西藏高原建筑室内湿氧环境营造技术现状与建议

Current status and suggestions for construction technology of indoor humid-oxygen environment on the Xizang Plateau

摘要

西藏高原常年低压缺氧、冬季寒冷漫长且极端干燥，严重影响外来及高原世居人群生命健康。受高原低气压特殊空气环境影响，内地现有加湿、增氧技术效果并不理想，技术缺乏基础理论依据和有针对性的设计方法支撑。为此，本文重点探讨高原人员对低气压、缺氧干燥环境的生理适应机制，归纳总结低压极干条件氧湿气流流动传质机理等高原建筑环境营造理论问题。进而，对高原特殊条件下建筑湿氧环境营造提供了建议。

Abstract

The Xizang Plateau is characterized by year-round low pressure and hypoxia， along with long， cold， and extremely dry winters， which severely affect the life and health of both non-native and long-term native plateau populations. Conventional humidification and oxygen-enrichment technologies developed for normal pressure regions are largely ineffective under the plateau's low pressure， lacking fundamental theoretical support and plateau-specific design methodologies. This paper investigates the physiological adaptation mechanisms of individuals to low-pressure， hypoxic， and extremely dry environments， and summarizes theoretical issues concerning plateau building environment construction such as the mass transfer mechanism of oxygen-humid airflow under low-pressure and extremely dry conditions. Furthermore， relevant suggestions are put forward for the construction of indoor humid-oxygen environment in buildings under special plateau conditions.

Graphical abstract

关键词

西藏高原 / 低压缺氧 / 极端干燥 / 室内环境

Key words

Xizang Plateau / low pressure and hypoxia / extreme dryness / indoor environment

西藏高原地处亚洲大陆西南部，为青藏高原主体部分，面积约117.6万km²，平均海拔超过4 000 m，气候复杂多样^［1］。全面提升西藏高原建筑宜居环境水平、改善当地人民生活质量是加快完成西藏自治区“十五五”发展规划和二〇三五年远景目标的必然要求^［2］，是落实藏区人民美好生活向往、维护民族团结，维持边疆长久治安的重要举措，是解决我国区域发展不平衡、不充分的紧迫任务。

然而，西藏高原常年低压缺氧，冬季寒冷漫长且极端干燥，室内环境恶劣，但常规能源匮乏、运输供给困难，生态环境保护严苛，同时受限于部分地区社会经济技术发展水平，当地建筑宜居环境营造与宜居水平提升挑战极大。西藏高原虽然针对城镇建筑相继颁布采暖、室内环境评价、绿色建筑等地方标准，但这些标准涉及的环境参数体系与营造技术大多采用内地标准，尚未系统化考虑高原特殊气候条件、建筑模式、人员需求等特定因素影响，造成能耗高、性能低、环境差等现象普遍存在，适用于西藏高原的建筑湿氧宜居环境营造关键技术体系亟待完善。

为此，本文基于现有高原建筑湿氧环境相关研究成果，从高原室内湿氧环境现状、人员生理适应及需求、氧湿气流流动及传质特性、多场景建筑湿氧环境营造等方面进行归纳总结，旨在明确现有技术理论短板与后续研究方向，为高原建筑供氧增湿环境设计营造、标准完善和产业发展提供参考。

1 高原室内湿氧环境现状及需求

西藏高原独特的地形分布与大气环流，造就了其空气稀薄、低压缺氧、寒冷干燥、强太阳辐射等特殊气候条件。西藏高原大气压仅为60 kPa左右，空气氧含量仅为平原地区的60%，且随着海拔的升高其热湿环境也与平原存在较大差异。高原气温整体偏低，年较差小但日较差大，拉萨最冷月平均气温长期低于0 ℃，采暖度日数高于同处寒冷气候区的北京约15%，最热月平均气温仅约15 ℃。同时，高原全年室外相对湿度水平较低，冬季月平均相对湿度可低于30%。

自从2004年西藏自治区被划归为采暖区以后，经过十余年科学研究、标准建立、工程应用等全面推进，西藏建筑采暖形成了基于太阳能等可再生能源的独特可持续发展技术路线^［3］，建筑热环境水平^［4-5］也得以有效提升。但是，高原建筑室内极端干燥与低压缺氧问题仍未有效解决。

