高海拔地區(qū)工程隔絕時間的計算

羅 丹, 王玉輝

(成都市人防建筑設(shè)計研究院，四川成都 610015)

高海拔地區(qū)工程隔絕時間的計算

羅 丹, 王玉輝

(成都市人防建筑設(shè)計研究院，四川成都 610015)

現(xiàn)行工程設(shè)計規(guī)范中，隔絕防護時間的計算方法只適用于低海拔地區(qū)。文章結(jié)合高原醫(yī)學(xué)和航天醫(yī)學(xué)的研究成果，根據(jù)高原缺氧對人體機能的影響，提出了適用于不同海拔地區(qū)工程隔絕時間計算的呼吸量控制下的二氧化碳(CO2)指標法。

海拔高度; 隔絕防護; 時間

在工程通風(fēng)設(shè)計中，隔絕時間是工程保障的重要指標，也是隔絕式防護設(shè)計的基礎(chǔ)。目前工程隔絕防護時間的計算公式?jīng)]有考慮空氣氣壓及含氧量變化對允許隔絕時間的影響，因此，只適用于氧氣充足、氣壓與標準大氣壓相差不大的低海拔地區(qū)。

隨著海拔高度的升高，空氣中的含氧量隨著氣壓的降低而減少。經(jīng)驗表明，隨著海拔的增高，防護工程的允許隔絕時間也明顯減少。隔絕時間取決于人在低氣壓和低含氧量條件下的生理反應(yīng)。高原醫(yī)學(xué)和航天醫(yī)學(xué)的相關(guān)內(nèi)容成為了其計算的基礎(chǔ)，本文通過分析高原缺氧對人體機能的各種影響，以典型的呼吸性高原反應(yīng)為代表，提出了呼吸量與氣壓成反比的假定；根據(jù)已有的資料進行統(tǒng)計分析，推導(dǎo)出空氣中CO2濃度和人體呼吸量關(guān)系的計算公式；考慮高原氣壓對人體呼吸量的影響及CO2濃度和人體呼吸量對人體呼吸量的共同作用，導(dǎo)出不同海拔高度地區(qū)工程隔絕時間的計算方法，即呼吸量控制下的CO2濃度指標法。該計算方法是對原有標準規(guī)范的補充。

1 現(xiàn)有規(guī)范中工程防護隔絕時間的確定

根據(jù)人防地下室設(shè)計規(guī)范，工程的隔絕式防護時間按下式計算：

t=1000W(CP-C0)/NV

(1)

式中：t為工程隔絕防護時間， h；W為工程有效密閉空間， m3；Cp為工程內(nèi)CO2允許濃度， %；C0為工程內(nèi)CO2本底濃度，可取0.2～0.5%；N為工程內(nèi)人數(shù)；V為每人每1 h呼出的CO2量，可取20～25 L。

2 高原缺氧反應(yīng)和工程隔絕時間的計算基礎(chǔ)

按地理上的分類，高海拔是指1 000 m以上，醫(yī)學(xué)上是按人的生理反應(yīng)來劃分，一般是3 000 m以上。

2.1 高原反應(yīng)與工程的隔絕時間

在青藏高原這樣的高海拔地區(qū)，人體會發(fā)生高原反應(yīng)。工程允許隔絕時間，隨著海拔的增高而降低。隔絕時間的確定，應(yīng)該考慮隨著海拔的增高，人的高原反應(yīng)和工程密閉后CO2濃度增大對人員影響的雙重作用。雖然高原反應(yīng)和工程密閉后CO2濃度增大都是使人缺氧，但是，兩者的性質(zhì)和對人引起的生理反應(yīng)不盡相同。

2.2 高原反應(yīng)的特點簡述

隨著海拔的增高，氣壓降低，引起的人的生理反應(yīng)十分復(fù)雜。醫(yī)學(xué)上對高原反應(yīng)進行了大量的研究，其中也包括航天醫(yī)學(xué)方面的研究。高原反應(yīng)的主要特點有：

(1)高原反應(yīng)的主要癥狀：頭昏、頭痛、惡心、嘔吐、氣短、胸悶、眼花、失眠、嗜睡、食欲不振、腹脹、腹瀉、口唇發(fā)紺。

(2)高原反應(yīng)因人而異；年齡大(40歲以上)比年輕反應(yīng)大；男性比女性反應(yīng)大；不經(jīng)常鍛煉比經(jīng)常鍛煉反應(yīng)大；原籍非高原比原籍高原反應(yīng)大。

