高原弥散供氧技术发展与创新的探讨

【摘 要】本文介绍了采用鼻导管吸氧与密闭空间弥散供氧方式的优缺点，变压吸附制氧技术是目前高原地区制氧最理想方法。对实践应用中存在的问题进行了分析，并指出低能耗、低噪声、无油润滑、免维护是未来制氧设备技术研究的方向，弥散供氧系统智能化是提高供氧经济性的重要手段，富氧空间的防火安全以及世居高原人群的用氧效果有待深入研究。

Abstract: This paper introduces the advantages and disadvantages of nasal catheter oxygen inhalation and diffusion oxygen supply in closed space. Pressure swing adsorption oxygen production technology is the most ideal method for oxygen production in plateau area at present. Analyze the problems existing in practical application， and  point out the Low energy consumption, low noise, oil-free lubrication and maintenance free are the research directions of oxygen production equipment technology in the future. The intellectualization of dispersion oxygen supply system is an important means to improve the economy of oxygen supply. The fire safety of oxygen enriched space and the oxygen consumption effect of people living in plateau need to be further studied.

【关键词】高原  变压吸附  制氧供氧

Keywords: Plateau；Pressure swing adsorption；Oxygen production and supply

高原环境的主要特点是空气稀薄、寒冷、湿度低以及阳光辐射强，但是对人体影响最大的因素是由于环境气压降低所引起的缺氧，不利于人们的作业活动。研究表明，海拔每增加1000 m，大气压降低约11.5％，空气密度减小9％^[1]。一部分人从平原地区进入海拔3000米以上地区，因为缺氧会出现恶心头痛、心慌气短、难以入睡等高原反应，因此人们将海拔3000米以上称为“医学高原”，环境缺氧可严重损害人体健康。

从低海拔进入高原的人们经过短暂适应期后，没有了高原反应，认为自身已适应高原环境，这其实是观念误区。医学研究表明，长期在高原生活的人，虽然对缺氧环境有了一定的适应性，但所谓适应只是表面现象。医学工作者建议：在自然供氧不足的情况下，可以合理有效的利用制氧、供氧装置来补氧，不但能迅速缓解供血不足和通气障碍引起的缺氧症状，还可以预防缺氧引发的器质性病变和各种高原反应，长期缺氧会使人体机能每况愈下，所以每天适当补氧是恢复身体机能有效和重要的手段。

我国海拔3000米以上的高原占国土总面积的26%，随着我国社会经济的发展，国家对西部地区的进一步开发和对高原少数民族地区的大力支持，越来越多的低海拔地区人员进入高原地区工作、旅游，不可避免地会遇到高原缺氧问题，安全可靠的高原制氧、供氧设施设备是有效解决这一问题的最佳途径。

目前，常见的吸氧方式为鼻导管吸氧、面罩吸氧和弥散供氧。

就以上常见的高原给氧方法，国内高原制、供氧专家进行广泛的研究和实验。关于高原不同吸氧方式对人体血氧饱和度和心率影响的研究显示，相同吸氧流量情况下，双侧鼻导管吸氧较面罩吸氧、单侧鼻导管吸氧效果好，面罩吸氧比单侧鼻导管吸氧效果好。弥散供氧即在相对封闭的人员活动区域直接通过氧气弥散使整个活动区域达到所需的富氧环境，有学者使用弥散供氧的方法制作富氧室，维持氧浓度在24％～25％，并与使用鼻导管以2L/min的方式持续吸氧的效果相比较，结果显示，两种方法均能提高受试者血氧饱和度，富氧效果无显著差异^［２］。

鼻导管吸氧、面罩吸氧为个人吸氧方式，受益人群较局限，而且鼻导管、面罩会带来束缚感和不舒适感，但该供氧方式耗氧量少、见效快、使用成本低，适合于需要快速缓解症状和定时氧疗人员。

弥散供氧方式不仅可满足同一生活环境中的人群同时吸氧，而且避免了鼻导管和面罩吸氧造成的束缚感和不舒适感，提高了吸氧舒适度，增加了人员的活动范围，但是该方式耗氧量相对较大，空间氧浓度提升需要一定时间。近年来弥散供氧方式广泛应用于高原地区企事业单位集中办公区、酒店宾馆房间及家庭，既适合缓解高原症状人员，又适合氧疗保健人员。

