CN102068356A - 正压气动气配循环高原房(简称“高原健康房”) - Google Patents

Abstract

一种可以特别适宜于高原生活人群生存居住的正压气动气配循环高原房(简称为“高原健康房”)。包括改进型房屋和“正压气动气配循环***”两部分。“正压气动气配循环***”由制氧***、自适应气配循环***、充气增压***、涡旋气动循环***、室内原料气回收***和安全***组成。制氧***产生分离气供配置气体使用。自适应气配循环***配制“高原生态环境混合气”，混合气氧含量需达到17.8％～18.8％，再确定氮含量和氮氧比例，以使混合气气压与当地大气压相符。混合气由充气增压***注入室内，室内气体在涡旋气动循环***的作用下产生涡旋气流循环，室内气体经室内原料气回收***排出并输入制氧***重新利用以制氧。安全***负责气体压力、氧气和二氧化碳含量的监测与调节。

Description

正压气动气配循环高原房(简称“高原健康房”) 

技术领域

本发明属于生物医学工程学应用技术领域。主要原理：借助于***工程的技术和理念，通过人工改变有限空间范围(如居室、营房、哨所、会议室)内的空气气体成分比例，营造一个空气新鲜、氧气充足、适宜高海拔地区人类生存居住的“高原室内居住环境”(简称为“高原健康房”)，为从根本上解决我国高原地区约1000万人口(含流动人口、部队驻军)面临的高山病预防难题，提高身心健康程度和生活质量，提供科技支持。 

背景技术

高山病(mountain sickness，MS)，包括短期急性暴露高原低氧环境(如旅游、应急行动)出现的急性高山病和世居高原或长期在高海拔地区工作(如驻守边防、建筑施工、军事行动)罹患的慢性高山病，是一种严重影响高原人口生存发展、心身健康和生活质量，极大制约高原地区社会经济发展和部队体能战斗力的地方病和职业病。为了有效预防高山病，确保身心健康，最为关键的保障条件，就是需要有一个氧气充足的生活休息环境，使心脏、大脑、肺、肌肉等身体重要器官得到较长时间(至少6小时以上)的充分休息和恢复，使发生代偿性变化的脏器(如扩大的心脏变大、大脑细胞痉挛、颅内压增加、血液粘度增大)逐渐恢复到正常状态。 

目前，国内外采用的医学应对措施主要有四种：一是治疗性吸氧。针对大量高山病患者，通过使用医用氧气瓶、简易氧气罐、高压氧舱等设备，给予患者临时性吸氧，缓解症状和痛苦。二是单纯性补氧。在保障条件较好的情况下，在休息时缓慢吸氧，或直接开启医用氧气装置向室内释放氧气。三是预防性措施。使用各种具有一定抗低氧功能的药物和食物，如红景天、***、维生素、抗缺氧食品等。四是适应性作业。包括在平原人工模拟低氧环境中的预适应活动或训练以及进入高原后，在自然低氧环境中的后适应活动或训练。 

采用的工程技术手段主要有两大类。一是单纯性工业和医用制氧。采用变压吸附等原理，生产各种型号的单纯性制氧及储氧设备(如大型制氧***、便携式吸氧机)，为生产和储备充足的氧气，提供装备保障。二是医疗性专用氧设备。生产开发各种高级医疗专用氧气设备(如高精度高压氧舱、低压氧舱、氧吧)，单纯性提高吸入气中的氧气分压，增加血液中氧含量，达到医学治疗、缓解症状的效果。 

发明内容

本发明基于“以人为本”的理念，通过***工程技术手段，从改造自然低氧“微环境”角度入手，人工营造一个空气新鲜、相对富氧的高原室内人居环境——“正压气动气配循环高原房”(简称“高原健康房”)，降低人体克服和适应高原低氧恶劣环境条件的外部难度，提高预防高山病的有效性。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

“高原健康房”将室内居住者、“正压气动气配循环***”和环境因素(包括海拔高度、大气自然环境、高原房内环境)三个方面作为一个整体***来考虑，主要包括改进型房屋和“正压气动气配循环***”两大部分。在解决技术难点中所采用的技术主要有以下5点。 