(3)高原反應(yīng)的誘因：誘因?qū)Ω咴磻?yīng)影響很大。按照影響的大小，依次為：生病(如感冒等上呼吸道感染等)、寒冷、饑餓、疲勞、精神和其它因素。

(4)人對高原環(huán)境有適應(yīng)能力。初上高原的人，前2～3天反應(yīng)很大，后來反應(yīng)明顯減小。人的心肺功能增加。

(5)高原反應(yīng)的判別式[5]：

(2)

式中：b1、b2為判別系數(shù)，取值分別為0.080和0.028；X1為動脈血氧分壓(PaO2)，kPa；X2為肺泡—動脈血氧梯度(AaDO2)，kPa；Z0為判別臨界值，0.446。

若： Z>Z0，基本無反應(yīng)；Z>Z0，有反應(yīng)。

2.3 CO2的濃度對人的影響

當(dāng)工程密閉后，隨著CO2的濃度增加，氧氣的含量將減少，人的呼吸急促，呼吸量增加，影響人體的pH值。

2.4 隔絕時間的計算

資料表明，大氣層在海拔30 km，盡管隨著海拔的增高，氣壓下降，但空氣的主要組成成份的體積比不變。而根據(jù)氣態(tài)方程，氣體的壓強與體積成反比，因此當(dāng)用體積來衡量空氣量和氧氣量的時候，隨著海拔的變化，空氣氣壓下降的比值等于氧氣分壓下降的比值；也既是每立方米單位體積中含氧量減少的比值。

2.5 呼吸量的認識

高原地區(qū)，空氣稀薄，含氧量隨之減少。有一種通俗的說法，叫做氧氣不足。但這種說法容易帶來誤區(qū)，認為人在高原的耗氧量減少。將人比做一部機器，人的心肺是這部機器的發(fā)動機，在低海拔地區(qū)發(fā)動機能夠正常工作，而在高原時，發(fā)動機的輸出功率下降，但機器所帶的負荷是不變的。由于每1 m3的含氧量下降，人在高原的心肺功能增強，呼吸量增加，有些生理的變化，如血液中紅細胞增多等，但實際的耗氧量(重量)是基本不變的。人員在密閉的工程中，隨著CO2濃度的增加，氧氣的減少，人的呼吸量大大增加。CO2增加1%，相應(yīng)的氧氣含量減少1 %～1.2 %，由人體生理機能調(diào)節(jié)的呼吸量不是按照簡單的比例變化的。盡管人在睡覺、看書、跑步、游泳等不同狀態(tài)時的耗氧量不同，但在同種狀態(tài)下，單位時間一個人氧氣的消耗量，即CO2的呼出量是不變的，這是人的“負荷”決定的。這也是現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)。

3 高海拔地區(qū)工程隔絕時間的確定

在氣壓和含氧量基本恒定的條件下，CO2濃度指標才具有象征意義，用作計算的基本指標。研究表明，人的呼氣量與肺泡上的氧分壓相關(guān)，不同海拔高度大氣中氧氣相對比例基本恒定，故認為呼吸量與氣壓相關(guān)。

3.1 基本假定：

(1)同一狀態(tài)、單位時間人體的耗氧量基本不變；

(2)海拔增高和工程隔絕密閉時CO2濃度的增加，都使人體呼吸量的增加，將考慮兩者疊加，共同作用；

(3)呼吸量作為人體的極限控制狀態(tài)；

(4)適應(yīng)性：人到高海拔地區(qū)，身體內(nèi)的紅細胞增加，時間較長時，心臟將增大。逐漸適應(yīng)高海拔環(huán)境。

3.2 計算方法與步驟

3.2.1 計算方法

呼吸量控制下的CO2濃度指標法。

3.2.2 計算步驟

(1)建立呼吸量增大系數(shù)與CO2濃度的關(guān)系。

資料[4]表明：隨著空氣中CO2濃度的增加，人體的呼吸量也將加大。例如，CO2濃度為2 %時，呼吸量加大50 %；CO2濃度為3 %時，呼吸量加大100 %。

假定人體的呼吸量和空氣中CO2濃度為二次曲線關(guān)系，即：

(3)