无论哪种供氧方式，均需要有氧气发生器（制氧机），目前常见的有单体式小型制氧机、大中型集中制氧设备。单体式小型制氧机一般放置于吸氧员的房间内，设备运行噪音会影响吸氧人员的工作和休息。高原中心制氧供氧方案，即：将大中型制氧机安装于专用制氧站房内，氧气通过管道系统输送至各楼层和房间供氧终端，该方案便于制氧设备的管理和维护，用氧终端不会产生噪声，广泛应用于集中办公区及酒店宾馆供氧；当然还有部分地方采用液氧集中供应的方式，但由于高原地区地形复杂、冰雪天气较多，液氧的采购和运输会严重制约液氧的安全供应。

（1）变压吸附法　

变压吸附制氧由于其方便、灵活、高效、节能及可连续供氧的特点，成为近年来发展最快的一种制氧技术。变压吸附法基于分子筛对空气中的氧、氮选择性吸附特性使空气分离，同时依靠压力的周期性变化实现分子筛的吸附和再生，从而连续不断地获得氧气。采用变压吸附法制氧可将氧浓度富集到90％以上，同时可根据用氧需求调节氧浓度。依据解吸压力是否处于大气压以上，变压吸附可以分为：有压吸附、常压脱附的PSA工艺，常压吸附、真空脱附的VSA工艺，有压吸附、真空脱附的VPSA工艺。变压吸附制氧技术在工业和医用气体领域已经相当成熟，在高原环境的应用研究一直受到国内外高度重视，近年来也被广泛应用到高原制氧供氧领域，是目前高原制氧最主要的制氧方法。

高原变压吸附制氧设备按产氧量分为中小型制氧机、微型制氧机（家用）和便携式制氧机等。中小型制氧机主要用于高原中心供氧系统，微型制氧机（家用）主要用于家庭供氧和小型宾馆供氧，便携式制氧机主要用于旅游观光人员和高原部队巡逻士兵随身携带使用。

（2）膜分离法　

膜式空分法是利用有机高分子膜对各种气体具有不同的渗透能力而进行空气分离的方法。此方法对高分子膜要求较高，制得的氧气浓度较低(一般30%以下)，限制了其使用范围。膜具有无污染、体积小、重量轻、控制简单、可靠性高、对水蒸气不敏感等特点，目前膜分离制氧技术已广泛应用于富氧空调、水产养殖、高原富氧室、高原旅客列车等领域。在高原旅客列车上的膜分离富氧系统，通过膜分离制氧机制氧，以弥散式和分布式相结合的供氧方式为旅客供氧，保障了高原行旅客的健康、安全。近年来，业内陆续对混合导电膜材料的组成、结构及制氧原理进行了研究，有学者研究出新型致密陶瓷膜，通过改变氧分压为氧离子提供驱动力，在膜的另一侧可得到浓度100％的纯氧^［1］。

但是膜分离材料和技术还存在较大的问题，因此对于其大规模应用还需进一步深入研究，以提高膜材料的气体分离效率和产品氧气浓度。相比之下，变压吸附技术是比较理想的制氧方法，尤其是在高原氧分压较低的地方。

（3）冷凝法　

冷凝法是利用空气中各组成气体的冷凝点不同，在净化空气的同时将空气液化，通过连续蒸发和冷凝将氧气、氮气等气体在不同恒定温度下逐步分离，同时获得高纯度的氧气和氮气，制得的氧浓度可达99％以上。冷凝法制氧技术已有100多年历史，技术相对成熟。冷凝制氧设备由空气压缩机、空气冷凝机、分馏塔、热交换器、储氧装置等组成。由于冷凝制氧法设备投资大、占地面积大、运营成本高、工艺复杂等，一般应用于冶铜、燃煤电厂、化工业等大型工业用氧领域，为其提供高纯度氧气。该方法不适合在高原供氧领域使用。