(1)充气增压。第一步对房屋(如居室、营房、会议室、哨所)的门、窗、屋顶等透(漏)气结构进行加固改造，增加房屋的密闭性能；第二步在充分保障房屋结构安全、可靠的前提条件下，通过间歇性地向室内注入混合气体，提高室内压力和气流扰动，形成一种高于外界自然环境大气压的正压状态。 

(2)自适应气配循环***。要点：①配制“高原生态环境混合气”(即人造“高原新鲜空气”)。关键点：一是确定氧含量17.8％～18.8％的常量参照标准。凡是为在海拔3000米以上的高原房配制混合气，换算氧、氮气含量比例关系时，都将以(海平面大气环境)氧含量为17.8％～18.8％的相对富氧状态作为一个基本参照标准(相当于海拔1500～2000米高度上的自然生态空气环境中的氧含量)。无论混合气中氧、氮气含量比例关系如何变化，氧含量指标参数都必须达到17.8％～18.8％的标准。二是换算氮气含量和氧氮比例关系。在确保室内空气含氧量达到17.8％～18.8％的前提条件下，再根据高原房所处的海拔高度大气压范围，换算确定氮气的含量以及与氧的比列关系。例如，在海拔5000米高度(大气压约为404mmHg)，高原房内混合气体的含氧量标准为17.8％～18.8％(氧分压约为135～143mmHg)，为了保持室内外压力平衡，氮气含量所构成的分压就相应地设定为269～261mmHg(404-135＝269，404-143＝261)。这样，在气 配***为高原房配制的混合气体中，氧、氮气的含量比例关系为33.5％∶66.5％～35.3％∶64.7％。三是筛选气体来源。在按“处方”(即预定氧、氮气含量比例方案)配制符合要求的混合气时，选择性地使用三种气体来源：经过清洁过滤后的大气环境新鲜空气、从大气环境空气中提取的纯氧、从高原房排放的陈旧空气中提取回收的纯氧。②整体改变高原房内空气中气体成分的含量比例。根据不同实际海拔高度和设定的预期“室内海拔高度”，向室内循环注入经过特殊配制、具有特定氧、氮气含量比例的“高原生态环境混合气”，整体改变室内空气的氧、氮含量比例。③自适应空气置换与循环流通。一是***自动间歇性地将向高原房内注入人造“高原新鲜空气”，直至室内空气中的含氧量达到预期参数标准设定值；二是在注入新鲜空气的同时，自行启动排气过程，主动性地抽提、排放室内的陈旧空气，直至室内空气中的二氧化碳含量(或浓度)降低到预期参数标准设定值；三是置换室内空气的程序控制，以室内空气中的含氧量和二氧化碳浓度指标为依据，当其中任何一项指标参数超过设定值时，***自动启动进行换气，直至空气质量恢复到设定标准。 

(3)提取回收和循环利用高原房陈旧空气(简称为“提氧、排炭”工艺)。在制氧工艺流程中，一是除将自然环境中的空气作为原料气(“大气原料气”)之外，主动提取和回收利用高原房循环排放的陈旧空气，将之作为制氧工艺中的部分原料气(又称“室内原料气”)，作为大气原料气的补充；二是只提取回收“室内原料气”中的氧气，而将其它气体成分(如二氧化碳、氮气、惰性气体、一氧化碳)全部排放。 

(4)涡旋气动循环。制造一个以气压差为主要驱动力的室内气体涡旋气流循环状态。①间歇性注入加压(1公斤压力)混合气体；②采用动力抽提方式间歇性排放室内空气(参见单向性提取回收和循环利用“室内原料气”)；③注入混合气体过程与抽排气体过程采用同步或非同步两种模式进行；④将注气口位置设置在房屋内侧墙面10～30厘米处，注气口(单)喷嘴朝向墙体内侧面成10°～50°的夹角(可根据房屋形状和大小进行适当调整)；注入混合气体时，室内产生逆时针方向的涡旋气流；⑤将抽(排)气口位置设置在房屋内侧墙面10～30厘米处，与注气口位置相距50～100厘米，抽气口嘴的方向背向注气口喷嘴成130°～170°夹角，并与墙体内侧面成5°～30°夹角(可根据房屋形状和大小进行适当调整)(见图1)。⑥双涡旋气动循环采用双注入气口(双喷嘴)、单抽气口的结构，在室内形成左右两个涡旋气流(见图2)。 

