Качество внутреннего воздуха в XXI веке: влияние на комфорт, производительность и здоровье людей

P. Ole Fanger, профессор, директор Международного центра качества среды обитания и энергосбережения при Датском техническом университете, почетный член НП «АВОК»

Хотя кондиционирование воздуха сыграло свою положительную роль в экономическом развитии стран с теплыми климатическими условиями, отношение к нему во всем мире неоднозначно. Тщательные исследования работы систем кондиционирования в реальных условиях в Европе, Азии и Америке выявили, что имеется значительное количество людей, неудовлетворенных системами кондиционирования, установленными в зданиях. Причем среди них есть люди, страдающие симптомами SBS (Sick Building Syndrome – синдром «нездорового» здания), несмотря на то, что в помещениях соблюдаются требования существующих стандартов и рекомендаций. Можно предсказать, что в XXI веке предпочтения людей будут сдвигаться от обычного качества комнатного воздуха к отличному. На основании имеющейся информации и результатов новейших исследований могут быть сформулированы пять принципов новой философии отличного качества воздуха в помещении:

1. Более высокое качество воздуха в помещении увеличивает производительность труда и уменьшает симптомы «нездорового» здания.

2. Все источники загрязнения внутреннего воздуха должны удаляться.

3. Для людей, находящихся в помещении, воздух постоянно должен быть прохладным и сухим.

4. «Персональная вентиляция», т. е. подача чистого воздуха в небольших количествах, должна осуществляться очень мягко и индивидуально, вблизи зоны дыхания каждого человека.

5. Должно обеспечиваться индивидуальное управление климатическими параметрами в помещении.

Предполагается, что эти принципы обеспечения отличного качества внутреннего воздуха будут сочетаться со значительными усилиями для повышения эффективности использования энергии и качества жизнеподдержания.

Качество внутреннего воздуха. Введение

Кондиционирование воздуха в зданиях имеет большое значение для экономического развития регионов с теплыми климатическими условиями или с жарким летом. Имеются многочисленные примеры положительного влияния кондиционирования воздуха, например, в странах Восточной Азии, в которых в течение последних 30 лет наблюдался значительный экономический рост, который вряд ли был бы возможен без повсеместного использования систем кондиционирования.

В настоящее время системы кондиционирования воздуха используются во многих частях света, часто в комбинации с устройствами отопления и вентиляции в рамках систем ОВК. Однако отношение к таким системам не всегда положительное. Назначением большинства систем является обеспечение теплового комфорта и приемлемого качества воздуха в помещении для находящихся в этом помещении людей. Однако многочисленные исследования в реальных условиях выявили существенную степень неудовлетворения качеством внутреннего воздуха во многих зданиях. Одна из основных причин этого заключается в низких требованиях существующих стандартов и рекомендаций для систем вентиляции. Основная идея этих документов сводится к необходимости обеспечения качества внутреннего воздуха (IAQ – Indoor Air Quality), которым будет не удовлетворена только определенная часть людей (скажем, менее 15, 20 или 30 %), в то время как остальная часть воспримет его как довольно приемлемое. Эта же идея применяется и для обеспечения теплового комфорта. Такая философия, которой руководствовались при разработке систем ОВК, привела на практике к появлению значительного количества недовольных людей (что и предсказывалось), в то время как лишь весьма немногие готовы характеризовать качество воздуха в помещении как отличное. Одновременно имеются сообщения о многочисленных случаях отрицательного воздействия на здоровье людей: множество людей страдают от синдрома «нездорового» здания, отмечается резкое увеличение случаев аллергии и астмы, связанных с низким показателем IAQ.

Мы полагаем, будет справедливо сказать, что качество внутреннего воздуха во многих зданиях с системами кондиционирования воздуха или механической вентиляции является совершенно посредственным, даже несмотря на то, что могут соблюдаться все существующие стандарты. В новом столетии нам необходимо сместить акценты для поиска решений по обеспечению отличного качества внутреннего воздуха. Нашей целью должно быть обеспечение воздуха, который воспринимался бы как свежий, приятный и повышающий тонус, не оказывающий отрицательных воздействий на здоровье. При этом температурные условия должны восприниматься как комфортные почти всеми находящимися в помещении людьми. При достижении этой цели должно быть уделено должное внимание повышению эффективности использования энергии и качеству жизнеподдержания. Возникает вопрос, имеем ли мы достаточно информации для реализации этого на практике. При ответе на этот вопрос мы можем отметить, что по тепловому комфорту мы действительно имеем обширную базу данных, в то время как наши знания по качеству внутреннего воздуха все еще представляются неполными. Это отражает сложность взаимосвязи качества воздуха в помещении и комфорта и здоровья людей. Однако мы все-таки имеем определенную информацию по IAQ. Кроме того, новые важные исследования привели к созданию методов проектирования будущих пространств с системами кондиционирования и вентиляции воздуха, удовлетворяющих потребностям людей.