近年来，高原环境补氧得到了很多单位及家庭的重视。国家也对高原地区人民身体健康十分重视，批准了很多地方政府行政机关、企事业单位供氧项目并提供大量的资金支持。高原酒店宾馆等单位也愿意投资弥散供氧项目，以吸引更多的游客去高原旅行入住。许多高原家庭也开始购买小型弥散制氧机为家中房间进行弥散供氧。这些项目的建设为保护当地人民的身体健康发挥了重要作用，供氧的益处及必要性越来越得到更多人士认可。但同时通过对近年来高原供氧产品、服务现状以及市场需求调研分析，发现仍然存在一些关键问题亟需解决。

由于高原大气环境气压低、空气稀薄等原因，标准状况下的使用良好的机电产品，在高原地区使用将不能很好地使用，可靠性大大降低。譬如，变压吸附制氧机都会使用空气压缩机，空气压缩机在高原地区使用时吸气压力变低必然会导致两个问题，一是吸气量（按质量或标准立方计）大大减小造成空气不足产氧量或浓度降低，二是空压机压缩比（排气绝压比吸气绝压）增大，造成机头产热增加，温度升高影响机器可靠性，同时空气稀薄也会引起电气元件绝缘性能降低以及散热能力减弱，同样会降低电动机及电气元件的可靠性。因空气压缩机吸气压力低密度变小，所以产氧量几乎会成比例的减少，生产一标准立方氧气耗电量会比平原地区有较大的增加，能耗升高。

制氧技术提供商应针对高原使用环境研发高原型制氧设备，在空气压缩机选择方面应考虑空气压缩机流量按设计需要提高与吸附剂用量及工艺参数相匹配，应解决压缩比增大后机头温升造成的不利影响，可以选择额定排气压力更高的空压机或增加机头散热，电气方面应选择高原型电动机以及许用电流更大的变频器等等，以提高制氧设备的可靠性。

高原地区电力紧缺，对能耗比较重视，因此研发制氧设备时应当将降低能耗作为高原制氧设备的重要技术指标，应选择合适的制氧工艺流程，合适动力设备技术参数与环境气压的匹配以及与吸附装置工艺参数的匹配。譬如，研究吸附剂吸附量随压力变化的性能曲线可知，虽然大气压力低影响于空压机吸气量和运行，但因压力低（绝对压力）有利于吸附剂中氮气解析。因此可以通过研发适合的高原环境制氧工艺流程或操作参数来达到降低能耗的目的。

高原地区制氧设备使用人群多为单位办公区、酒店宾馆、家庭等，这些单位自身没有专业的设备维修保养人员，这些地区也少有此类专用设备的维修人员，因此制氧的动力设备应优先选择设备维护工作量少的无油润滑设备，甚至是免维护设备。

制氧设备的分子筛对油份的吸附能极强，且无法脱附（解析）、制氧设备长期运行，如果采用油润滑的空压机，必将导致分子筛被污染，导致制氧设备失效；相对高压（吸附压力大于0.1MPa)吸附会加速分子筛粉化，导致氧气浓度衰减。这两个因素制约了制氧设备在高原上的广泛应用，也是造成高原假供氧的主要原因。

低压无油制氧技术因其有效的保护了分子筛不污染、不粉化，且其超低的能耗（在海拔3700米高原地区，一标准立方氧气消耗电能约1.0度—1.2度），日益受到高原环境供氧的青睐。

低压无油制氧设备主要优点有：

1）吸附压力低：空气源动力设备采用低压制氧专用空压机，设备性能稳定、维护简单；吸附塔与缓冲罐设计压力低于0.1MPa，不属于压力容器，无相关的压力容器及安全阀的检验、校验，运行更安全。

2）工艺气体无油：空气源动力设备压缩腔无需油润滑与冷却，压缩后的空气没有与油接触，无需多级精密过滤除油，冷却后直接进入制氧主机。因此分子筛不会受到“油污染”，能确保分子筛使用寿命，无喷油润滑系统和过滤器的维护保养工作，清洁环保。