(5)功效性安全***。根据涡旋气动循环在不同形状房间(如近似正方形居室、圆形哨所、长方形会议室)中产生的气流循环特性，以及气体(如氧、氮、二氧化碳)的比重、密度和在低气压空气介质中扩散特性，将高原房安全检控***中的安全阀传感器(含压力、氧气、二氧化碳传感器)安装在涡旋气流中心地带上方。正方形、圆形状且面积相对较小的房屋(如居室、哨所、营房)，一般采用(单喷嘴)单涡旋气动循环方式，将传感器设置在房间顶部中心区域；长方形房间且面积相对较大的房屋(如会议室)采用双涡旋气动循环方式，将两个传感器分别设置在房间顶部的两侧中心区域(见图3)。当室内的压力、二氧化碳、氧气指标参数超过安全预警设定标准时，阀门自动打开排气。 

本发明的有益效果是： 

本发明的5项技术方案所产生的有益效果，主要表现在以下5个方面。 

(1)通过改造房屋结构，向室内充气增压，一是减少室内环境与外界自然环境之间的空气直接流动，为调整室内气体成分含量比例，并使置换后的气体含量比例保持相对动态稳定，以及降低制氧能耗，创造硬件条件；二是能适当提高室内空气密度，有利于增加室内空气的含氧量；三是有利于加速室内气体(尤其是氧、氮气)的扩散速度和在室内的均匀分布；四是有利于推动室内气体流动，为涡旋气动循环创造动力条件；五是遇到紧急情况时，室内正压条件有利于安全阀门打开，自动排气。 

(2)自适应气配循环***是“正压气动气配循环***”的关键部分之一。最重要的效果是，既营造了一个接近低海拔地区自然常态空气环境的人工相对富氧空间，又实现了对高原房室内外空气流通、室内空气成分和空气质量的精确控制，解决了密闭环境空间普遍存在的空气不流通，空气质量不好，有害气体(如二氧化碳)和微生物排放不畅的难题，增强了高原房的环境生态仿真效果和居住者的主观舒适感官效果。为确保人体长时间处于该环境条件下的健康安全，促进身体休息恢复，减轻高山病症状，预防高山病创造了良好的硬环境条件。从高原生理医学和健康安全预防医学的角度讲，一方面，单纯性地向室内注入高浓度(或纯)氧气，会因在有限空(房)间范围内氧分压的急剧升高而产生不同程度的排斥现象(如氧分子之间的挤压作用)和吸氧付作用(如抑制呼吸)，既影响吸氧的医疗效果，也可能造成大量的氧气浪费。另一方面，在高海拔低氧地区，人们在特殊的富氧环境中治疗或休息时，并不是呆的时间越长，吸的氧气的浓(纯)度越高，就对身体健康越好。如果人体长时间处于一种医疗救治和临时性应急的非常态富氧空气环境里，容易对该环境条件产生更为强烈的依赖性，极大地降低生理和心理对外部环境的适应能力，进而危及到这些人的健康安全。 

(3)提取回收和循环利用高原房陈旧空气技术，显著提高了制氧***在高海拔低氧区域的生产效能，降低了能耗和浪费。在完成高原房充气加压和启动气配循环程序后，为了保持室内空气的质量，必须要循环排放部分室内的原有空气，注入新鲜的混合气体。但在排放的部分室内原有空气中，氧的含量仍然明显高于大气环境空气中的含氧量。因此，抽提回收和循环利用含氧量高的这种“废气”，将之作为制氧工艺中的部分原料气(又称“室内原料气”)，这种生产工艺创新，具有三大优点：一是回收再利用了房间内含氧量相对(外环境)较高的空气，减少了***产品——氧气的浪费；二是增加了原料气中的氧浓度，大幅度提高了制氧***在高海拔低氧区域的生产效能，降低了制氧过程中的能耗。海拔高度越高，这种作用就越明显，许多制氧***在高海拔地区的制氧效能大幅度下降，能耗大幅度攀升的主要原因，就是原料气中的氧浓度很低所致。如在海拔2000米和5000米高度大气原料气中的含氧量分别只有海平面原料气含氧量的84.7％和54％，两者相差达30％以上。在海拔5000米高度，单纯利用大气原料气制氧时，其效能/能耗比值，比在海拔2000米处也低约30％。因此，当高原房中的“室内原料气”的含氧量达到海平面原料气的85％～90％时(相当于海拔1500米～2000米高度的大气原料气)，抽提回收和循环利用部分“室内原料气”作为大气原料气的补充，其制氧工艺的效能/能耗比值，将大幅度优于单纯使用高海拔地区(如4000米～5000米)自然环境中的大气原料气。三是这种“提氧、排炭”工艺，提升了高原房室内的空气质量标准，既有利于居住者的身体健康，也带来了良好的主观感受。 

