空調(diào)房間缺氧環(huán)境對人體的影響及補氧方案探討

王浩宇，劉應(yīng)書，張傳釗，李春旺，吳義民，陳福祥

(1.北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院，北京100023； 2.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，北京100083)

0 引 言

由于節(jié)能要求，現(xiàn)代空調(diào)房間大多關(guān)閉門窗，采用自然通風(fēng)不可行；另外由于京津冀地區(qū)室外霧霾日趨嚴(yán)重，對空調(diào)房間采用機械通風(fēng)置換空氣的效果也不理想，容易造成密閉空調(diào)房間空氣的二次污染。包括室內(nèi)家具、墻面油漆等甲醛污染，室內(nèi)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(huán)境下，容易產(chǎn)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(diào)房間內(nèi)部污染物問題較為突出，因此對空調(diào)房間內(nèi)部污染物去除的研究和應(yīng)用較多[1-6]。但是單純?nèi)コ照{(diào)房間內(nèi)部空氣污染物并不能根本改善空調(diào)房間的空氣品質(zhì)，還需考慮空調(diào)房間的缺氧問題，尤其是在建筑節(jié)能和室外大氣污染的背景下，如何實現(xiàn)高效、節(jié)能的空調(diào)房間內(nèi)部供氧問題更為重要，但目前對空調(diào)房間的缺氧問題相關(guān)研究較少[7-9]。

增加空調(diào)房間的氧濃度通常由增大新風(fēng)量來實現(xiàn)，增大新風(fēng)量必定增大空調(diào)系統(tǒng)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(diào)房間內(nèi)部的空氣品質(zhì)成為目前本領(lǐng)域的研究熱點問題。

1 空調(diào)房間補氧的必要性

1.1 空調(diào)房間缺氧情況調(diào)查

諾貝爾醫(yī)學(xué)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(zhì)，如人們長期在缺氧環(huán)境生活和工作必定導(dǎo)致身體出現(xiàn)嚴(yán)重問題?，F(xiàn)代密閉空調(diào)房間內(nèi)部的缺氧問題日益嚴(yán)重，人們長期處于缺氧的環(huán)境里，室內(nèi)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(fā)病態(tài)建筑綜合癥(Sick Building Syndrome，SBS)[10-13]，臨床表現(xiàn)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(wèi)生組織的全球性調(diào)查結(jié)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(dǎo)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(zhì)不佳的密閉房間內(nèi)。

劉應(yīng)書[7]等對北京地區(qū)的典型空調(diào)房間內(nèi)部的氧濃度進行了實地測量，測試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，由于長期緊閉門窗及空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量供應(yīng)不足，人員密集、封閉性較強的空調(diào)房間內(nèi)部的氧氣濃度普遍偏低。C Huang和Xueying Wang[15]調(diào)查研究了上海市的186例哮喘兒童家庭室內(nèi)空氣質(zhì)量。調(diào)查結(jié)果顯示，近一半孩子的臥室夜間室內(nèi)CO2略大于1000×10-6，說明這些家庭空氣質(zhì)量和通風(fēng)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(xué)教室的室內(nèi)空氣質(zhì)量進行了調(diào)查研究。調(diào)查結(jié)果顯示，教室內(nèi)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(xué)校的51個教室的室內(nèi)空氣品質(zhì)進行了測量。結(jié)果表明，約有46個教室內(nèi)部缺氧，且室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)嚴(yán)重。

表1 北京地區(qū)空調(diào)房間氧濃度測試結(jié)果

1.2 傳統(tǒng)增加新風(fēng)量的補氧方式存在的問題

通常采用增加新風(fēng)量的方法來對空調(diào)房間進行氧氣補給，進而改善空調(diào)房間空氣品質(zhì)。但這種補氧方法主要存在2個問題：一個是室外新風(fēng)空氣品質(zhì)較差，氧含量低。京津冀地區(qū)人口密度大、重工業(yè)較為發(fā)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(zhì)量較差。采用增大新風(fēng)量的方法來置換空調(diào)房間內(nèi)部空氣，不但不能改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，反而會惡化室內(nèi)空氣品質(zhì)。另一個是增大新風(fēng)量，會增大系統(tǒng)能耗?，F(xiàn)代建筑的空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑總能耗的1/2，而新風(fēng)負荷一般占空調(diào)負荷的20%～40%，甚至更大。

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

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(fēng)量來增加空調(diào)房間內(nèi)的氧濃度，但是增大新風(fēng)量不僅會造成建筑能耗的增加，而且會加重室內(nèi)空氣的污染程度。因此在空調(diào)設(shè)備上增設(shè)補氧裝置，已成為家用空調(diào)器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢和研究方向[18]，室內(nèi)環(huán)境的補氧也成為近年來國際氧保健發(fā)展新趨勢[19]。通過專用補氧設(shè)備產(chǎn)生氧氣并輸送至空調(diào)房間內(nèi)，以增加空調(diào)房間內(nèi)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(diào)能耗。

傳統(tǒng)增大新風(fēng)量的空調(diào)系統(tǒng)、變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA)制氧的空調(diào)系統(tǒng)、膜分離制氧的空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)比較，如表2所示。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，PSA 制氧技術(shù)和膜分離制氧技術(shù)更適用于密閉空調(diào)房間的補氧。這兩種制氧技術(shù)具有操作方便、制氧速度快、安全高效等優(yōu)點。

