优送风参数具有卓越的污染去除效果。 在示意实验室中的演示效果验证了基于物联网架构的DCAS系统的可行性。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2024.111873

相关图表

图1 配备DCAS系统的实验舱

图2 不同行走速度下DPAS射流偏转和竖直截面浓度分布

图3 同步和提前滑动模式下的DPAS污染去除有效性

图4 同步和提前转动模式下的DPAS污染去除有效性

图5 基于物联网架构的DCAS系统

图6 DCAS系统示意