西藏高原冬季室内日平均相对湿度变化范围为7.9%~27.9%，最低相对湿度仅为5.5%^［6］。极端干燥的室内环境不仅直接引发皮肤干裂、鼻孔出血、眼部和呼吸道黏膜干痛等高原生理性病症^［7-8］，而且对人体呼吸系统、心肺功能造成不可逆损伤，增湿已成为全民基本健康诉求。同时，高原低压缺氧环境直接导致人体氧气供给不足，干扰神经系统、呼吸系统、循环系统、消化系统等系统功能，造成人员恶心呕吐、头重脚轻、呼吸紧迫等问题^［9-10］。

基于文献^［11-12］与作者团队前期调研数据分析高原人员湿氧需求，调研时间范围为2 020年3月~2 021年12月，调研地点为西藏拉萨市及周边地区，平均海拔高度为3 650 m。共收集问卷1 507份，有效问卷1 238份，其中来自平原人群（指常年生活在平原的人员）问卷1 003份，进藏人群（指从平原迁移到高原的人员）问卷135份，高原世居人群（指世代居住在高原的人员）问卷100份。受试者均为成年人，服装热阻为1.02~1.06 clo。

不同人群的湿感觉投票如图1所示，进藏人群感到干燥的比例比平原人群增加了33%，湿感觉适中的比例仅为14%，远低于平原及高原世居人群。

不同人群对于氧舒适的评价如图2所示，高原世居人群和平原人群中对当前氧环境感觉舒适的比例分别为84%和72%，而仅24%的进藏人群认为高原当前氧浓度舒适。

因此，高原建筑环境的供氧增湿需求日益凸显，而各类人群供氧增湿需求存在明显差异。移居人员、援藏干部、驻藏官兵、游客、科考求学及其他外来群体对高原供氧和增湿存在迫切需求，以保障其生理功能、工作效率及健康安全^［13-14］。高原世居人群在长期适应低氧极干环境的基础上，仍需通过改善建筑环境来降低慢性病风险并提升生活质量。

目前，高原建筑加湿多采用自然蒸发式、蒸汽式和水雾式等传统平原加湿设备，但在低压极干条件下其产生湿组分蒸发速率显著增加，运动速度衰减过快，现有加湿设备不完全适用于高原建筑室内湿环境调控。对于氧环境营造技术而言，国家标准GB/T 35414《高原地区室内空间弥散供氧（氧调）要求》和地方标准DBJ 540004《西藏自治区民用供氧工程设计标准》相继颁布，虽然各类室内氧环境营造设备及系统逐渐兴起，但多见于制氧设备和富氧系统技术改进，缺乏建筑氧环境营造基础理论依据和设计方法的支撑。

2 西藏高原室内湿氧环境营造关键科学问题与认识

2.1 高原人员生理适应与建筑湿氧需求理论

高原环境的低压、低氧、低温和低湿往往相互耦合作用于人体，形成叠加效应，显著影响整体舒适度（见图3）。因此，研究其影响机理是理解高原人群适应特征的基础^［15-16］，而世居、外来、长短期进藏等各类人群因人体适应程度存在呼吸、体温调节机制差异，需考虑差异化舒适性参数体系^［17］。

通过客观生理指标提供可量化的干燥缺氧生理反应，并基于主观感知补充心理与行为层面的表现，综合形成缺氧干燥的“生理指标-主观感知-综合指数”综合评价三维方法，可为高原建筑环境的湿、氧舒适度优化提供可靠依据。

2.2 低压条件室内供氧气流流动及传质特性

已有研究表明^［18-19］，相比常压条件，低压环境中供氧气流氧组分扩散更快，总体扩散呈现“分子扩散增强而掺混扩散受限”的特征，中心浓度衰减速率和半宽增长速率与常压条件存在差异。同时，密度差所带来的有效浮力项对射流轨迹影响增强，导致同一横向位置处的中心速度和浓度衰减幅度改变。

