空調房間缺氧環境對人體的影響及補氧方案探討

王浩宇，劉應書，張傳釗，李春旺，吳義民，陳福祥

(1.北京聯合大學 生物化學工程學院，北京100023； 2.北京科技大學 能源與環境學院，北京100083)

0 引 言

由于節能要求，現代空調房間大多關閉門窗，采用自然通風不可行；另外由于京津冀地區室外霧霾日趨嚴重，對空調房間采用機械通風置換空氣的效果也不理想，容易造成密閉空調房間空氣的二次污染。包括室內家具、墻面油漆等甲醛污染，室內一氧化碳、二氧化碳，霧霾污染等，人們長期生活工作在“微缺氧”的環境下，容易產生頭痛、胸悶、易疲勞、煩躁、失眠、皮膚過敏等諸多身體問題。

近年來空調房間內部污染物問題較為突出，因此對空調房間內部污染物去除的研究和應用較多[1-6]。但是單純去除空調房間內部空氣污染物并不能根本改善空調房間的空氣品質，還需考慮空調房間的缺氧問題，尤其是在建筑節能和室外大氣污染的背景下，如何實現高效、節能的空調房間內部供氧問題更為重要，但目前對空調房間的缺氧問題相關研究較少[7-9]。

增加空調房間的氧濃度通常由增大新風量來實現，增大新風量必定增大空調系統的初投資，且運行能耗增加明顯。在不增加建筑能耗的前提下，如何保證空調房間內部的空氣品質成為目前本領域的研究熱點問題。

1 空調房間補氧的必要性

1.1 空調房間缺氧情況調查

諾貝爾醫學獎獲得者Levine史蒂文博士曾說過：“缺氧對人的身體有不利影響，缺氧是一切疾病最大原因”。氧氣是人體賴以生存的必要物質，如人們長期在缺氧環境生活和工作必定導致身體出現嚴重問題。現代密閉空調房間內部的缺氧問題日益嚴重，人們長期處于缺氧的環境里，室內甲醛、苯系物、氨氣、二氧化碳等污染物的濃度遠遠高于室外，會引發病態建筑綜合癥(Sick Building Syndrome，SBS)[10-13]，臨床表現為頭痛、胸悶、易疲勞、煩躁、失眠、皮膚過敏等諸多身體問題。世界衛生組織的全球性調查結果顯示[14]，全世界僅有5%的人是真正健康的，約有20%的人患有各種慢性疾病，剩下的75%的人屬于亞健康人群。導致這種情況的根本原因就是人們長期工作生活在空氣品質不佳的密閉房間內。

劉應書[7]等對北京地區的典型空調房間內部的氧濃度進行了實地測量，測試結果如表1所示。由表1可以看出，由于長期緊閉門窗及空調系統的新風量供應不足，人員密集、封閉性較強的空調房間內部的氧氣濃度普遍偏低。C Huang和Xueying Wang[15]調查研究了上海市的186例哮喘兒童家庭室內空氣質量。調查結果顯示，近一半孩子的臥室夜間室內CO2略大于1000×10-6，說明這些家庭空氣質量和通風狀況有待改善。J Madureira和C Pereira[16]對葡萄牙波爾圖市的73個小學教室的室內空氣質量進行了調查研究。調查結果顯示，教室內CO2濃度長期超過1000×10-6。N Canha和C Mandin等人[17]對法國的17所學校的51個教室的室內空氣品質進行了測量。結果表明，約有46個教室內部缺氧，且室內CO2濃度超標嚴重。

表1 北京地區空調房間氧濃度測試結果

1.2 傳統增加新風量的補氧方式存在的問題

通常采用增加新風量的方法來對空調房間進行氧氣補給，進而改善空調房間空氣品質。但這種補氧方法主要存在2個問題：一個是室外新風空氣品質較差，氧含量低。京津冀地區人口密度大、重工業較為發達且集中、私家車輛較多，大氣污染物排放量巨大，造成室外空氣質量較差。采用增大新風量的方法來置換空調房間內部空氣，不但不能改善室內空氣品質，反而會惡化室內空氣品質。另一個是增大新風量，會增大系統能耗。現代建筑的空調系統能耗約占建筑總能耗的1/2，而新風負荷一般占空調負荷的20%～40%，甚至更大。

