Качество внутреннего воздуха В XXI ВЕКЕ:
В ПОИСКАХ СОВЕРШЕНСТВА 

P. Ole Fanger, доктор наук Директор Международного центра по проблемам внутренней среды в помещениях и энергетике Департамент энергетики, корпус 402 Датский Технологический университет, DK-2800, Люнгбю, Дания

Резюме

Полевые исследования свидетельствуют о наличии значительного числа людей, недовольных качеством среды в занимаемых ими зданиях, в том числе тех, кто страдает от Синдрома нездорового здания (СНЗ, Sick Building Syndrome, SBS), несмотря на соблюдение действующих стандартов и нормативных документов. Причиной тому является низкий уровень требований, предъявляемых действующими стандартами, что приводит к неблагоприятному воздействию среды в помещении на людей. В XXI столетии можно предвидеть сдвиг системы ценностей от довольно посредственного качества среды в помещениях в сторону стремления к его совершенству. Исходя из существующей информации и результатов новых исследований, предлагаются пять принципов, лежащих в основе новой идеологии совершенства:

• более высокое качество воздуха в помещениях повышает производительность труда и сокращает симптомы СНЗ;

• следует избегать источников загрязнения внутри зданий, в которых нет необходимости;

• подаваемый в помещения воздух должен быть прохладным и сухим;

• в зону дыхания конкретного потребителя следует мягко подавать "персонализированный воздух", то есть небольшое количество чистого воздуха;

• следует обеспечивать индивидуальный контроль тепловой среды. Эти принципы совершенства совместимы с задачами энергетической эффективности и устойчивости.

1. Предисловие

Надо признать, что к качеству воздуха в помещениях и вентиляции зданий предъявляют довольно низкие требования. Начиная с 1930-х годов вся идея состояла в том, чтобы обеспечить приемлемый уровень качества воздуха в помещениях (КВП), то есть имелось в виду, что значительное количество людей (по расчету - 15, 20 или 30%) будут недовольны качеством воздуха. Такой ход мысли, отраженный во многих стандартах и руководствах по вентиляции (ASHRAE, 1999; CEN, 1998; ECA, 1992), на практике привел к тому, что, как и предполагалось, значительное число людей недовольны качеством воздуха в помещениях.

То, что столь широкое недовольство качеством среды во многих существующих зданиях действительно имеет место, засвидетельствовано в результатах многочисленных полевых исследований (Fisk и др., 1993; Mendell, 1993; Sundell, 1994; Bluyssen и др., 1996). В этих исследованиях также сообщается, что многие люди страдают от симптомов СНЗ.

Думаю, будет справедливым сказать, что качество воздуха в помещениях во многих зданиях находится на весьма посредственном уровне даже при соблюдении действующих стандартов. В новом столетии нам нужна новая система ценностей, основанная на стремлении к совершенству среды в помещениях. Наша цель должна состоять в том, чтобы воздух в помещении был свежим, приятным и стимулирующим, без отрицательного воздействия на здоровье и чтобы люди, находящиеся в том или ином помещении, считали бы тепловую среду комфортной. При достижении этой цели необходимо уделять должное внимание энергетической эффективности и устойчивости. Имеется ли у нас информация, необходимая для достижения этой цели на практике? Да, мы располагаем всесторонней базой данных по вопросам теплового комфорта, а вот наши познания, касающиеся качества воздуха в помещениях, до сих пор весьма неполны. Это отражает сложность взаимосвязи между качеством воздуха в помещениях и комфортом и здоровьем человека. Но все же у нас есть информация о качестве воздуха в помещениях, а также важные результаты новых научных исследований, которые окажут в будущем значительное влияние на проектирование вентилируемых помещений для человека.

В этой статье обсуждаются некоторые принципы и результаты новых исследований, которые, как мы полагаем, имеют существенное значение для достижения совершенства среды в помещениях.

