高原富氧环境可行性研究报告

上 海 筑 星 实 业 有 限 公 司高海拔地区富氧环境可行性研究报告上海筑星实业有限公司一 总 论建设高海拔地区富氧环境，是适应和应对高海拔地区恶劣自然环境对人体乃至工作、生活带来不利影响的有效途径之一。随着科学技术和工业革命的飞速发展，大气中维持人体生命的氧含量呈逐渐下降趋势，加之部分长期生活在高海拔地区人群因缺氧和低气压原因最终呼吸到血液中的氧含量也出现相对减少，严重影响高海拔地区人群的生命质量和工作效率。上海筑星实业有限公司，借助国内外先进成熟的制氧技术，投入巨大财力和人力，研究开发并突破了在高海拔地区建设富氧环境的世界难题，这一技术的基本原理和思路是：通过建设中心供氧机房向局部空间增氧，提高局部空间环境的气氧浓度，从而营造模拟状态下的低海拔地区自然环境，实现和达到人在高原、享受在平原甚至海平面的氧气环境。我们坚信，通过这一科技手段的改进和运用，人类改造自然、战胜自然的梦想，一定会成为当前乃至未来提高高原人民生命质量的主要发展方向。二 高原低氧环境对人体的影响随着海拔高度的不断提升，大气中的氧含量和大气压也相应下降，人体的自然反应也随之剧烈，造成如心率加快、反应迟缓、情绪急躁、免疫力下降等人体伤害，出现如头痛、腹胀、脱发、呼吸困难、精神不振、睡眠质量不高、记忆力减退等一系列外在不适症状。首先高原低氧环境使血液中的氧含量（血氧饱和度）降低（详见表1、2）。血液中氧含量降低，会导致心血管系统的工作负担加大，长期缺氧会使身体各器官出现病变，严重时会引起肺血管收缩、肺动脉高压，使引发急、慢性心血管系统疾病的风险增大，易患如肺气肿、肺心病、心脏肌能衰竭等病症；同时，血液中的氧含量降低，还会使整个脑组织能量代谢出现障碍，损伤脑细胞，从而导致脑组织细胞变性或坏死；另外，血液中的氧含量降低，还会对人体的肌能有很大损害，影响人体肌能作用的正常发挥，使人整天处于亚健康状态，工作效率下降。表1： 不同海拔人体血氧饱和度参考值 海拔高度（地区）血氧饱和度范围4886米（北京）97.30.61000米（贵州省贵阳市）96.30.62000米（青海省西宁市）93.21.33000米（青海省格尔木市）90.22.24000米（西藏自治区拉萨市）83.63.25000米（云南省的玉龙雪山）76.64.55500米（青海省的玉珠峰）71.44.4表2： 不同氧浓度下人体肌体反应状态其次高原低氧环境使维持人体生命的细胞携氧量减少（详见表3）。细胞是组成人体生命的最小单元，人体的一切活动和生命现象都是通过每一个细胞的能量代谢完成的。当维持人体生命的细胞能量（氧分子）不足或降低时，则持续为人体各个器官如脑、五脏六腑提供动力的细胞就会出现障碍或病变，从而引发人体患高血压、心血管病、肺气肿、肺心病、肠胃病、生殖系统疾病以及癌症等病症的概率增大。大量科学研究证明，高原缺氧环境（细胞携氧量低）对人体许多脏器系统造成的病理损害是长期的，并随着缺氧时间的延长而加重。医学研究证明，在高原连续工作8年以上者，100%的人患有高原不适应症（俗称高原病），90%的人患有高原心脏病（在患者中右心室肥厚占20%、左心室肥厚占10%、双心室肥厚占10%、其他类占60%）；100%的人血色素明显增高，其中58%的人患有高原红细胞增多症；65%的人患消化道疾病，58%的患有脱发、肺心病、关节炎、精神病、性功能障碍等疾病；多数长期在高原工作的人常常集数病于一身。同时，由于高原缺氧对人身体健康的影响，造成其子女90%智力偏低，其中有6%的患先天性心脏病，2%的患有痴呆症，2%的患有脑水肿、脑瘫或其他疾病。其危害可概括为四点：一是细胞缺氧对心脏的影响。心脏是一个低灌流、高耗氧的器官。医学研究表明，人从平原到高原工作、生活一段时间后（大约2年左右），其心脏泵血功能逐渐衰退，甚至出现心肌变性坏死、心室肥厚、心率失常、休克、心力衰竭等症状，比如，驻青海果洛州某上市企业（1000多名员工），每年就有6-8人因患高原性心脏病抢救不及时而猝死；又比如，据西藏阿里军分区对驻海拔3700-4500米的107名官兵调查发现，约有24.9%的人出现右心室肥大，约有96.2%的人患有不同程度的高原性心脏病。二是细胞缺氧对神经系统和大脑的影响。中枢神经系统对缺氧极其敏感，不同部位的脑组织对缺氧的敏感程度不同。在一般情况下，脑组织缺氧15秒即可引起昏厥；完全缺氧3分钟以上，可致昏迷数日；完全缺氧8-10分钟，可使脑组织发生不可逆转的损害。长期在高原生活可导致慢性缺氧，重者会抑制大脑功能，表现为智力和记忆力明显下降、反应迟钝、注意力不集中、产生幻觉等，还会出现精神心理失常，极易造成个人异常偏激，导致案件事故发生。