3）能耗低：空压机排气压力很低约0.06MPa，且没有多级过滤器产生的压力损失，仅需对输出的氧气（气量约为空气的7%）进行增压，尽管排氮机也会消耗一些电能，但可充分利用高原环境气压低，可使排氮机升压减小（即表压小），因此整机能耗很低。

由于制氧设备与供氧终端不宜距离太远，因此无论是采用集中供氧方案安装在站房内的制氧机还是独立供氧安装在家庭或宾馆房间的小型制氧机，都将存在设备噪音问题。制氧设备一般都要使用压缩机或真空泵压缩气体，不可避免会产生机械噪声和气体膨胀与流动噪声，如果设备安装位置选取不合适，或站房噪声治理不到位，将严重影响周边居民工作和休息，影响吸氧舒适度体验，甚至会遭到投诉，受到环保部门的处罚。

设计开发制氧设备部件选型时优先选择噪声低的动力设备。此外，还应根据站房周边实际情况对站房门窗洞口以及通风系统进排气口进行降噪处理，如加装消声弯头、设计隔声门窗等措施。

弥散供氧空间相对较大，且一般空间密闭性并不很好，而且应允许空间内外一定量的空气流动以便室内CO2的流出，以控制室内的CO2浓度。因此要在规定的时间内达到规定的氧气浓度，需要较大的氧气流量，需配置较大产量的制氧设备，因此可以认为弥散供氧是一种比较奢侈的补氧方案，但它确实会给使用者带来良好的补氧效果和舒适体验。另一方面，在很多集中供氧项目实践中，我们发现许多使用人员并不按规定使用供氧终端，即下班离开办公室或上班离开宿舍时没有关闭房间的供氧终端，造成氧气浪费或别的区域氧气压力不足室内浓度较底，从而浪费电能、增加氧气使用成本。

供氧方案应做到科学合理设计、智能化控制、简化管理、避免使用浪费。除选择低能耗制氧设备外，还应在使集中供氧系统的供氧气管路控制及供气终端控制方面实现进一步的自动化或智能化。譬如，办公区与宿舍区分时段自动供气停气，智能供氧终端检测到浓度到达上限时自动停止供气以及感知室内无人时自动停气等，既简化管理又避免浪费，降低运营成本。

另外，为了使房间在规定时间（例如2小时）提升一定氧浓度所需的氧气流量较大，而后期使房间保持该氧气浓度所需氧气流量相对较小，因此可以设置供氧终端以较小氧气流量提前自动给发房间供氧，例如早上8点上班，6点开始自动供氧，这样一进入办公室就开始享受富氧，既提高了吸氧效果，又可以减少制氧设备产氧配置，从而节约首次投入成本。

目前有许多公司为高原地区提供制氧、供氧设备及供氧解决方案，由于没有建立市场准入标准或资质以及没有统一的设计与验收标准，各公司的技术及服务能力参差不齐，或先采取低价投标，施工时因成本原因又偷工减料，也不兑现后期的质保和服务，致使不少供氧项目成了“烂尾工程”或“供假氧”。我们调研过高原地区某市多家酒店，从供氧终端放出的所谓富氧气体其实均为空气，究其原因，一是技术方案设计不合理，且过于考虑低成本导致供氧系统可靠性低，售后服务差；二是当地酒店以供氧为噱头吸引旅客入住，房间安装弥散供氧系统，认为旅客不懂辨别供氧质量，以一定压力的空气代替氧气输送到房间造成“供假氧”。这种市场乱象严重影响顾客用氧体验及身体健康，不利于高原供氧市场推广及供氧初衷。

政府主管部门或相关行业协会应研究制定科学合理、经济有效的设计标准与工程验收标准以及检测方法，甚至可以建立市场准入制度及相关资质规定。用标准指导供应商做出科学合理的设计方案，并为供应商或酒店宾馆建立起公开公正公平的市场竞争机制，以确保高原弥散供氧市场快速健康发展，使高原地区人民健康得到切实保障。例如制定标准规定供氧终端必须设置有氧浓度检测功能以及氧浓度达标最高时限等，确保弥散供氧浓度真实有效。目前我国的高原弥散供氧的可参照的标准有《高原地区室内空间弥散供氧（氧调）要求》GB/Ｔ35414—2017，《西藏自治区民用供氧工程设计标准》DBJ540004-2018，《西藏自治区民用供氧工程施工及验收规范》DBJ540005-2018。