因此本文提出在空調設備中增加專用補氧設備，并通過合適的方式將一定濃度的氧氣通入空調房間，以保證空調房間內部氧氣濃度，進而提升空調房間內部空氣品質。

2 補氧方案的可行性分析

目前大型辦公建筑大多通過增大新風量來增加空調房間內的氧濃度，但是增大新風量不僅會造成建筑能耗的增加，而且會加重室內空氣的污染程度。因此在空調設備上增設補氧裝置，已成為家用空調器產品的發展趨勢和研究方向[18]，室內環境的補氧也成為近年來國際氧保健發展新趨勢[19]。通過專用補氧設備產生氧氣并輸送至空調房間內，以增加空調房間內的氧濃度，不僅可以補充新鮮空氣，提高人體機能及工作效率，而且可以降低空調能耗。

傳統增大新風量的空調系統、變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA)制氧的空調系統、膜分離制氧的空調系統的相關參數比較，如表2所示。通過比較可以發現，PSA 制氧技術和膜分離制氧技術更適用于密閉空調房間的補氧。這兩種制氧技術具有操作方便、制氧速度快、安全高效等優點。

表2 三種空調房間補氧方式的比較

2.1 PSA制氧技術

PSA制氧是利用空氣中氧、氮組分在吸附劑上平衡吸附量、擴散速率的差異以及吸附量隨壓力升高而增加、隨壓力降低而減少的特性，在加壓條件下完成氧、氮的吸附分離過程，在降壓條件下氮氣組分解吸，吸附劑再生，從而實現空氣分離制取氧氣及吸附劑循環使用。PSA 制氧系統主要由空壓機、吸附塔、緩沖罐、貯氧罐、閥門、自動控制系統等組成。PSA 制氧系統流程，如圖1所示。空氣經空壓機壓縮后，進入空氣冷卻器冷卻，然后再進入原料氣緩沖罐。原料氣中的強吸附組分氮氣被吸附塔A中的吸附劑沸石分子篩所吸附。剩余氣體氧氣從吸附塔A出口排出。一部分氧氣作為產品氣進入產品氣灌裝系統；另一部分氧氣逆向進入吸附塔B，反吹清洗其中的沸石分子篩。當吸附塔A完成升壓吸附、吸附塔B完成降壓解吸后，將兩個吸附塔連通并完成均壓，這樣完成一個循環。經過6～7個PSA制氧循環周期穩定后，將從吸附塔出口得到濃度為90%以上的氧氣。

圖1 PSA制氧流程圖

目前采用PSA制氧技術對房間進行補氧，大多采用單獨補氧管直接給空調房間補氧，典型工程實例主要應用于高原地區的建筑領域，如那曲生態富氧營房、拉薩市委辦公大樓等[20]，但目前將PSA制氧技術與傳統空調系統進行結合的相關研究或論文還鮮有報道。空調房間用PSA補氧的系統示意圖，如圖2所示。圖2(a)給出了PSA制氧設備產生的一定濃度的氧氣與空調送風混合后進入空調房間；圖2(b)給出的是一定濃度的氧氣直接通入空調房間。這兩種補氧方式都可以實現補充室內氧氣濃度、減少新風量，進而實現改善室內空氣品質及降低能耗的目的。另外通過設置氧濃度測試儀來監控空調房間內部氧濃度變化，控制PSA制氧系統的啟停狀態。同時空調機組根據空調房間的負荷變化調整送風參數，保證空調房間的舒適性要求。

圖2空調房間用PSA補氧系統示意圖

(a)由空調送風口集中補氧；(b)單獨補氧孔進行補氧

Fig.2 Schematic diagram of the PSA oxygen system in air-conditioned room

(a) supply air outlet; (b) individual oxygen outlet

2.2 膜分離制氧技術

膜分離制氧技術是利用氧氣優先通過高分子富氧膜，來實現空氣中的氧、氮分離。膜分離所使用的材料大多采用中空纖維膜，具有較高的分離系數和滲透速度，但是得到的氧氣濃度一般較低。由于膜分離制氧技術得到氧氣濃度較低，可以直接通入空調房間，因此也比較適合密閉空調房間內的補氧。目前膜分離制氧技術主要用于青藏列車彌散供氧[21-22]、高原彌散富氧機[23]。青島海爾集團研制出國內第一臺氧吧空調，利用膜分離制氧方法將室外空氣中的氧富集到29%～32%再引入空調房間，并且用戶可根據實際需求調節室內的氧氣濃度[24]。