2. Хорошее качество среды в помещениях оправдано

Результаты новых научных исследований впервые документированно свидетельствуют о том, что хорошее качество воздуха в помещениях оказывает значительное положительное влияние на производительность труда конторских служащих (Wargocki и др., 1999). В хорошо контролируемом обычном конторском помещении - без ведома тех, кто в нем работает - создавали два разных уровня качества воздуха, добавляя и убирая дополнительный источник загрязнения. Эти два режима соответствовали понятиям "здание с низким уровнем загрязнения" (low-polluting building) и "здание с повышенным уровнем загрязнения" (non-low-polluting building) согласно новому Европейскому руководству по проектированию внутренней среды в помещениях (CEN, 1998). Одни и те же люди работали по 4,5 часа, выполняя то, что можно признать типовой конторской работой, при одном, а затем при втором уровне качества воздуха. При обоих режимах кратность вентилирования и все прочие факторы среды были одинаковыми. Выяснилось, что при хорошем качестве воздуха производительность труда испытуемых была на 6,5% выше (P<0,003) (рис. 1); кроме того, они делали меньше ошибок и в меньшей степени испытывали симптомы СНЗ (Wargocki и др., 1999). Это исследование, выполненное в Дании, позднее было повторено в Швеции с аналогичными результатами. Результаты этих "слепых" испытаний показывают, что повышение качества воздуха значительно увеличивает производительность труда. Этот прирост производительности следует сопоставить со стоимостью кондиционирования помещений, которая для административных зданий в развитых странах мира обычно составляет менее 1% от затрат на рабочую силу. Таким образом, существует сильный экономический стимул к повышению качества воздуха в помещениях.

Рисунок 1. Влияние загрязнения воздуха в помещении на производительность труда, а именно на количество символов, набираемых в минуту на персональном компьютере (Wargocki и др., 1999)

Fisk и Rosenfeld (1997) на основе обзора литературы провели оценку экономических потерь в США вследствие заболеваний, невыходов на работу и потерь в производительности труда, вызываемых низким качеством воздуха в помещениях. Seppanen (1999) выполнил аналогичные оценки для стран Северной Европы. Вывод в обоих случаях таков: оценка потерь представляет собой высокую величину в сравнении со стоимостью эксплуатации систем ОВК. Сведения об отрицательном воздействии низкого качества воздуха в помещениях на производительность труда являются новыми, однако при этом имеется больше данных об отрицательном воздействии теплового дискомфорта на производительность труда. Wyon (1996) выполнил превосходный обзор литературы по вопросам соотношения теплового дискомфорта и производительности труда.

3. Контроль источников загрязнения и вентиляция

Не допускать присутствия в помещениях источников загрязнения воздуха, в которых нет необходимости, - вот наиболее очевидный способ повышения качества воздуха в помещениях. Его влияние на производительность труда и симптомы СНЗ показаны в вышеупомянутой работе (Wargocki и др., 1999). Контроль за источниками загрязнения также с большим успехом применяется вне помещений, и как раз по этой причине воздух во многих городах в развитых странах мира сегодня намного лучше, чем 20 или 50 лет назад.

В новом европейском руководстве по вопросам качества среды в помещениях (CR 1752) (CEN, 1998) настойчиво поощряется проектирование зданий с низким уровнем загрязнения и даются рекомендации относительно "чистых" строительных материалов. Систематический подбор материалов с тем, чтобы избежать хорошо известных случаев СНЗ, вызываемых загрязняющими материалами, - общепринятая практика в целом ряде стран, например, в Скандинавии. Наличие источников загрязнения в системе ОВК - это серьезный дефект, ухудшающий качество воздуха еще до того, как он подается в кондиционируемое помещение (Fanger и др., 1988). В будущем следует считать приоритетной задачей выбор материалов, разработку компонентов и процессов, а также обслуживание системы ОВК.

Рисунок 2. Зависимость риска проявления симптомов Синдрома нездорового здания (СНЗ) от кратности воздухообмена в 160 административных зданиях в Швеции (Sundell, 1994)

Контроль источников загрязнения - очевидный способ обеспечения хорошего качества воздуха в помещении, который одновременно приводит к снижению расхода энергии. Однако усиление вентиляции также повышает качество воздуха и уменьшает симптомы СНЗ, как это показали работы Сунделла (Sundell, 1994) (рис. 2). Стоимость энергии, необходимой для усиленной вентиляции, можно минимизировать путем эффективной утилизации тепла.