В этой статье обсуждаются некоторые принципы и результаты новейших исследований, которые, как нам кажется, очень важны для обеспечения в будущем отличного качества воздуха в помещении.

Производительность труда и качество внутреннего воздуха в помещении

Проводившиеся не так давно четыре независимых исследования показали, что качество внутреннего воздуха в помещении оказывает значительное влияние на производительность служащих.

В одном из исследований использовалось хорошо контролируемое обычное офисное помещение (как лаборатория с реальными условиями). В этом помещении обеспечивались два режима качества воздуха при помощи включения или исключения дополнительного, невидимого для служащих, источника загрязнения воздуха. Эти режимы отвечали новым европейским рекомендациям для проектирования систем обеспечения качества воздуха в помещении, в зданиях с низкими и повышенными условиями загрязнения. Одни и те же люди выполняли смоделированную офисную работу в обоих режимах от 4 часов до 0,5 часа. Расход вентиляционного воздуха и другие факторы окружающей среды были одинаковыми для обоих режимов. Выявилось, что производительность служащих при режиме с хорошим качеством воздуха была на 6,5 % выше (Р < 0,003), у них отмечалось меньшее число ошибок и они испытывали меньшее количество симптомов синдрома «нездорового» здания (рис. 1).

Рисунок 1. Влияние загрязнения воздуха в помещении на производительность труда, например, на количество символов, набираемых на компьютере	Рисунок 2. Влияние на производительность труда расхода вентиляционного воздуха

Это исследование, выполненное в Дании, было затем повторено в Швеции, и при этом получены сходные результаты.

Третье исследование проводилось в Дании, в лаборатории с реальными условиями, с теми же источниками загрязнения, но с различными уровнями расхода вентиляционного воздуха: 3, 10 и 30 л/с на человека. Оказалось, что производительность резко возрастает с увеличением интенсивности вентиляции (рис. 2). Во всех этих трех исследованиях, проходивших в семи экспериментальных режимах и с участием 90 человек, проводился совместный анализ влияния воспринимаемого качества воздуха на производительность труда. Представленные на рис. 3 результаты показывают значительное влияние воспринимаемого качества воздуха на производительность труда в офисных помещениях. Улучшение воспринимаемого качества воздуха на 1 дециполь увеличивает производительность на 0,5 %. Результаты трех независимых исследований показывают, что увеличение качества воздуха значительно повышает производительность труда.

В четвертом исследовании с экспериментальными условиями, подобными описанным выше, в качестве дополнительных источников загрязнения применялись произведенные три месяца назад персональные компьютеры. В этом независимом исследовании при работе дополнительных компьютеров было отмечено снижение производительности на 9 % (Р < 0,01) (рис. 4). Кроме того, в три раза увеличилось число недовольных качеством воздуха. В этом эксперименте загрязнение воздуха каждым из компьютеров можно приблизительно оценить на 3 ольфакты (единицы измерения запаха).

Рисунок 3. Зависимость между воспринимаемым человеком качеством воздуха и производительностью труда	Рисунок 4. Необходимые затраты рабочего времени в присутствии и в отсутствии дополнительных компьютеров

Наряду с негативным влиянием воздуха среднего качества на производительность и самочувствие находящихся в помещении людей, недавние исследования показали, что в офисах с недостаточным качеством воздуха наблюдается большее число прогулов, чем в офисах с высоким качеством воздуха. В этой работе, в которой обследовались тысячи служащих крупных компаний, было обнаружено, что число прогулов на треть меньше в тех офисах, в которых расход вентиляционного воздуха вдвое больше обычного, при прочих равных условиях в зданиях.