据青海省玉树州地震援建指挥部提供的资料显示，两年多来共有49人死亡，其中89%死于交通事故，其主要原因就是因司机脑缺氧产生幻觉对方向和距离判断失误所致。三是细胞缺氧对内分泌、免疫、消化系统及性腺等生理功能的影响。为适应高原缺氧环境，人体各部分功能都要做出相应调整，而调整的基础以神经核内分泌为主。功能一旦失调，机体应急调节功能将出现障碍，从而引起如高原红细胞增多、脑溢血等。同时消化系统功能也随之紊乱，消化道疾病发病率高达80%，尤以萎缩性胃炎为主。高原缺氧环境对性腺的影响为国内外学者所公认，其主要表现为性欲下降，精子数质量降低。据测定，从平原到高原工作半月后，精子数量明显减少，其平均值从每毫升两亿六千万下降到九千八百万，下降约2.7倍。表3： 不同海拔人体的脉搏参考值海拔高度脉搏范围（次/分钟）1000米以下（平原地区）72-782000-2800米（次高原地区）80-903000米以上（高原地区）96-1004500米以上106-128再次高原低氧环境使大气中的氧浓度明显不足（详见表4、5、6）。人作为自然体中一分子，与自然界共荣共生并保持相对平衡。当自然体中氧分子不足或减少时，维持自然界生态平衡的机制就会受到影响，自然界的绿色植被就会锐减或者生长缓慢，造成水土流失加大、荒漠化巨增，从而影响人体的心理反应，导致诸多心理疾患，引发一系列如情绪急躁、性格偏执、注意力不集中、缺乏毅力、处事简单粗暴、工作效率不高等心理不适症。表4： 高海拔地区氧浓度对比表海拔高度（米）大气压力（mmHg）氧浓度缺氧程度250076076%24%280054372%28%610035647%53%884422830%70%表5：青海地区不同月份空气含氧量（g/m3）对比表 月份 区分1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月西宁236234228222219216214215219224234234格尔木222218213208205202200201206212218227玛多县189187184181178177175176178182181190玉树县196194191189186185183184187190194197表6： 不同海拔高度氧分压对比表地区海拔高度(米）大气压氧分压肺泡气氧分压kPa (mmHg)kPa (mmHg)kPa (mmHg)青岛10101.6 （762.0）19.2 （144.0）13.90 （104.2）西宁226077.3 （580.0）16.2 （121.8）9.7 （72.9）拉萨365865.2 （488.9）13.6 （101.9）玉树395064.0 （480.0）13.4 （100.8）7.3 （54.9）海晏320069.8 （524.0）15.2 （113.8）8.3 （62.2）玛多427261.87 （464.1）11.62 （87.1）7.32 （55.2）林芝300070.7 （530.0）15.2 （110.4）昌都324168.1 （510.8）14.2 （106.5）日喀则383663.6 （478.4）13.2 （99.3）那曲450758.7 （440.6）12.1 （91.8）一 氧浓度、氧分压及大气压之间的函数关系海拔高度与大气压的关系海拔/m气温（）气压（kPa）海拔/m气温（）气压（kPa）海拔/m气温（）气压（kPa）-40017.6 106.22 4800 -16.2 55.4810000-50.026.44-20016.3103.755000-17.554.0210200-51.325.64015.0101.335200-18.852.5910400-52.624.8620013.798.955400-20.151.1910600-53.924.1040012.496.615600-21.449.8310800-55.223.3660011.194.325800-22.748.4911000-56.522.638009.892.086000-24.047.1811500-56.520.9210008.589.876200-25.345.9012000-56.519.3312007.287.726400-26.644.6512500-56.517.8714005.985.606600-27.943.4313000-56.516.5116004.683.526800-29.242.2313500-56.515.2618003.381.497000-30.541.0614000-56.514.1020002.079.507200-31.839.9