4. Подаваемый воздух должен быть прохладным и сухим

В стандартах, касающихся вентиляции, десятилетиями упускался из виду вопрос о влажности воздуха в помещениях. Считалось общепринятым, что относительная влажность воздуха - фактор, не имеющий особой важности для человека до тех пор, пока уровень влажности находится в диапазоне примерно от 30 до 70% (ASHRAE, 1999; CEN, 1998; ECA, 1992). Это единодушное мнение являлось следствием того факта, что в пределах комфортного диапазона температур влажность оказывает незначительное воздействие на тепловое ощущение человеческого тела в целом (Fanger, 1970; ASHRAE, 1992; ISO, 1993).

Действующие стандарты и руководства по вентиляции основаны на следующем подходе: в некоем помещении имеются определенные источники загрязнения, и вентиляция требуется для разбавления химических загрязняющих факторов до такого уровня, который человек считает приемлемым. Этот подход предполагает, что воздух воспринимают исключительно органы обоняния и химические рецепторы в носу человека и что это восприятие зависит только от химического состава воздуха. Таким образом, подразумевается, что необходимые параметры вентиляции не зависят ни от температуры, ни от влажности. Однако Берглунд и Кейн в своей работе 1989 года показали, что температура и влажность оказывают влияние на восприятие чистого воздуха в климатической камере (Berglund и Cain, 1989).

Рисунок 3. Восприятие чистого воздуха при разных уровнях энтальпии воздуха в помещении (воздействие на все тело в целом) (Fang и др., 1998)

Новые всесторонние исследования, проведенные в Датском техническом университете, показали, что воспринимаемое качество воздуха в большой мере зависит от влажности и температуры вдыхаемого нами воздуха. Люди предпочитают скорее сухой и прохладный воздух. Сильное влияние влажности и температуры на воспринимаемое качество воздуха было доказано экспериментами, в которых 36 испытуемых в климатической камере оценивали приемлемость воздуха, загрязненного различными типовыми стройматериалами (Fang и др., 1998).

Как видно из рис. 3, существенно важное значение для воспринимаемого качества воздуха имеет воздействие влажности и температуры, сочетающихся в понятии энтальпии воздуха. При постоянном химическом составе воздуха в помещении меняли энтальпию. Тепловое ощущение человеческого тела в целом сохраняли нейтральным (ни слишком тепло, ни слишком прохладно) путем варьирования одежды испытуемых. Приемлемость воздуха с течением времени не менялась, то есть никакой адаптации не происходило.

Рисунок 4. Принцип персонализированного воздуха (ПВ): небольшое количество чистого воздуха мягко подают непосредственно в зону дыхания человека

Воздействие энтальпии на приемлемость или на воспринимаемое качество воздуха, выраженное в процентной доле испытуемых, недовольных этим качеством, или дециполах, оказалось весьма сильным. В двух других независимых исследованиях, проведенных в Датском техническом университете, когда около 70 испытуемых подвергались воздействию многочисленных сочетаний параметров влажности и температуры, также была показана полная корреляция между энтальпией и приемлемостью качества воздуха, причем воздействие энтальпии оказалось еще сильнее (Fang и др., 1998; Toftum и др., 1998).

Людям, очевидно, нравится ощущение прохлады в дыхательных путях при каждом вдохе. Это создает приятное ощущение свежести. При отсутствии правильного охлаждения воздух может создавать ощущение духоты, казаться спертым и неприемлемым. Высокая энтальпия означает низкую способность вдыхаемого воздуха охлаждать и, тем самым, недостаточное конвективное и испарительное охлаждение влажных слизистых оболочек дыхательных путей, прежде всего, носовых. Такое недостаточное охлаждение тесно связано с неудовлетворенностью в восприятии качества воздуха. Это явление аналогично хорошо известному сильному влиянию температуры на воспринимаемое качество напитков, например, воды или вина.