Хорошо известно, что слишком высокая температура воздуха в помещении отрицательно сказывается на производительности труда. Поэтому в регионах с длительными периодами жаркой погоды кондиционирование воздуха очевидным образом оказывает положительное влияние на производительность. Но упомянутые выше недавние исследования впервые показали, что качество воздуха в помещении также является значительным и важным фактором, влияющим на производительность труда.

Установка качества воздуха выше уровня средних параметров, обеспечиваемых в настоящее время во многих офисных зданиях по всему миру, способна повысить производительность на 5–10 %. Действительные потери, связанные с пониженной производительностью труда из-за посредственного качества воздуха, часто превышают энергетические затраты, капитальные затраты и затраты на обслуживание здания. При расчете затрат в течение всего жизненного цикла здания должна учитываться производительность труда. Часто этот фактор является доминирующим по сравнению со всеми другими затратами, связанными со строительством и обслуживанием здания.

Контроль источников загрязнения и вентиляция

Наиболее очевидным способом повышения IAQ является устранение всех излишних источников загрязнения воздуха в помещении. Их влияние на производительность и проявления симптомов синдрома «нездорового» здания демонстрировалось на результатах упоминавшихся выше исследований. Контроль источников загрязнения успешно использовался также вне помещений, и именно это является причиной того, что качество наружного воздуха во многих городах экономически развитых стран в настоящее время намного выше, чем это было 20 или 50 лет назад.

Новые европейские руководства по качеству воздуха в помещениях (CEN CR 1752) направлены на поощрение проектирования зданий с незначительным загрязнением внутренних помещений и на использование незагрязняющих строительных материалов. Систематический отбор строительных материалов для предотвращения широко известных случаев синдрома «нездорового» здания, вызванных именно загрязняющими строительными материалами, является в настоящее время уже обычной практикой во многих странах, например, в Скандинавии. Источники загрязнений в системах ОВК, снижающие качество воздуха даже до его подачи в кондиционированное пространство, представляют серьезную проблему. Поэтому в будущем должно уделяться самое пристальное внимание выбору надлежащих материалов, компонент и процессов систем ОВК, а также эффективному техническому обслуживанию этих систем.

Контролирование источников загрязнений является очевидным способом обеспечения хорошего качества внутреннего воздуха в помещении с одновременным снижением потребления энергии. Но, как показано в классическом исследовании Сандела (Sundell), интенсивная вентиляция также повышает IAQ и уменьшает количество проявлений симптомов синдрома «нездорового» здания (рис. 5). В этом случае энергетические затраты могут быть уменьшены благодаря эффективной теплоутилизации.

Рисунок 5. Количество проявлений симптомов синдрома «нездорового» здания как функция расхода наружного вентиляционного воздуха в 160 офисных зданиях в Швеции

Как уже указывалось выше, недавние исследования показали, что электронное оборудование, например персональные компьютеры, представляют собой источник значительного загрязнения внутреннего воздуха. Компьютеры загрязняют воздух вследствие того, что имеющиеся в их составе электронные части, нагретые до температуры 60–70 °C, выделяют широкий спектр химических веществ. Хотя максимальное выделение загрязняющих веществ происходит в новых компьютерах, основные детали компьютера служат источником загрязнения на протяжении всего срока его эксплуатации.

Выделения химических веществ имеют небольшую концентрацию, и рассматриваемые по отдельности выделения каждого из них не представляют особой проблемы. Но совместное выделение многих веществ может очевидным образом доставлять людям определенное неудобство. Другие виды электронного оборудования, такие как телевизоры, радиоприемники, проигрыватели компакт-дисков, содержат такие же электронные компоненты, как и компьютеры, и можно предположить, что они также вносят свой вклад в загрязнение воздуха. Сейчас проводится изучение такого оборудования в свете указанной проблемы. Для производителей электронного оборудования очевидным способом решения задачи снижения загрязнения воздуха является использование материалов, уменьшающих выделения, или применение фильтров для очистки воздуха. В то же время пользователи должны быть заинтересованы в ограничении времени работы электронного оборудования и в повышении интенсивности вентиляции.

Подача прохладного и сухого воздуха

В стандартах по вентиляции и влажности воздуха в помещениях в течение десятилетий не уделялось должного внимания. Было принято считать, что относительная влажность до тех пор, пока она удерживается в пределах от 30 до 70 %, является для людей второстепенным фактором. Это мнение основывалось на том факте, что в диапазоне комфортных температур человеческое тело мало чувствительно к изменениям влажности.