空調房間用膜分離補氧的系統示意圖如圖3所示。風機將空氣引入，經干燥過濾器除去水及雜質后，進入膜分離器。真空泵在膜分離器的另一側進行抽真空，由于膜分離裝置的兩側壓差作用，氧氣透過膜分離器后形成具有一定濃度的富氧氣體。但是由于膜分離制氧濃度較低，為了保證空調房間的氧氣濃度，膜分離制氧的空氣處理量比 PSA制氧要大得多，因此其設備體積會有所增大。對于空調房間內的補氧濃度一般在30%左右，空氣處理量小于15 000 m3/h 時，膜法補氧的初投資、運行維護成本與PSA 補氧基本相當。

圖3 膜分離補氧系統流程圖

2.3 能耗及經濟性分析

其他條件相同的情況下，現采用傳統增大新風量、PSA制氧及膜分離制氧等3種方式對某空調房間進行補氧，并對這3種補氧方式的能耗及經濟性進行比較。

有2位成年男子在空調房間內工作，即按照2人的情況進行能耗及成本計算。

2.3.1傳統增大新風量的空調系統的能耗計算

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736—2012)，確定工作環境下每人新風量30 m3/h，北京地區夏季及冬季室內外氣象參數，如表3所示。新風負荷按公式(1)進行計算。

LQW=GW×(hW-hN)

(1)

式中，LQW為新風負荷，kW；GW為新風量，kg/s；hW為室外空氣比焓值，kJ/kg；hN為室內空氣比焓值，kJ/kg。

表3 北京地區夏、冬季的室內外氣象參數

通過計算得出傳統增大新風量的空調系統夏季和冬季空調能耗分別為0.502 kW和1.098 kW，空調系統全天24 h運行，且夏季和冬季各運行3個月，則全年的運行總能耗為3456 kW·h，則傳統增加新風增氧空調系統的全年運行成本為1728元。

2.3.2 PSA制氧的空調系統的能耗計算

根據國家標準[20]規定，人在輕體力工作狀態下的耗氧量為0.03 m3/h，則某空調房間內2個人的耗氧量為0.06 m3/h。采用PSA制氧系統產氧 1 m3/ h，大約耗電0.35 kW·h，2個人的耗氧量每小時制氧系統需耗電0.021 kW·h，設電費為0.5元/(kW·h)，則制氧系統全年的運行成本為0.021×24×365×0.5=91.98元。PSA補氧的空調系統夏季耗能為 5.05×10-4kW，冬季耗能為1.1×10-3kW，則全年消耗的負荷成本為3.47元。則每年PSA制氧的空調系統比傳統增新風空調系統可節省1632.55元。

2.3.3膜分離制氧的空調系統的能耗計算

采用膜分離制氧系統，產氧 1 m3/ h，大約耗電0.5 kW·h，每小時制氧系統需耗電0.018 kW·h，設電費為0. 5元/(kW·h)，則制氧系統全年的運行成本為0.018×24×365×0.5=78.84元。膜分離制氧的空調系統夏季及冬季耗能與PSA制氧的空調系統能耗基本相同，則全年膜分離制氧的空調系統比傳統增新風空調系統可節省1645.69元。綜上所述，采用PSA制氧和膜分離制氧的空調系統能耗及運行成本較小，更適用空調房間內的補氧。

3 結 論

PSA制氧和膜分離制氧技術與空調系統相結合，對密閉空調房間輸送一定濃度的氧氣，不但可以提高室內的空氣品質，而且減少建筑能耗。與傳統的增大新風量來對空調房間進行補氧相比，PSA制氧或膜分離制氧技術在運行成本及能耗上都具有一定優勢。