式中：Kc為呼吸量增大的倍數(shù)；Cx為工程內(nèi)CO2濃度， %。

根據(jù)Cx=0，Kc=1；Cx=2，Kc=1.5；Cx=3，Kc=2.0求得：

A=B=0.0833；C=1

即：

(4)

(2)海拔L時呼吸量的增大系數(shù):

(5)

式中：P0為零海拔的大氣壓力；PL為L海拔的大氣壓力；φ為高原適應(yīng)性系數(shù)，根據(jù)人員的健康、適應(yīng)等狀態(tài)取值計算，根據(jù)經(jīng)驗取值范圍為0.8～1。

(3)海拔L時呼吸量到極限呼吸量的允許增大系數(shù)：

(6)

式中：K3.0為零海拔的大氣條件下，極限CO2濃度取3 %時，呼吸量的增大系數(shù)；根據(jù)標準的高低，也可取其它的CO2濃度指標和對應(yīng)的呼吸量增大系數(shù)。

(4)將KP代入式(3)，求出許可的CO2濃度CP。

(5)將CP和增大的VL=KLV0代入式(4)，求出允許的工程隔絕時間。

t=1000W(CP-C0)/NVL

(7)

式中：t為工程隔絕防護時間， h；W為工程有效密閉空間， m3；Cp為根據(jù)(3)式計算出的CO2濃度， %；C0為工程內(nèi)CO2本底濃度，可取0.2 %～0.5 %；N為工程內(nèi)人數(shù)；V0為低海拔時，每人每h呼出的基準CO2量，可取20～25 L；VL為根據(jù)海拔高度修正后，每人每h呼出CO2量。

按照上述方法，計算出不同海拔的工程允許隔絕時間見表1(C0=0.2 %，為便于比較最低海拔的隔絕時間取24 h)。

表1 不同海拔工程的允許隔絕時間

4 問題的討論

氣壓隨著海拔高度的變化可以通過有關(guān)通風(fēng)的手冊進行計算，但是，這種方法也是近似的，有一定的誤差。同一海拔下，不同地區(qū)的氣壓是有所不同；同一地區(qū)隨著氣候的變化，氣壓也要發(fā)生變化；同一地區(qū)的不同季節(jié)氣壓和空氣的含氧量也所不同。

前面的論述中把人比喻為一部機器，則這部機器是很精妙的。對于不同的個體，雖然處在相同的外界低氧條件下，其反應(yīng)情況卻不相同，這與機體的代償功能密切相關(guān)。根據(jù)個體呼吸循環(huán)功能的特點和相應(yīng)的缺氧不良反應(yīng)表現(xiàn)，將缺氧反應(yīng)劃分為三個類型。

(1)呼吸型。以呼吸代償為主，呼吸功能代償比循環(huán)功能代償占優(yōu)勢，通氣量增加較多，肺泡氧偏壓增高，但過度換氣明顯，肺泡CO2分壓偏低，易發(fā)生循環(huán)功能代償障礙和出現(xiàn)惡心、欲吐、面白、冷汗等植物性神經(jīng)功能紊亂癥狀。

(2)循環(huán)型。以循環(huán)代償為主，循環(huán)功能增強明顯，肺泡氧偏壓偏低，肺泡CO2分壓偏高，不易發(fā)生循環(huán)功能代償障礙和出現(xiàn)植物性神經(jīng)功能紊亂癥狀，但腦抑止癥狀較重，如困倦、嗜睡等，嚴重缺氧時易發(fā)生意識障礙，即意識模糊或意識喪失。

(3)均衡型。呼吸循環(huán)代償保持均衡，相互協(xié)同較好，缺氧不良反應(yīng)較輕，發(fā)生循環(huán)功能代償障礙或意識障礙較少。

空氣中含有大量的氮氣，氮氣可以沖淡高氧的作用，氮氣不被肺泡吸收，可使肺泡不至于塌餡。長時間處在高濃度氧中，人也會發(fā)生氧中毒。

根據(jù)人體的生理反應(yīng)，有的資料[3]將海拔分為不同的區(qū)域，海拔1 500 m以下是無反應(yīng)區(qū)；海拔1 500～3 000 m是工作保證區(qū)；海拔3 000～4 000 m是工作允許區(qū)；海拔4 000～5 000 m是安全區(qū)；海拔5 000～7 000 m是耐限區(qū)。