(4)涡旋气动循环的应用效果：一是在室内形成了一个以气压差为主要驱动力的室内气体流动循环状态，混合气体从注入气口高压处向抽排气口低压方向流动，弥补了室内氧气分子单纯依靠浓度分压差进行扩散，其扩散速度较慢的不足。二是通过特殊设置注入和抽排气口的位置与方向，使室内流动气体因对墙体内侧面产生的切应力作用，在室内形成了一种沿墙体内侧缘的(单、双)涡旋气流(见图1、图2)，促进了室内氧气的规则流动和均匀分布，提高了扩散速度，克服了室内因“结构性死角”(即由于房屋结构原因，在室内的某些局部空间位置空气的流动性差)造成的氧分布不均或检测不准确可能形成的安全隐患。例如，当“结构性死角”空气中的氧含量过低时，靠近该位置的居住者就会感到不舒服；反之，当该部位的氧含量过高时，就可能出现潜在的安全隐患。三是双涡旋气动循环技术，特别适用于面积较大的长方形房间。 

(5)在涡旋气流中心区域，由于相对***气压较低，气体扩散到达时间相对滞后。在功效性安全***中，将安全阀传感器设置在涡旋气流中心地带上方，一是能够更准确地检测到室内气体的整体扩散程度和浓度变化；二是排除房屋局部“结构性死角”给检测取样带来的干扰和不敏感，使安全阀处于最佳功效位置，提高了安全***的检测调控效能。 

图1是室内单涡旋气动循环原理示意图。 

图2是室内双涡旋气动循环原理示意图。 

图3是功效性安全***(双涡旋气动循环)传感器设置位置示意图。 

具体实施方式

本发明内容包括改进型房屋和“正压气动气配循环***”两大部分。 

(1)改进型房屋：对安装“正压气动气配循环***”的房屋进行结构改进。具体如下：①对房屋(如居室、营房、会议室、哨所)的门、窗、屋顶等透(漏)气结构进行加固和密闭性改造。②在房屋内侧墙面10～30厘米处钻一个(或两个)孔，设置单个(或双个)注气口。③在距注气口位置50～100厘米、内侧墙面10～30厘米处钻一个孔，设置抽(排)气口。 

(2)“正压气动气配循环***”：由制氧***、自适应气配循环***、充气增压***、涡旋气动循环***、室内原料气回收***和安全***组成。 

制氧***由制氧机、分离气储罐和分离气输送管道组成。自适应气配循环***由“高原生态环境混合气”配制器和配制气输出管道组成。充气增压***由气体注入泵和配制气输出管道组成。制氧***的分离气储罐分别通过分离气输送管道与制氧机和“高原生态环境混合气”配制器相连。“高原生态环境混合气”配制器通过自适应气配循环***的配制气输出管道和充气增压***的气体注入泵相连。涡旋气动循环***由注气口喷嘴和抽气口嘴组成。注气口喷嘴安装于注气口位置且喷嘴朝向墙体内侧面成10°～50°的夹角(可根据房屋形状和大小进行适当调整)，抽气口嘴安装于抽(排)气口位置且背向注气口喷嘴成130°～170°夹角，并且口嘴与墙体内侧面成5°～30°夹角(可根据房屋形状和大小进行适当调整)。充气增压***的配制气输出管道与涡旋气动循环***的注气口喷嘴相连。室内原料气回收***由室内气体净化器(主要吸收二氧化碳)、气体输出泵、室内气体输出管道组成。气体输出泵与涡旋气动循环***的抽气口嘴相连。室内气体输出管道与制氧***相连，向制氧机输送“室内原料气”。安全***由压力、氧气和二氧化碳传感器和安全阀门组成。对于正方形、圆形状且面积相对较小的房屋(如居室、哨所、营房)，将传感器设置在房间顶部中心区域；对于长方形房间且面积相对较大的房屋(如会议室)，要设置两套传感器，分别设置在房间顶部的两侧中心区域。传感器通过线路分别与安全阀门相连。 