Все существующие стандарты и руководства основаны на следующей идее: в помещении имеются определенные источники загрязнения, и вентиляция необходима для снижения концентрации химических загрязнений до уровня, на котором они будут восприниматься как приемлемые для человека. При этом предполагается, что воздух ощущается исключительно органами обоняния, воспринимающими химические вещества, поэтому восприятие зависит только от химического состава воздуха. Из этого следует вывод, что необходимая интенсивность вентиляции не зависит от температуры и влажности. Однако в статье Берглунда и Кейна (Berglund, Cain) 1989 года показано, что температура и влажность влияют на восприятие чистого воздуха в климатической камере.

Новые обширные исследования в Международном центре качества среды обитания и энергосбережения при Датском техническом университете подтвердили, что на воспринимаемое качество воздуха в значительной степени влияют влажность и температура воздуха, который мы вдыхаем. Люди предпочитают сухой и прохладный воздух. Серьезное влияние влажности и температуры на воспринимаемое качество воздуха было доказано в экспериментах, в которых 36 человек оценивали в климатической камере приемлемость воздуха, загрязненного различными типичными строительными материалами.

Рисунок 6. Восприятие чистого воздуха при воздействии внутреннего воздуха с различным уровнем теплосодержания на все тело человека

Как показано на рис. 6, именно совместное влияние влажности и температуры, объединенное в понятии теплосодержания воздуха, наиболее важно для восприятия качества воздуха. Теплосодержание изменялось в помещении при неизменном химическом составе воздуха, и чувствительность к температуре для всего тела сохранялась нейтральной при помощи различной одежды на людях. Приемлемость качества воздуха не изменялась со временем, т. е. адаптации не происходило.

Влияние теплосодержания на приемлемость или на воспринимаемое качество воздуха, выраженное в процентах неудовлетворенных качеством воздуха или в дециполях, весьма значительно. Два других независимых исследования, проводившихся в Международном центре качества среды обитания и энергосбережения, в которых около 70-ти человек подвергались воздействию различным комбинациям влажности и температуры, также показали отличную корреляцию между теплосодержанием и приемлемостью качества воздуха, причем влияние теплосодержания проявилось здесь еще более отчетливо.

Людям очевидным образом нравится ощущение охлаждения респираторного тракта при каждом вдохе воздуха. Это вызывает чувство свежести, которое воспринимается как приятное. Если достаточного охлаждения не происходит, воздух может восприниматься как спертый, душный и неприемлемый. Высокий уровень теплосодержания означает низкую охлаждающую способность вдыхаемого воздуха и, следовательно, недостаточное конвективное и испарительное охлаждение респираторного тракта, в особенности носа. Недостаток должного охлаждения тесно связан с восприятием качества воздуха как плохого. Указанный феномен аналогичен хорошо известному значительному влиянию температуры на воспринимаемое качество напитков, например воды или вина.

Потери тепла при дыхании составляют только около 10 % общих потерь тепла телом, поэтому влажность и температура вдыхаемого воздуха оказывают весьма небольшое влияние на чувство тепла, ощущаемого человеческим телом в целом. Вероятно, именно поэтому влажности почти не предавалось значения. Новые исследования показывают, что локальное влияние температуры и влажности на респираторный тракт и, таким образом, на воспринимаемое качество воздуха на порядок выше, чем ощущение тепла всем телом. Этот новый факт имеет громадные практические следствия. Очевидно, что теплосодержание оказывает большое влияние на требования к системе вентиляции и, следовательно, на потребление энергии.

Последние исследования Фанга (Fang) и др. показали, что при 20 °C, 40 % относительной влажности и небольшом расходе вентиляционного воздуха 3,5 л/с на человека люди воспринимают показатель IAQ как более высокий, чем при 23 °C, 50 % относительной влажности и при расходе вентиляционного воздуха 10 л/с на человека.

Предпочтительно поддерживать умеренно низкую влажность, а температуру – вблизи нижней границы диапазона тепловой нейтральности для тела в целом. Это позволяет повысить воспринимаемое качество воздуха и снизить мощность системы вентиляции. Исследования в реальных условиях показывают, что умеренные температура и влажность воздуха также снижают количество проявлений синдрома «нездорового» здания. Кроме того, умеренные температура и влажность могут потенциально способствовать экономии энергии как в зимнее, так и в летнее время. Из этого следует следующий совет: поддерживайте воздух прохладным и сухим.

