Quantitative investigation of non-uniform and transient CO2 concentration distribution in breathing zone for advanced indoor environmental design

呼吸区不均匀和瞬时二氧化碳浓度分布的定量研究，用于先进的室内环境设计

基本信息

批准号：
21K14306
负责人：
劉城準
金额：
$ 3万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14306/
关键词：
二酸化炭素呼吸空気質数値人体モデル CFD 被検者実験呼吸

项目摘要

本研究では，人体呼吸域に形成される不均一・非定常二酸化炭素濃度場の定量的理解と，数値解析手法に基づく空調設計の高度化を目的とし，人体をコンピュータ上に再現した総合的な数値解析モデルの開発に取り組む．本研究の第2年度の研究成果を以下のように纏める．(1)肺胞での二酸化炭素－酸素のガス交換モデルの開発に向けた被験者実験の実施：非定常呼吸時の二酸化炭素呼出濃度並びに再吸入濃度を高精度に計測するために，小型チャンバー並びに測定系の準備が完了し，二酸化炭素呼出濃度の測定実験を実施した．複数台の二酸化炭素濃度計を同時併用して呼吸域周辺の非定常濃度履歴と不均一濃度分布の高精度計測を実施し，更に環境条件(空気温度と湿度の他，室内二酸化炭素濃度)と被験者の代謝量を変化させた計測を実施した．現在，人体の二酸化炭素呼出濃度との関連性の解明と肺胞内での二酸化炭素－酸素のガス交換モデルを構築することを目標とし，データ分析を進めている．(2)統合数値人体モデルを使用した室内環境の数値解析手法の構築：第1年度にて開発が完了した統合数値人体モデル(Computer-Simulated Person)を仮想空間内に配置し，室内領域ー居住域ー呼吸域ー気道内の連続領域を対象とした流体解析手法を構築した．更に，熱，水分、物質輸送解析から非定常呼吸サイクル，人体熱生理モデルとの連成解析手法を構築し，室内熱・空気環境の総合評価と室内環境と人体の相互作用，また，呼吸域内二酸化炭素分布の詳細予測を可能とする数値解析モデルを完成した．

在这项研究中，我们旨在定量地了解人体呼吸区域中形成的非均匀且不稳定的二氧化碳浓度场，并基于数值分析方法来提高空调设计的复杂度并开发数值分析模型。本研究第二年的研究成果总结如下。（1）对受试者进行实验，建立肺泡内的二氧化碳-氧气气体交换模型：为了高精度测量不规则呼吸时呼出的二氧化碳浓度和再吸入的二氧化碳浓度，我们进行了小室和准备工作测量系统完成，并进行呼出二氧化碳浓度测量实验。同时使用多台二氧化碳浓度计，对呼吸区域周围的不稳定浓度历史和不均匀浓度分布进行高精度测量，还可以测量环境条件（除了空气温度和湿度、室内二氧化碳浓度）。通过改变受试者的代谢率来进行。我们目前正在分析数据，目的是阐明人体呼出的二氧化碳浓度之间的关系，并构建肺泡内二氧化碳-氧气交换的模型。（2）利用综合数值人体模型构建室内环境数值分析方法：将元年开发的综合数值人体模型（计算机模拟人）放置在虚拟空间中，开发了一种针对呼吸区域和气道连续区域的流体分析方法。此外，我们还开发了将热、湿、质量传递分析与非稳态呼吸循环和人体热生理学模型相结合的耦合分析方法，综合评估室内热空气环境以及室内环境与人体的相互作用。我们已经完成了一个数值分析模型，可以详细预测二氧化碳的分布。