相同供氧速度下，低气压条件使动压减小，传统“速度-距离”经验曲线预测衰减准确性降低。在供氧过程中需通过提高初始动量（适当增大喷速或喷口直径）、采用多点小喷口错列、轻微仰角射流，可延缓弯折并提升可达距离。但送风速度过高会增加直冲不适与噪声，需要以目标区最低氧浓度与可接受风速为双约束进行权衡。可采用目标区控制优先原则，靠近呼吸带布置小流量、多点、低温差的微射流或微孔渗流，减少宏观弯折的不确定性，采用分区浓度传感与风速监测，基于最低氧浓度阈值（如工作区不低于25%或按工况限值）实施调节。设计阶段应按低压修正后的动量与稀释需求核算送风口数与供氧量，优先选择可调角度与可变流量末端，修正经验系数，出现明显弯折或局部富氧时及时调整仰角、喷速等参数，在低压环境下实现满足最低氧浓度、兼顾舒适与安全的高效供氧。

2.3 低压极干条件湿气流流动及蒸发传质特性

供湿气流主要包括气相（水蒸气）供湿气流与气液两相（液滴-水蒸气）供湿气流。高原低气压与极端干燥条件协同影响下，供湿气流与常压常湿条件存在显著差异。如图4所示，对于气相水蒸气供湿气流，低压条件使得气流卷吸率显著增强、扩展角增大，水蒸气与空气密度差变小，供湿气流浮力特性改变，扩散系数增大。同时，极端干燥条件使得湿气流与环境空气存在较大蒸汽浓度梯度，传质速率增加。

对于气液两相液滴-水蒸气供湿气流（见图5），相关研究表明^［20-26］，低压条件使得液滴蒸发速率显著加快，液滴运动过程发生改变，供湿气流与空气掺混作用加强，同时湿气流受力平衡、扩散轨迹明显区别于常压条件，且水蒸气扩散系数显著增大。在高原极端干燥条件影响下，环境水蒸气浓度极低，湿扩散驱动势增加，液滴蒸发速率增加^［27-28］。

当现有基于常压条件设计的湿源直接用于高原建筑时，低压条件下湿组分更易向室外（湿汇）逃逸，湿度场有效增湿水平降低，且受供湿气流动态影响增强。同时，在低压与极端干燥协同作用下湿组分强烈相变蒸发，使得湿源附近形成低温区。可见，平原常压条件的湿组分传热传质特性、湿气流衰减扩散过程描述方法等基础理论不再适用于高原地区，高原适宜性湿环境营造基础理论与设计方法亟待提出。

综上所述，为准确刻画低压极干条件氧湿气流流动及传质特性，首先应根据环境压力对空气密度、氧气/水蒸气扩散系数及喷口初始动量通量进行修正。不同压力条件下氧气和水蒸气在空气中的扩散系数可近似按式（1）进行压力修正，由此可定义扩散变化系数K_D（式（2））。当温度变化较小时，可认为K_D仅与压力有关，相比101.3 kPa条件50.0 kPa空气中氧气与水蒸气的扩散变化系数约为2.03。同时，相同射流初始速度U_{\mathrm{0}}与出口面积A条件下，射流初始动量通量M随射流密度\rho降低而减小（式（3）），导致射流掺混卷吸作用与运动距离发生变化。随后，以喷口雷诺数Re、弗劳德数Fr、扩散变化系数K_D、射流中心浓度衰减系数K_C、射流半宽增长系数K_b等作为定量判据，最终建立低压修正的氧湿射流贯穿距离、半值宽和目标区域氧湿浓度的计算公式。

D=D_{\mathrm{0}}\frac{P_{\mathrm{0}}}{P}{\left(\frac{T}{T_{\mathrm{0}}}\right)}^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}}（1）

K_D=\frac{D}{D_{\mathrm{0}}}（2）

M=\rho U_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}A（3）

Re=\frac{\rho U_{\mathrm{0}}d}{\mu }（4）

Fr=\frac{U_{\mathrm{0}}}{\sqrt[]{gd}}（5）

\frac{C_C-C_{\mathrm{\infty }}}{C_{\mathrm{0}}-C_{\mathrm{\infty }}}=K_C(P,Re,Fr)\frac{d}{x-x_{\mathrm{0}}}（6）

