空调房间缺氧环境对人体的影响及补氧方案探讨

王浩宇，刘应书，张传钊，李春旺，吴义民，陈福祥

(1.北京联合大学 生物化学工程学院，北京100023； 2.北京科技大学 能源与环境学院，北京100083)

0 引 言

由于节能要求，现代空调房间大多关闭门窗，采用自然通风不可行；另外由于京津冀地区室外雾霾日趋严重，对空调房间采用机械通风置换空气的效果也不理想，容易造成密闭空调房间空气的二次污染。包括室内家具、墙面油漆等甲醛污染，室内一氧化碳、二氧化碳，雾霾污染等，人们长期生活工作在“微缺氧”的环境下，容易产生头痛、胸闷、易疲劳、烦躁、失眠、皮肤过敏等诸多身体问题。

近年来空调房间内部污染物问题较为突出，因此对空调房间内部污染物去除的研究和应用较多[1-6]。但是单纯去除空调房间内部空气污染物并不能根本改善空调房间的空气品质，还需考虑空调房间的缺氧问题，尤其是在建筑节能和室外大气污染的背景下，如何实现高效、节能的空调房间内部供氧问题更为重要，但目前对空调房间的缺氧问题相关研究较少[7-9]。

增加空调房间的氧浓度通常由增大新风量来实现，增大新风量必定增大空调系统的初投资，且运行能耗增加明显。在不增加建筑能耗的前提下，如何保证空调房间内部的空气品质成为目前本领域的研究热点问题。

1 空调房间补氧的必要性

1.1 空调房间缺氧情况调查

诺贝尔医学奖获得者Levine史蒂文博士曾说过：“缺氧对人的身体有不利影响，缺氧是一切疾病最大原因”。氧气是人体赖以生存的必要物质，如人们长期在缺氧环境生活和工作必定导致身体出现严重问题。现代密闭空调房间内部的缺氧问题日益严重，人们长期处于缺氧的环境里，室内甲醛、苯系物、氨气、二氧化碳等污染物的浓度远远高于室外，会引发病态建筑综合症(Sick Building Syndrome，SBS)[10-13]，临床表现为头痛、胸闷、易疲劳、烦躁、失眠、皮肤过敏等诸多身体问题。世界卫生组织的全球性调查结果显示[14]，全世界仅有5%的人是真正健康的，约有20%的人患有各种慢性疾病，剩下的75%的人属于亚健康人群。导致这种情况的根本原因就是人们长期工作生活在空气品质不佳的密闭房间内。

刘应书[7]等对北京地区的典型空调房间内部的氧浓度进行了实地测量，测试结果如表1所示。由表1可以看出，由于长期紧闭门窗及空调系统的新风量供应不足，人员密集、封闭性较强的空调房间内部的氧气浓度普遍偏低。C Huang和Xueying Wang[15]调查研究了上海市的186例哮喘儿童家庭室内空气质量。调查结果显示，近一半孩子的卧室夜间室内CO2略大于1000×10-6，说明这些家庭空气质量和通风状况有待改善。J Madureira和C Pereira[16]对葡萄牙波尔图市的73个小学教室的室内空气质量进行了调查研究。调查结果显示，教室内CO2浓度长期超过1000×10-6。N Canha和C Mandin等人[17]对法国的17所学校的51个教室的室内空气品质进行了测量。结果表明，约有46个教室内部缺氧，且室内CO2浓度超标严重。

表1 北京地区空调房间氧浓度测试结果

1.2 传统增加新风量的补氧方式存在的问题

通常采用增加新风量的方法来对空调房间进行氧气补给，进而改善空调房间空气品质。但这种补氧方法主要存在2个问题：一个是室外新风空气品质较差，氧含量低。京津冀地区人口密度大、重工业较为发达且集中、私家车辆较多，大气污染物排放量巨大，造成室外空气质量较差。采用增大新风量的方法来置换空调房间内部空气，不但不能改善室内空气品质，反而会恶化室内空气品质。另一个是增大新风量，会增大系统能耗。现代建筑的空调系统能耗约占建筑总能耗的1/2，而新风负荷一般占空调负荷的20%～40%，甚至更大。