Теплопотери от дыхания составляют лишь около 10% от общей величины теплопотерь человеческого тела, и поэтому влажность и температура вдыхаемого воздуха оказывают лишь небольшое воздействие на тепловое ощущение всего тела. Надо полагать, именно по этой причине влажность не учитывали прежде. Новые исследования показывают, что локальное воздействие температуры и влажности воздуха на дыхательные пути и, следовательно, на воспринимаемое качество воздуха на порядок сильнее, чем в отношении тепловых ощущений всего тела. Эти новые данные имеют огромное практическое значение. Очевидно, что энтальпия оказывает сильное воздействие на требования, предъявляемые к вентиляции, и, тем самым, на энергозатраты. В работе Fang (1999) показано, что люди считают более высоким качество воздуха в помещениях при 20°C и относительной влажности 40% даже при небольшой кратности воздухообмена (3,5 л/с-чел.), чем при 23°C, относительной влажности 50% и кратности воздухообмена 10 л/с-чел.

Рисунок 5. Пример подачи ПВ из выходного отверстия вблизи персонального компьютера на рабочем месте в конторском помещении

Таким образом, выгодно поддерживать влажность на умеренно низком уровне, а температуру - на нижней границе диапазона, необходимого для ощущения тепловой нейтральности для всего тела. Это повысит воспринимаемое качество воздуха и уменьшит потребность в вентиляции. Может показаться удивительным, что даже в зданиях с кондиционированием воздуха в местах с теплым и влажным климатом можно экономить энергию путем поддержания температуры и влажности воздуха в помещении на умеренном уровне. Разумеется, это требует более высокого расхода энергии в расчете на один кубометр для более сильного охлаждения и осушения наружного воздуха, однако это компенсируется меньшим количеством кубометров наружного воздуха, необходимого для вентиляции.

Полевые исследования (Andersson и др., 1975; Krogstad и др., 1991) показывают, что умеренная температура воздуха и умеренная влажность также уменьшают симптомы СНЗ. Совет, таким образом, таков: по целому ряду причин воздух для людей следует подавать прохладным и сухим.

5. Подавать воздух туда, где он используется

Во многих вентилируемых помещениях объем подачи наружного воздуха находится на уровне порядка 10 л/с-чел. Из этого объема вдыхается только 0,1 л/с-чел., или 1%. Остальное, то есть 99% подаваемого воздуха, не используется. А этот 1% подаваемого вентиляцией воздуха, который вдыхают люди, даже нельзя назвать чистым. Он загрязняется в помещении биологическими факторами, факторами, источниками которых являются стройматериалы, а иногда даже и табачным дымом (до того, как его вдыхают).

Согласно обычной инженерной практике, идеальным представляется полное перемешивание чистого воздуха и загрязняющих факторов. В случае использования вентиляционных систем с вытеснением можно достичь несколько более высокую эффективность вентиляции. В будущем, однако, я предвижу такие вентиляционные системы, которые будут подавать относительно малые количества чистого воздуха в зону дыхания каждого человека. Предлагаемая идея состоит в том, чтобы каждый из занимающих данное помещение людей получал чистый воздух, не загрязненный источниками загрязнения, существующими в помещении. Мы бы вряд ли стали пить воду из плавательного бассейна, загрязненную биоэффлуентами человека. Однако же, находясь в помещении, мы согласны вдыхать воздух, который уже побывал в легких других людей и загрязнен человеческими биоэффлуентами и прочими загрязняющими веществами, присутствующими в помещении. Почему бы не подавать воздух высокого качества в небольших количествах напрямую каждому потребителю вместо того, чтобы прогонять через помещение огромные количества воздуха посредственного качества? Персонализированный воздух (ПВ) следует подавать таким образом, чтобы человек вдыхал чистый, прохладный и сухой воздух из сердечника воздушной струи, где подаваемый воздух не перемешан с загрязненным воздухом помещения (рис. 4). В конторском помещении ПВ можно подавать из выходного отверстия вблизи персонального компьютера на рабочем столе (рис. 5). Необходимо при этом подавать воздух "мягко", то есть с малой скоростью и турбулентностью, чтобы не создавать сквозняков (Fanger и др., 1988).