Claims (8)

1.一种正压气动气配循环高原房(简称为“高原健康房”)，其特征是：包括改进型房屋和“正压气动气配循环***”两部分，“正压气动气配循环***”由制氧***、自适应气配循环***、充气增压***、涡旋气动循环***、室内原料气回收***和安全***组成，制氧***产生分离气以供配置“高原生态环境混合气”使用；自适应气配循环***配制“高原生态环境混合气”，配制的混合气氧含量需达到17.8％～18.8％，再根据氧含量和当地海拔高度确定氮含量和氮氧比例，以使混合气气压与当地大气压相符；“高原生态环境混合气”由充气增压***经涡旋气动循环***的注气口喷嘴注入室内；室内气体在涡旋气动循环***的作用下产生涡旋气流循环；室内气体经涡旋气动循环***的抽气口嘴由室内原料气回收***输入制氧***作为“原料气”重新利用以制取纯氧；安全***由压力传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器和安全阀门组成，当室内压力、二氧化碳、氧气指标参数超过安全预警设定标准时，安全阀门自动打开排气。

2.根据权利要求1所述的正压气动气配循环高原房，其特征是：改进型房屋包括对房屋的门、窗、屋顶等透(漏)气结构进行加固和密闭性改造，并在房屋内侧墙面10～30厘米处钻一个(或两个)孔，设置单个(或双个)注气口，在距注气口位置50～100厘米、内侧墙面10～30厘米处钻一个孔，设置抽(排)气口。

3.根据权利要求1所述的正压气动气配循环高原房，其特征是：在配制“高原生态环境混合气”时，选择性地使用三种气体来源：经过清洁过滤后的大气环境新鲜空气、从大气环境空气中提取的纯氧、从高原房排放的陈旧空气中提取回收的纯氧。

4.根据权利要求1所述的正压气动气配循环高原房，其特征是：根据不同实际海拔高度和设定的预期“室内海拔高度”，向室内循环注入“高原生态环境混合气”，整体改变室内空气的氧、氮含量比例。

5.根据权利要求1所述的正压气动气配循环高原房，其特征是：高原房内空气置换与循环流通通过如下方式：一是***自动间歇性地将向高原房内注入“高原生态环境混合气”，直至室内空气中的含氧量达到预期参数标准设定值；二是在注入“高原生态环境混合气”的同时，自行启动排气过程，主动性地抽提、排放室内的陈旧空气，直至室内空气中的二氧化碳含量(或浓度)降低到预期参数标准设定值；三是置换室内空气的程序控制，以室内空气中的含氧量和二氧化碳浓度指标为依据，当其中任何一项指标参数超过设定值时，***自动启动进行换气，直至空气质量恢复到设定标准。

6.根据权利要求1所述的正压气动气配循环高原房，其特征是：涡旋气动循环***的注气口喷嘴安装于注气口位置，且喷嘴朝向墙体内侧面成10°～50°的夹角(可根据房屋形状和大小进行适当调整)；涡旋气动循环***的抽气口嘴安装于抽(排)气口位置，且口嘴的方向背向注气口喷嘴成130°～170°夹角，并与墙体内侧面成5°～30°夹角(可根据房屋形状和大小进行适当调整)；对于长方形且面积相对较大的房屋，采用双注气口(双注气口喷嘴)、单抽气口(单抽气口嘴)的结构，以达到双涡旋气动循环的目的。

7.根据权利要求1所述的正压气动气配循环高原房，其特征是：将安全***中的压力、氧气和二氧化碳传感器安装在涡旋气流中心地带上方，对于正方形、圆形状且面积相对较小的房屋，将传感器设置在房间顶部中心区域；对于长方形且面积相对较大的房屋，将两套传感器分别设置在房间顶部的两侧中心区域。

8.根据权利要求1所述的正压气动气配循环高原房，其特征是：室内原料气回收***可通过其室内气体净化器，吸收二氧化碳等废气。

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