因此本文提出在空调设备中增加专用补氧设备，并通过合适的方式将一定浓度的氧气通入空调房间，以保证空调房间内部氧气浓度，进而提升空调房间内部空气品质。

2 补氧方案的可行性分析

目前大型办公建筑大多通过增大新风量来增加空调房间内的氧浓度，但是增大新风量不仅会造成建筑能耗的增加，而且会加重室内空气的污染程度。因此在空调设备上增设补氧装置，已成为家用空调器产品的发展趋势和研究方向[18]，室内环境的补氧也成为近年来国际氧保健发展新趋势[19]。通过专用补氧设备产生氧气并输送至空调房间内，以增加空调房间内的氧浓度，不仅可以补充新鲜空气，提高人体机能及工作效率，而且可以降低空调能耗。

传统增大新风量的空调系统、变压吸附(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)制氧的空调系统、膜分离制氧的空调系统的相关参数比较，如表2所示。通过比较可以发现，PSA 制氧技术和膜分离制氧技术更适用于密闭空调房间的补氧。这两种制氧技术具有操作方便、制氧速度快、安全高效等优点。

表2 三种空调房间补氧方式的比较

2.1 PSA制氧技术

PSA制氧是利用空气中氧、氮组分在吸附剂上平衡吸附量、扩散速率的差异以及吸附量随压力升高而增加、随压力降低而减少的特性，在加压条件下完成氧、氮的吸附分离过程，在降压条件下氮气组分解吸，吸附剂再生，从而实现空气分离制取氧气及吸附剂循环使用。PSA 制氧系统主要由空压机、吸附塔、缓冲罐、贮氧罐、阀门、自动控制系统等组成。PSA 制氧系统流程，如图1所示。空气经空压机压缩后，进入空气冷却器冷却，然后再进入原料气缓冲罐。原料气中的强吸附组分氮气被吸附塔A中的吸附剂沸石分子筛所吸附。剩余气体氧气从吸附塔A出口排出。一部分氧气作为产品气进入产品气灌装系统；另一部分氧气逆向进入吸附塔B，反吹清洗其中的沸石分子筛。当吸附塔A完成升压吸附、吸附塔B完成降压解吸后，将两个吸附塔连通并完成均压，这样完成一个循环。经过6～7个PSA制氧循环周期稳定后，将从吸附塔出口得到浓度为90%以上的氧气。

图1 PSA制氧流程图

目前采用PSA制氧技术对房间进行补氧，大多采用单独补氧管直接给空调房间补氧，典型工程实例主要应用于高原地区的建筑领域，如那曲生态富氧营房、拉萨市委办公大楼等[20]，但目前将PSA制氧技术与传统空调系统进行结合的相关研究或论文还鲜有报道。空调房间用PSA补氧的系统示意图，如图2所示。图2(a)给出了PSA制氧设备产生的一定浓度的氧气与空调送风混合后进入空调房间；图2(b)给出的是一定浓度的氧气直接通入空调房间。这两种补氧方式都可以实现补充室内氧气浓度、减少新风量，进而实现改善室内空气品质及降低能耗的目的。另外通过设置氧浓度测试仪来监控空调房间内部氧浓度变化，控制PSA制氧系统的启停状态。同时空调机组根据空调房间的负荷变化调整送风参数，保证空调房间的舒适性要求。

图2空调房间用PSA补氧系统示意图

(a)由空调送风口集中补氧；(b)单独补氧孔进行补氧

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

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

2.2 膜分离制氧技术

膜分离制氧技术是利用氧气优先通过高分子富氧膜，来实现空气中的氧、氮分离。膜分离所使用的材料大多采用中空纤维膜，具有较高的分离系数和渗透速度，但是得到的氧气浓度一般较低。由于膜分离制氧技术得到氧气浓度较低，可以直接通入空调房间，因此也比较适合密闭空调房间内的补氧。目前膜分离制氧技术主要用于青藏列车弥散供氧[21-22]、高原弥散富氧机[23]。青岛海尔集团研制出国内第一台氧吧空调，利用膜分离制氧方法将室外空气中的氧富集到29%～32%再引入空调房间，并且用户可根据实际需求调节室内的氧气浓度[24]。