表2 三種空調(diào)房間補氧方式的比較

2.1 PSA制氧技術(shù)

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(xiàn)空氣分離制取氧氣及吸附劑循環(huán)使用。PSA 制氧系統(tǒng)主要由空壓機、吸附塔、緩沖罐、貯氧罐、閥門、自動控制系統(tǒng)等組成。PSA 制氧系統(tǒng)流程，如圖1所示?？諝饨?jīng)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(chǎn)品氣進入產(chǎn)品氣灌裝系統(tǒng)；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(dāng)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(huán)。經(jīng)過6～7個PSA制氧循環(huán)周期穩(wěn)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(shù)對房間進行補氧，大多采用單獨補氧管直接給空調(diào)房間補氧，典型工程實例主要應(yīng)用于高原地區(qū)的建筑領(lǐng)域，如那曲生態(tài)富氧營房、拉薩市委辦公大樓等[20]，但目前將PSA制氧技術(shù)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進行結(jié)合的相關(guān)研究或論文還鮮有報道。空調(diào)房間用PSA補氧的系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。圖2(a)給出了PSA制氧設(shè)備產(chǎn)生的一定濃度的氧氣與空調(diào)送風(fēng)混合后進入空調(diào)房間；圖2(b)給出的是一定濃度的氧氣直接通入空調(diào)房間。這兩種補氧方式都可以實現(xiàn)補充室內(nèi)氧氣濃度、減少新風(fēng)量，進而實現(xiàn)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)及降低能耗的目的。另外通過設(shè)置氧濃度測試儀來監(jiān)控空調(diào)房間內(nèi)部氧濃度變化，控制PSA制氧系統(tǒng)的啟停狀態(tài)。同時空調(diào)機組根據(jù)空調(diào)房間的負荷變化調(diào)整送風(fēng)參數(shù)，保證空調(diào)房間的舒適性要求。

圖2空調(diào)房間用PSA補氧系統(tǒng)示意圖

(a)由空調(diào)送風(fēng)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(shù)

膜分離制氧技術(shù)是利用氧氣優(yōu)先通過高分子富氧膜，來實現(xiàn)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(shù)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(shù)得到氧氣濃度較低，可以直接通入空調(diào)房間，因此也比較適合密閉空調(diào)房間內(nèi)的補氧。目前膜分離制氧技術(shù)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(nèi)第一臺氧吧空調(diào)，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(diào)房間，并且用戶可根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)室內(nèi)的氧氣濃度[24]。

空調(diào)房間用膜分離補氧的系統(tǒng)示意圖如圖3所示。風(fēng)機將空氣引入，經(jīng)干燥過濾器除去水及雜質(zhì)后，進入膜分離器。真空泵在膜分離器的另一側(cè)進行抽真空，由于膜分離裝置的兩側(cè)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(diào)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(shè)備體積會有所增大。對于空調(diào)房間內(nèi)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(dāng)。

圖3 膜分離補氧系統(tǒng)流程圖

2.3 能耗及經(jīng)濟性分析

其他條件相同的情況下，現(xiàn)采用傳統(tǒng)增大新風(fēng)量、PSA制氧及膜分離制氧等3種方式對某空調(diào)房間進行補氧，并對這3種補氧方式的能耗及經(jīng)濟性進行比較。

有2位成年男子在空調(diào)房間內(nèi)工作，即按照2人的情況進行能耗及成本計算。

2.3.1傳統(tǒng)增大新風(fēng)量的空調(diào)系統(tǒng)的能耗計算

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736—2012)，確定工作環(huán)境下每人新風(fēng)量30 m3/h，北京地區(qū)夏季及冬季室內(nèi)外氣象參數(shù)，如表3所示。新風(fēng)負荷按公式(1)進行計算。

LQW=GW×(hW-hN)

(1)

式中，LQW為新風(fēng)負荷，kW；GW為新風(fēng)量，kg/s；hW為室外空氣比焓值，kJ/kg；hN為室內(nèi)空氣比焓值，kJ/kg。

表3 北京地區(qū)夏、冬季的室內(nèi)外氣象參數(shù)

通過計算得出傳統(tǒng)增大新風(fēng)量的空調(diào)系統(tǒng)夏季和冬季空調(diào)能耗分別為0.502 kW和1.098 kW，空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)增加新風(fēng)增氧空調(diào)系統(tǒng)的全年運行成本為1728元。

2.3.2 PSA制氧的空調(diào)系統(tǒng)的能耗計算

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[20]規(guī)定，人在輕體力工作狀態(tài)下的耗氧量為0.03 m3/h，則某空調(diào)房間內(nèi)2個人的耗氧量為0.06 m3/h。采用PSA制氧系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)需耗電0.021 kW·h，設(shè)電費為0.5元/(kW·h)，則制氧系統(tǒng)全年的運行成本為0.021×24×365×0.5=91.98元。PSA補氧的空調(diào)系統(tǒng)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P(guān)SA制氧的空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)增新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)省1632.55元。

2.3.3膜分離制氧的空調(diào)系統(tǒng)的能耗計算

采用膜分離制氧系統(tǒng)，產(chǎn)氧 1 m3/ h，大約耗電0.5 kW·h，每小時制氧系統(tǒng)需耗電0.018 kW·h，設(shè)電費為0. 5元/(kW·h)，則制氧系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)夏季及冬季耗能與PSA制氧的空調(diào)系統(tǒng)能耗基本相同，則全年膜分離制氧的空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)增新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)省1645.69元。綜上所述，采用PSA制氧和膜分離制氧的空調(diào)系統(tǒng)能耗及運行成本較小，更適用空調(diào)房間內(nèi)的補氧。

3 結(jié) 論

PSA制氧和膜分離制氧技術(shù)與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，對密閉空調(diào)房間輸送一定濃度的氧氣，不但可以提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)，而且減少建筑能耗。與傳統(tǒng)的增大新風(fēng)量來對空調(diào)房間進行補氧相比，PSA制氧或膜分離制氧技術(shù)在運行成本及能耗上都具有一定優(yōu)勢。