b\left(x\right)=K_b(P,Re,Fr)(x-x_{\mathrm{0}})（7）

式中：D为计算氧气或水蒸气在空气中的分子扩散系数，m²/s；D_{\mathrm{0}}为基准氧气或水蒸气在空气中的分子扩散系数，m²/s；P和P_{\mathrm{0}}分别为计算环境压力与基准环境压力，Pa；T和T_{\mathrm{0}}分别为计算环境温度与基准环境温度，K；K_D为扩散变化系数；M为射流初始动量，kg·m/s；\rho为射流初始密度，kg/m³；U_{\mathrm{0}}为射流初始速度，m/s；A为射流出口截面积，m²；Re为射流雷诺数；d为射流出口特征长度，m；\mu为动力粘性系数，Pa·s；Fr为射流弗劳德数；g为重力加速度，m/s²；C_C、C_{\mathrm{0}}和C_{\mathrm{\infty }}分别为射流轴线浓度、射流初始浓度和环境浓度；K_C为射流中心浓度衰减系数；x和x_{\mathrm{0}}分别为计算截面与射流出口位置，m；b\left(x\right)为x位置处射流半值宽，m；K_b为射流半宽增长系数。

实际工程应用中，应根据人员呼吸区或活动区的氧浓度、湿度和风速等目标参数范围确定控制区域，基于低压修正的氧湿射流贯穿距离、半值宽和目标区域氧湿浓度的计算公式，确定射流初始速度、出口直径、数量、布置位置及间距等设计参数。后续研究仍需系统实验与数值模拟标定不同环境压力、射流初始参数和供氧供湿控制边界下定量参数范围，最终形成适用于西藏高原建筑的氧湿气流组织设计图谱和工程计算方法。

2.4 不同应用场景建筑湿氧环境营造方法

根据建筑功能属性、目标空间区域、人员氧湿参数需求等，建筑室内湿氧营造方法可分为全空间湿氧营造与局部空间湿氧营造，其中局部空间湿氧营造包括人员活动区局部湿氧营造、办公空间局部湿氧营造和睡眠空间局部湿氧营造（见图6）。

（1）全空间湿氧营造方法

对于大空间，宜采用分区稀释与整体引导相结合的气流组织策略。主气流维持空间整体湿度和氧浓度分布均匀；下部或局部区域通过辅助送风单元进行重点强化，以满足人员集中区的增湿供氧需求。根据空间高度与热压条件，可采用汇冲射流送风、对冲射流送风、转折送风、层式送风、顶部送风、侧送混合或环流布置形式，实现氧气浓度与湿度场的协同分布。

（2）局部空间湿氧营造方法^［29］

人员活动区局部湿氧营造：层式空间宜在人员活动层内构建稳定的“湿化富氧层”，并与上部稀释层分离。气流组织应以人体所在区域为目标导向，并遵循贴近送风原则，优选低速、定向、贴近人体的送风形式，形成稳定的富氧团，避免湍流冲击及外部气流干扰。送风口宜布置在人员呼吸区近侧或上方短距位置，排风（或回风）布置在远离人员的一侧或高位，维持稳定的单向气流或弱循环。

办公空间局部湿氧营造^［30］：办公空间强调认知效率，需较高氧浓度与温度偏凉的环境，并结合局部加湿以缓解干燥。

睡眠空间局部湿氧营造^［31-32］：睡眠空间则以生理舒适与稳定供氧为主，宜保持中等氧浓度、相对较高湿度和温暖环境，保障睡眠健康。睡眠空间氧气流分布受供氧速度的影响较大，受供氧温度和氧浓度的影响相对较小，应着重考虑供氧速度的调控。

3 西藏高原建筑供氧增湿产业发展

3.1 供氧产业发展历程与现状

西藏建筑供氧产业因高原低压缺氧环境而发展，旨在改善民众健康和生活质量。该产业从政府主导的民生工程起步，逐步走向市场化、多元化，形成覆盖技术研发、设备制造、供氧服务等体系^［33］。如图7所示，2000年前以深冷空分和高压瓶、液氧罐为主，特征是设备庞大、能耗高、运输受限；2000—2015年期间，PSA技术逐渐成熟并进入医疗与家庭领域，形成了液氧储存与中心供氧并行的体系；2015年以后，技术进入多元化与智能化阶段，PSA/VPSA基本成熟，出现了电解制氧与新型储氧材料等探索方向，供氧环节则开始与HFNC、弥散供氧及物联网监控系统结合。