空调房间用膜分离补氧的系统示意图如图3所示。风机将空气引入，经干燥过滤器除去水及杂质后，进入膜分离器。真空泵在膜分离器的另一侧进行抽真空，由于膜分离装置的两侧压差作用，氧气透过膜分离器后形成具有一定浓度的富氧气体。但是由于膜分离制氧浓度较低，为了保证空调房间的氧气浓度，膜分离制氧的空气处理量比 PSA制氧要大得多，因此其设备体积会有所增大。对于空调房间内的补氧浓度一般在30%左右，空气处理量小于15 000 m3/h 时，膜法补氧的初投资、运行维护成本与PSA 补氧基本相当。

图3 膜分离补氧系统流程图

2.3 能耗及经济性分析

其他条件相同的情况下，现采用传统增大新风量、PSA制氧及膜分离制氧等3种方式对某空调房间进行补氧，并对这3种补氧方式的能耗及经济性进行比较。

有2位成年男子在空调房间内工作，即按照2人的情况进行能耗及成本计算。

2.3.1传统增大新风量的空调系统的能耗计算

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)，确定工作环境下每人新风量30 m3/h，北京地区夏季及冬季室内外气象参数，如表3所示。新风负荷按公式(1)进行计算。

LQW=GW×(hW-hN)

(1)

式中，LQW为新风负荷，kW；GW为新风量，kg/s；hW为室外空气比焓值，kJ/kg；hN为室内空气比焓值，kJ/kg。

表3 北京地区夏、冬季的室内外气象参数

通过计算得出传统增大新风量的空调系统夏季和冬季空调能耗分别为0.502 kW和1.098 kW，空调系统全天24 h运行，且夏季和冬季各运行3个月，则全年的运行总能耗为3456 kW·h，则传统增加新风增氧空调系统的全年运行成本为1728元。

2.3.2 PSA制氧的空调系统的能耗计算

根据国家标准[20]规定，人在轻体力工作状态下的耗氧量为0.03 m3/h，则某空调房间内2个人的耗氧量为0.06 m3/h。采用PSA制氧系统产氧 1 m3/ h，大约耗电0.35 kW·h，2个人的耗氧量每小时制氧系统需耗电0.021 kW·h，设电费为0.5元/(kW·h)，则制氧系统全年的运行成本为0.021×24×365×0.5=91.98元。PSA补氧的空调系统夏季耗能为 5.05×10-4kW，冬季耗能为1.1×10-3kW，则全年消耗的负荷成本为3.47元。则每年PSA制氧的空调系统比传统增新风空调系统可节省1632.55元。

2.3.3膜分离制氧的空调系统的能耗计算

采用膜分离制氧系统，产氧 1 m3/ h，大约耗电0.5 kW·h，每小时制氧系统需耗电0.018 kW·h，设电费为0. 5元/(kW·h)，则制氧系统全年的运行成本为0.018×24×365×0.5=78.84元。膜分离制氧的空调系统夏季及冬季耗能与PSA制氧的空调系统能耗基本相同，则全年膜分离制氧的空调系统比传统增新风空调系统可节省1645.69元。综上所述，采用PSA制氧和膜分离制氧的空调系统能耗及运行成本较小，更适用空调房间内的补氧。

3 结 论

PSA制氧和膜分离制氧技术与空调系统相结合，对密闭空调房间输送一定浓度的氧气，不但可以提高室内的空气品质，而且减少建筑能耗。与传统的增大新风量来对空调房间进行补氧相比，PSA制氧或膜分离制氧技术在运行成本及能耗上都具有一定优势。