高原环境下富氧会出现防火安全问题,目前缺乏富氧后可燃物火焰蔓延本质研究,难以有效指导高原富氧室防火和富氧标准制定。美国防火协会参照滤纸条在不同压力和氧浓度条件下的燃烧速率，建立了美国低气压条件下的安全用氧标准，其中在标准大气压下的安全富氧上限浓度为23.5％。然而，国内在高原低气压领域还没有髙原低气压下防火安全富氧浓度的相关标准。但国内有些学者参考美国防火协会标准认为高原环境气压下的氧分压上线不超过23.5％就是安全的，这一结论显然不够严谨。为此，杨雄、刘应书等研制了模拟高原低压环境的可燃物燃烧实验系统，研究了滤纸、棉布和涤卡在富氧环境下燃烧速度的变化情况，以期为高效安全地应用髙原富氧技术提供指导。研究得出，随着海拔的升高,安全富氧气体积分数上限将发生变化,安全氧气体积分数上限与海拔的关系用数学式可表示为Y = 8.28 % ×exp ( H/ 10.41) +14.69 %^［3］。

高原大气压环境下富氧后氧浓度较大提升后，室内相关可燃物的燃烧性能有待于进一步深入研究，以确保安全用氧或制定相关防火措施降低风险。

随着5G技术和人工智能的发展以及制供氧技术的进步，我们有机会在高原制、供氧方面运用更多的新的技术，以提高高原制、供氧的安全性、可靠性、经济性，让高原人民用氧变得更经济和便捷。

通过远程监控技术，实时监测设备运行状况，根据设备运行参数提前做好维保工作，保证设备正常运行。这项技术在医用分子筛制氧设备方面已经得到广泛应用。

弥散供氧终端环境设置合理的供氧终端开、关模式，可保证环境供氧的安全并避免浪费。我们可以根据不同的应用场景，通过人工智能、感应技术分析环境内人员的活动习惯和规律，适时开启或关闭供氧终端。

4.3制氧技术进步

经过一百多年的发展，特别是近30年来在医疗领域的广泛应用，分子筛制氧技术有了长足的发展和进步。国内有关医用分子筛制氧设备的发明专利不低于20项。低压无油制氧技术的应用使制氧设备更可靠、运行成本更低；设备降噪、降温技术的进步催生了集成式方舱制氧设备，让制氧设备安装场地的选择更容易，解决了很多原来需要集中供氧但又没有场地安装制氧设备问题。

富氧后人体生理效应问题是推广应用高原富氧技术中亟需解决的关键问题，目前已证明急进高原人员富氧后能有效预防高原病，然而目前还缺乏针对量大的旧居、世居高原不同人群及民族富氧后生理效应研究《高原环境供氧技术及其应用中的几个关键问题》

急进高原人员富氧后能有效预防高原病以及缓解高原反应症状。采用鼻导管吸氧见效快、耗氧量小、舒适度不好，弥散供氧量较大、舒适度好、富氧区可多人同时吸氧且不影响活动范围。在高原地区制氧采用变压吸附技术是比较理想的制氧方法，尤其是在高原氧分压较低的地方。未来制氧设备的发展方向主要有低能耗、低噪声、无油润滑免维护，弥散供氧系统自动化、智能化供气停气避免浪费。高原制氧供氧设计标准、验收标准、检测方法以及市场准入等亟需相关主管部门、行业协会及相关单位合作解决。富氧后防火安全以及世居高原人群的用氧效果有待深入研究。

【作者简介】

作者一：龙林，男，成都联帮医疗科技股份有限公司技术研发部经理；硕士，材料加工工程专业。取得发明专利2项，实用新型专利5项，发表学术论文3篇。

作者二：万清良，男，作者单位：成都联帮医疗科技股份有限公司副总经理；大学本科，机械设计及制造专业， 2项国家标准、4项行业图书编委；发表学术论文及期刊若干篇。