214500-56.513.0322000.777.547400-33.138.8015000-56.512.052400-0.675.637600-34.437.7115500-56.511.132600-1.973.757800-35.736.6416000-56.510.292800-3.271.918000-37.035.6017000-56.58.793000-4.570.118200-38.334.5818000-56.57.503200-5.868.348400-39.633.5919000-56.56.413400-7.166.628600-40.932.6220000-56.55.473600-8.464.928800-42.231.6722000-54.54.003800-9.763.269000-43.530.7424000-52.52.934000-11.061.649200-44.829.8426000-50.52.154200-12.360.059400-46.128.9628000-48.51.594400-13.658.499600-47.428.1030000-46.51.174600-14.956.979800-48.727.2632000-44.50.87（1）标准状态（0、101.325KPa）下，氧气浓度（体积分数）为20.9（常数）。（2）海拔越高，大气压力越低，氧分压（由氧气产生的压力）越低。其三者之间的函数关系为：=C ，比如：在海拔为3000m的地域，由表可查大气压力为70.11kPa，则在标准环境下氧分压为70.1120.9%=14.65kPa。如果要对处于3000米海拔的环境富氧（比如富氧到2800的水平），则分别计算出3000米和2800米海拔的氧分压，即3000米=70.11kPa（）20.9%（C）=14.65kPa，2800O米=71.91kPa （）20.9%（C）=15.03kPa；然后计算出两个不同海拔的氧分压的差值为15.03kPa -14.65kPa =0.38kPa；第三再计算氧分压的差值在3000米处的体积分数（=C）即C=/=0.38/70.11=0.0054=0.54%（即在3000米处要使氧气含量达到2800米的水平，氧气浓度需要上升0.54个百分点，氧气的体积分数为0.54%）。再比如，以果洛铜矿（海拔为4050米，大气压为61.64Kp）为例,富氧后测氧仪显示体积分数为24.5%,=/C=(=24.5%)/ C =70.78则计算出富氧区域的大气压Kp,尔后由70.78 Kp查表可知富区域的海拔为2800米,即相当于青海省格尔木市水平。一 高原富氧环境主要依据富氧空间的氧气量主要由五个方面确定：(1) 房间的富氧水平；(2) 房间的密封性；(3) 门窗的开启频率；(4) 氧气的流速；(5) 人员的氧气消耗。由于人体实际消耗的氧气含量很少, 一般在方案中最后进行修正处理；门窗开启对房间氧气浓度影响很大，建议富氧后尽量减少开启门窗，且氧气输出口尽量远离需经常开启的门或窗户。二 富氧空间供氧量计算（以青海石油富氧大厦为例）：第一步：分别计算2260米海拔、600米海拔的大气压值折算到标准状态（0，101.325kPa）时的压力值：2260米时，查上表得0.7时，大气压为775.4百帕，根据理想气态方程有：Pa =PNTa /TN =0.07754273/（2730.7） =0.0773（MPa）式中 Pa 折算到标准状态（0，101.325kPa）时的压力值(MPa) PN 使用状态下的压力值(MPa) TN 气体在使用状态下的温度修正，TS= 273+使用温度（K） Ta 标态下的绝对温度 273（K）600米时，查上表得9.8时，大气压为920.8百帕，根据理想气态方程有：Pa =PNTa /TN =0.09208273/（273+9.8） 0.0889（MPa）式中 Pa 折算到标准状态（0，101.325kPa）时的压力值(MPa) PN 使用状态下的压力值(MPa) TN 气体在使用状态下的温度修正，TS= 273+使用温度（K） Ta 标态下的绝对温度 273（K）第二步：由“海拔高度与大气压含氧量的关系”图查出在标准状态下海平面的含氧量为299.3g/ m3由于大气含氧量与大气压成正比，则可计算出2260米和600米海拔时的大气含氧量2260米时： Pa / Po = a / o a = Pao / Po =0.0773299.3/0.101325 =228.32g/ m3式中 Pa 折算到标准状态（0，101.325kPa）时的压力值(MPa) Po 