本文提出的計算方法是以四個假定為前提，對于第一個假定，從現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)資料和經(jīng)驗來看，是符合實際的。對于第二、三、四條假定，有關(guān)的生理研究表明，由于機體的代償功能，人的呼吸量不會都隨著大氣壓力的變化按照比例增加的。這兩條假定的意義在于：其一、這種假定只具有典型代表意義，一方面它是研究群體中的個體代表；高原反應(yīng)因人而異，有人能在不戴氧氣條件下，登上6 000～7 000 m高的雪山；而另一些人到拉薩高原反應(yīng)都很嚴重。另一方面典型呼吸型的低氧反應(yīng)代表其它類型的低氧反應(yīng)。其二、只要呼吸量隨著海拔高度和CO2的變化曲線能對研究對象的整體起到恰當(dāng)?shù)目刂谱饔?，則不必強求曲線本身的精確度。即只要求按照這種方法計算結(jié)果的正確性和準確度，而不要求假定本身的正確性與準確度，盡管兩者有一定關(guān)系。

應(yīng)該注意醫(yī)學(xué)研究和工程研究的差別。醫(yī)學(xué)研究是以人為本，群體的價值來源于個體，因此醫(yī)學(xué)研究重視微觀個體的具體分析；而工程的著眼點應(yīng)放在宏觀群體統(tǒng)計的意義上。幾乎缺氧反應(yīng)的所有資料都來源于醫(yī)學(xué)研究，由于人體機能的復(fù)雜性，過分注重個體微觀分析將使工程研究無所適從。

無論從3%的CO2濃度指標，還是呼吸量增大兩倍，都可以看出表1計算出的指標并不能代表一般工程項目人員正常工作和生活的指標，它是幾乎極限狀態(tài)下的指標。

由于高原反應(yīng)是人們在高海拔地區(qū)生活和工作不可避免的，因此，其通風(fēng)工程的相關(guān)指標在一般(非加壓、加氧)的情況下完全能夠防止和消除高原反應(yīng)是不現(xiàn)實的。CO2濃度、呼吸量指標的選取成了客觀環(huán)境、工程的需要與可能的平衡取舍，不同標準下指標之間的差異，將隨海拔高度的升高而加大。

盡管本計算方法還需要實驗的進一步論證與完善，但從已做的調(diào)查分析來看，它符合許多西藏工作人員和去過西藏人員的一般經(jīng)驗。按照相關(guān)資料，5 000 m以下為人員的安全區(qū)。對于地下工程，5 000 m可作為一般通風(fēng)方式(無專門供氧措施)的極限值。

5 結(jié)束語

我國地域遼闊，尤其是西部的云貴高原、青藏高原地區(qū)，隨著其工程項目的增多和建設(shè)標準的提高，通風(fēng)空調(diào)的指標研究成為一個日趨重要的課題，在這方面相關(guān)的國內(nèi)外的研究成果較少，有的甚至是空白。

本文提出的呼吸量控制下的CO2濃度指標法，計算不同海拔條件下工程的隔絕防護時間，主要是基于高原醫(yī)學(xué)和航天醫(yī)學(xué)的部分相關(guān)成果提出的，結(jié)合了筆者本人和他人在高原工作的一些主觀經(jīng)驗。其適用性并未經(jīng)過專項研究和全面系統(tǒng)分析，其參數(shù)φ值等也缺乏科學(xué)客觀的確定依據(jù)和原則。希望相關(guān)的單位和個人，開展相關(guān)研究，彌補規(guī)范和標準的缺陷，以更好地為西部建設(shè)服務(wù)。

[1] 祁章年.航天環(huán)境醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[2] 呂永達.高原醫(yī)學(xué)與生理衛(wèi)生[M].天津：天津科技翻譯出版社，1995.

[3] 王登高,石元剛.軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)[M].北京：軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，2000.

[4] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[5] 尹韶云, 謝印芝.急性高原反應(yīng)的診斷和處理原則[J].衛(wèi)生標準，1997,15(5).

[6] 解好群.急性高原反應(yīng)分析研究[J]. 高原醫(yī)學(xué)雜志，2000,10(2).

羅丹(1963～),男, 高級工程師，主要從事防護工程的設(shè)計與研究。

TU834.3

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[定稿日期]2015-04-01