西藏供氧企业总体可分为四类：设备制造类、系统集成类、销售流通类和建筑应用类。设备制造类负责制氧、储氧等核心设备的研发与生产；系统集成类承担供氧系统的设计、安装与调试；销售流通类主要从事设备经销、配件供应与售后服务；建筑应用类聚焦住宅、办公、学校等民用建筑的供氧系统运行与维护。四类企业协同构成了高原地区从设备制造到建筑应用的完整供氧产业链。如图8所示，2015—2025年，西藏地区供氧相关企业总体呈“先快增、后平稳”的趋势。2015—2017年行业处于起步阶段，企业数量较少，平均每年新增企业约10家以内。2018—2020年迎来爆发期，特别是2018年达到高峰（设备制造类8家、系统集成类7家、销售流通类4家、应用服务类3家）。2021—2025年行业逐渐趋稳，年新增量约保持在5~15家之间，市场格局趋于成熟。

3.2 增湿产业发展历程与现状

西藏的加湿技术发展与我国整体工业加湿技术演进同步，但受高原环境影响，技术应用滞后于平原地区，加湿企业以中小型为主，且更注重“供氧+加湿”一体化解决方案。如图9所示，2010年前加湿设备依赖区外企业供应，本地注册企业几乎为零。2010—2015年首批本地企业成立，西藏专注加湿业务的企业约3~5家。2015—2020年加湿相关企业快速增长，由17家增长至64家。2020年至今，在绿色工业政策推动下，加湿企业数量稳步增长。

目前，西藏的室内环境调控技术应用已从零散的个体设备向系统化、规模化方向发展。与相对成熟的供氧技术相比，针对高原特殊环境的增湿技术研发与应用仍处于起步阶段，面临着理论基础薄弱、技术适应性差和系统集成度低等多重挑战。

4 发展路径与建议

西藏高原“低压、低氧、低温、低湿”的极端环境对建筑宜居水平与人员健康构成了严峻挑战。经过多年发展，西藏高原建筑供氧增湿行业已从初期的零散探索进入了系统化、规模化工程建设的关键阶段，呈现出成效显著但深层次问题凸显的复杂局面。为系统性解决当前问题，引领西藏高原建筑供氧增湿高质量发展，可通过三步走战略的阶梯式发展路径，实现高原建筑宜居水平综合提升。

（1）基础保障与标准化建设阶段（2030年前）：优先面向学校、医院、养老院、党政办公场所、重大工程营地及边境哨所等人员密度较高、运行管理相对集中、健康保障需求突出的建筑类型。技术路线宜以集中式或半集中式供氧系统、分区弥散供氧系统^［34］和基础加湿系统为主，重点保证氧浓度（23%~25%）、相对湿度（≥30%）满足人员基本健康需求。

（2）精准调控与局部强化阶段（2030—2035年）：面向办公、睡眠、酒店等人员位置相对固定、个体差异明显场景，进行人员活动区或呼吸区湿氧精准调控。研发适应于不同场景的个性化氧湿协同送风末端产品，实现按需供氧和按需加湿。重点评价局部目标区域氧浓度与相对湿度的稳定性、不均匀系数、响应时间、人员舒适度、供氧增湿效率等^［35-36］。

（3）低碳集成与智慧运维阶段（2035—2040年）：实现高原普通住宅和一般性公共建筑供氧增湿基本普及，关注系统能耗与智慧运维。供氧增湿系统与光伏、储能、余热回收、能源管理系统耦合，形成高原建筑低碳综合能源环境系统^［37-38］。同时，通过“人员-建筑-系统”智慧运维模式，实现人员健康舒适、系统高效节能。

5 结语

本文基于现有研究，系统梳理了西藏高原湿氧环境营造现状及需求、关键科学问题、供氧增湿产业发展与阶段性技术路径，未来需克服理论基础薄弱、技术适应性差和系统集成度低等多重挑战，全面推进高原建筑湿氧环境营造技术集成与示范工作，实现高原人居环境质量稳步、有效、全面提升。

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基金资助

西藏自治区重点研发与转化重大专项(XZ202501ZY0121)

国家自然科学基金(52322801)

国家自然科学基金(52525801)

国家自然科学基金(U24A20161)