Недавние исследования при очень небольшой относительно влажности в диапазоне от 5 до 35 % продемонстрировали, что воздух с небольшой влажностью, даже с меньшей, чем предполагалось ранее, может использоваться без всякого отрицательного воздействия на людей. При 5 % влажности увеличивается частота моргания глаз, что вызывает значительное снижение производительности. А сравнительно низкий уровень относительной влажности от 15 до 20 % может переноситься без отрицательных последствий.

Подача воздуха туда, где он нужен

Во многих вентилируемых помещениях расход наружного воздуха осуществляется из расчета 10 л/с на человека. Из этого количества вдыхается только 0,1 л/с на человека, или 1 %. Остальной воздух, или 99 % подаваемого объема, не используется. Фактически воздух бесполезно растрачивается. К тому же 1 % вдыхаемого вентиляционного воздуха даже не является чистым. Перед тем как он вдыхается, он загрязняется биологическими эманациями, выделениями из строительного материала, а иногда табачным дымом.

Согласно обычной инженерной практике, в идеальном случае должно быть полное перемешивание чистого воздуха и загрязняющих веществ. В системах вытесняющей вентиляции может считаться достижением обеспечение показателя эффективности вентиляции, равного 1,2. Но мы полагаем, что в будущем должны появиться системы подачи сравнительно небольшого количества чистого воздуха вблизи зоны дыхания каждого человека. Идея заключается в том, чтобы подавать каждому находящемуся в помещении человеку свежий воздух, как можно менее загрязненный имеющимися в пространстве источниками загрязнения. Мы остерегаемся пить воду из плавательного бассейна, загрязненную человеческими биологическими эманациями. Но до сих пор мы допускаем потребление внутреннего воздуха в помещении, загрязненного человеческими биологическими эманациями и другими загрязняющими веществами. Почему бы не подавать в небольших количествах высококачественный воздух непосредственно каждому человеку вместо нагнетания больших объемов воздуха среднего качества во все пространство помещения? В офисах такая персональная вентиляция может быть обеспечена при помощи индивидуальных перемещаемых выходных отверстий на рабочем столе (рис. 7). Человек вдыхает чистый, прохладный и сухой воздух из самой середины струи, где воздух еще не смешан с загрязненным внутренним воздухом помещения и имеет небольшую скорость и турбулентность, не вызывающие сквозняка.

Рисунок 7. Принцип персональной вентиляции: прохладный, сухой и чистый воздух в небольших количествах мягко подается непосредственно в зону дыхания человека

Индивидуальный температурный контроль

В зданиях, где в одном пространстве находится много людей, может быть затруднительным в одно и то же время обеспечить тепловой комфорт для каждого человека. Хорошо известно, что предпочтения людей по температуре воздуха могут значительно различаться, поэтому очевидным решением проблемы удовлетворения различных требований является создание в будущем условий для индивидуального температурного контроля. Модификацией личной одежды можно достичь уменьшения разности температуры воздуха для отдельных людей. Но индивидуальный температурный контроль на более высоком уровне может быть в дальнейшем достигнут при помощи излучающих панелей, установленных сзади или над человеком, вмонтированной в кресло системы индивидуального подогрева или охлаждения, или при помощи конвекции, объединенной с персональной вентиляцией.

Заключение

Внутренний воздух во многих зданиях имеет довольно среднее качество и часто является причиной недовольства, даже при соблюдении всех существующих стандартов. Предполагается, что в будущем акценты должны быть смещены от проводимых в настоящее время усилий по уменьшению неудовлетворенности и жалоб к созданию условий для обеспечения отличного качества воздуха в помещениях.

Для реализации этой новой философии отличного качества могут быть полезны следующие принципы:

- более качественный воздух повышает производительность труда и уменьшает количество проявлений синдрома «нездорового» здания;

- людям должен подаваться прохладный и сухой воздух;

- чистый воздух должен в небольших количествах подаваться туда, где он потребляется, т. е. должна быть реализована «персональная вентиляция» с подачей воздуха непосредственно в зону дыхания каждого человека;

- должны устраняться все лишние источники загрязнения;

- для решения проблемы разных температурных предпочтений должен быть обеспечен индивидуальный температурный контроль.

Предполагается, что указанные здесь принципы отличного качества будут объединены с действенными мерами по повышению эффективности потребления энергии и качества жизнеподдержания.