标准状态的压力值(0.101325MPa) a 使用海拔状态下的含氧量（g/ m3） o 标准状态下海平面的含氧量（g/ m3）600米时： Pa / Po = a / o a = Pao / Po =0.0889299.3/0.101325 =262.58g/ m3 式中 Pa 折算到标准状态（0，101.325kPa）时的压力值(MPa) Po 标准状态的压力值(0.101325MPa) a 使用海拔状态下的含氧量（g/ m3） o 标准状态下海平面的含氧量（g/ m3）由以上氧含量可知：2260米海拔要达到600米海拔的氧分压的水平，每立方空气必须弥散进的氧气量： m=262.58-228.32=34.26g标准状态下的体积：VN=m/=34.26/1.43=24L=0.024Nm3需要富氧的体积：VN总=270860.024650Nm3三 富氧方案设计大厦富氧空间需要增加的氧气体积数为650标准立方米，在富氧上升阶段，我们预设4小时可达到房间富氧水平（事实上制氧机一旦开启，几乎全天运行），则在上升阶段每小时需要氧气总量为162.5标准立方米。但当富氧空间氧气浓度达到设定上限时，即标志制氧机进入富氧维持阶段。每间需氧气按0.5m3/h来计算，共需要氧气81m3/h。合计：在满负荷的情况下，富氧维持阶段共需要氧气81m3/h，按PSA制氧设备氧气浓度93%计算，需要制氧机的制氧流量81m3/h。根据以上计算，考虑到大厦用房并非同时开启，也非24小时需要，故：配置2台50 m3/h的制氧设备每小时产氧100m3，同时外加2台20 m3（每台大储氧罐内压力为9Kg，可提供标准大气压氧气80 m3）的大储氧罐，则首次第一个小时可产氧量为260m3/h，即整个大厦首次供氧需2.5个小时，尔后将进入富氧维持阶段，两台制氧机除为整个大厦供氧外，多余部分将继续向储氧罐储存满足富氧设计需求。本工程要求氧分压从2260m降至600m水平，由于需要富氧的空间大、房间数量多，所以本方案配置了2台20m3氧气储罐【大储氧罐的储氧上限压力值为1MPa（相对压力，一般到1.0MPa，以下同），用氧下限压力值为0.2MPa，则1个大储氧罐能储存约160m3标准立方米的有效氧气】，假设为空罐，则夜晚设备开启，储罐也能在半小时内存满（罐内满气后设备自动会关闭）。当储罐整个充满时，使用储罐内的氧气能使所有客房在短时间内达到富氧要求，即房间氧分压达到海拔600米水平，随后进入维持阶段。注：大氧气储罐的作用不仅起到了气流的缓冲效果，而且可以将制氧机储存的氧气灵活地运用于富氧上升阶段或者应急备用使用。富氧方法制氧技术及供氧量的确定，目前主要的制氧方法有变压吸附法、深冷法、薄膜法、化学法、水电解法，或者采用液氧作为氧源。各种方法的主要特点示于表7。制氧方法主要特点变压吸附法技术成熟，浓度适中（93%），规模灵活（0.1m3-4000m3/h），能耗低（约1.5kwh/m3）,投资约为深冷法的1/2，可直接制取符合医用标准的氧气。深 冷 法技术成熟，浓度高（99%），大规模、高投资、大厂房，单产品能耗高，不能直接获得医用呼吸用氧，规模<140m3/h机组要淘汰（国家产业政策）。液 氧液氧是深冷法的产品，浓度高,购置成本大于自主制氧的成本,液氧罐（槽）、汽化器及其控制设备等硬件投资与变压吸附供氧系统的投资基本相当,短距离槽车运输（100公里以内），长距离用管道输送（如美国的PRAXAIR），槽车运输事故隐患严重，尤其在高海拔，地形复杂的高原地区将更为突出，故难以满足及时使用的要求。薄 膜 法目前发展起来的最新技术，浓度较低（小于45%）,输送管路复杂，管径大，零部件要求高，造成安全性降低。水电解法浓度高、能耗高（7kwh/m3氧气）、产量低，耗水多,伴有氢气产生，危险大,成本高。化 学 法浓度高、消耗化学试剂，成本高、产量微小、不能连续供氧。表7 :各种制氧方法的主要特点对于本项目来讲，由于地理位置关系,液氧和深冷法制氧都不合适；水电解和化学法成本太高，而膜制氧由于其氧气浓度低，供给房间的氧气流量大，这样因为气体流动而损失的氧气也随之增大。而且随之而来的问题是进气压力要求至少为0.6Mpa，一般采用0.8Mpa或1.0Mpa的空压机，实际能耗变高；当然由于环境富氧所需的氧气量是一定的，因此气体流量要比氧气浓度为93%的气体大2.5-3倍，在氧气输送速率一定时，管路直径必须增大，管路中零件如阀门等尺寸变大，成本提高，并且造成供氧管路复杂，安全性降低，所以膜制氧的方法用在本工程显然也不是最佳的。由上述比较可知，对于本项目来讲，选用规模灵活，能耗低，制氧浓度适中的变压吸附技术制氧是最为适合的。 上海筑星实业有限公司14-