Обратите, пожалуйста, внимание на то, что персонализированный воздух не имеет ничего общего с индивидуальным тепловым контролем для всего тела человека, который следует обеспечивать иными средствами (см. ниже).

6. Индивидуальный тепловой контроль

В зданиях, в которых одно и то же помещение делят много людей, трудно обеспечить тепловой комфорт одновременно для всех. Существуют хорошо известные различия между людьми в уровне предпочитаемой ими температуры. Традиционный подход к решению этой проблемы состоит в стремлении к компромиссу - достижению "оптимальной температуры", при которой как можно меньшее число людей, находящихся в данном помещении, недовольны температурой в нем (Fanger, 1970). Очевидно, что было бы лучше, если бы каждый человек мог контролировать свою локальную среду.

В помещении, где происходит традиционное перемешивание с воздухом, подаваемым вентиляцией, лучше поддерживать умеренно низкую температуру, соответствующую самому низкому уровню предпочтений среди всех обитателей данного помещения. В конторском помещении достаточную прохладу вдыхаемого воздуха может обеспечить уровень, например, 20 или 21°C. Всем остальным людям, для кого это слишком прохладно, потребуется небольшое количество дополнительного умеренного локального обогрева, который они могли бы контролировать с тем, чтобы добиться предпочтительной для них температуры рабочей зоны. Важно, чтобы эти небольшие потоки тепла для обогрева обеспечивались за счет излучения или теплопроводности, благодаря чему воздух в помещении останется прохладным и приятным для дыхания. Следует избегать индивидуального теплового контроля с помощью движения воздушных потоков из-за риска сквозняков (Fanger, 1988).

При использовании принципа персонализированного воздуха необходима отдельная система для обеспечения индивидуального теплового контроля. Следует помнить, что сама идея системы персонализированного воздуха состоит в обеспечении чистого воздуха для дыхания, в то время как задача системы индивидуального теплового контроля состоит в обеспечении нейтральности теплового ощущения для всего тела человека. Система индивидуального теплового контроля в этом случае может также функционировать на основе принципа излучения или теплопроводности; при этом важно, чтобы ее действие не создавало помех высокочувствительному потоку чистого воздуха, подаваемого в зону дыхания в системе персонализированного воздуха.

Новаторское сочетание указанных двух принципов ставит перед инженерами по ОВК сложную задачу достижения совершенства внутренней среды в помещениях.

7. Заключение

Внутренняя среда во многих существующих зданиях отличается весьма посредственным уровнем качества и дает повод для частых жалоб даже при соблюдении действующих в настоящее время стандартов. Можно предвидеть сдвиг в системе ценностей в направлении стремления к совершенству внутренней среды в помещениях в отличие от современных попыток ограничивать степень неудовлетворенности и сокращать число жалоб.

Следующие принципы могут оказаться полезными шагами в реализации подобной новой идеологии совершенства:

• Хорошее качество воздуха оправдано, так как оно приводит к повышению производительности труда и сокращает симптомы Синдрома нездорового здания (СНЗ).
• Воздух, подаваемый для его использования людьми, должен быть прохладным и сухим.
• Небольшое количество чистого воздуха следует подавать туда, где его вдыхают, то есть как "персонализированный воздух", вблизи зоны дыхания каждого человека.
• Следует избегать источников загрязнения, в которых нет необходимости.
• Следует обеспечивать индивидуальный тепловой контроль для решения проблемы различий между людьми в вопросе о желательной температуре в помещении.

Вышеизложенные принципы совершенства совместимы с задачами энергетической эффективности и устойчивости.

Благодарность

Выражаю благодарность Датскому совету по научно-техническим исследованиям за поддержку, которую он оказывает Международному центру по проблемам внутренней среды в помещениях и энергетике.

Статья перепечатана из журнала "Indoor Air", вып. 10, № 2, 2000.

Перевод с английского Б. Рубинштейна.