Качество воздуха и энергоэффективность систем вентиляции общественных зданий

Ю. Д. Губернский, академик РАЕН, проф., доктор медицинских наук, Институт экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина

И. В. Гурина, директор ООО «ЭНОНТЕК», irenagurina@mail.ru

Е. О. Шилькрот, канд. техн. наук, ОАО «ЦНИИПромзданий»

 

Существенное сокращение воздухообмена может обеспечивать адекватное повышение энергоэффективности вентиляционных систем. Естественно, что сокращение воздухообмена не должно вызывать снижения уровня комфортности в помещении.

В статье рассматривается проблема сокращения затрат энергии в системах вентиляции общественных зданий. Системы вентиляции в данном контексте – это система обеспечения качества воздуха в обслуживаемом помещении, то есть создание и поддержание безопасной (комфортной или допустимой) концентрации вредных веществ в воздухе обслуживаемой зоны помещения.

Известны два способа определения необходимого воздухообмена в помещении [1–3] – на основе удельных норм воздухообмена и на основе расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ.

В первом случае необходимое качество воздуха обеспечивается за счет подачи в помещение определенного количества наружного воздуха в зависимости от назначения помещения и режима его эксплуатации; во втором – необходимое качество воздуха обеспечивается за счет подачи в помещение определенного количества наружного воздуха в зависимости от величины и характеристик загрязняющих веществ в помещении.

Применение второго способа, базирующегося на балансе вредностей в вентилируемом объеме, является физически обоснованным и позволяет определять величину необходимого воздухообмена с учетом загрязнений наружного воздуха и уровня комфортности в помещении. Его использование применительно к общественным зданиям затруднительно, так как состав и величина поступающих в помещение вредных выделений часто неопределенны. На практике применяются оба способа или их комбинация.

Попытаемся установить величину необходимого воздухообмена в помещении методом баланса вредностей на примере административного здания.

Будем полагать:

- состав, величину поступающих в помещение вредных выделений и режим работы вентиляции установившимися;

- определяющим вредным веществом в помещении является выдыхаемый людьми углекислый газ, СО₂ [2, 4, 5];

- эквивалентом (качественным и количественным) вредных веществ, генерируемых помещением (ограждения, мебель, ковры и т. п.), также является углекислый газ [2, 4, 5];

- воздухообмен в помещении организован по схеме «перемешивающей» вентиляции, коэффициент эффективности воздухообмена К_с ≡ 1.

Указанные предпосылки являются обычными при анализе качества воздуха в общественных зданиях [6] и позволяют записать следующие уравнения баланса вредных выделений в вентилируемом помещении.

(1)

(2)

В формулах (1) и (2):

G_чел, G_пом и G_∑ – соответственно вредные выделения в помещении: от людей, от помещения (СО₂), суммарные, л/ч;

G_чел = nG^уд_чел,
где nG^уд_чел и n – соответственно удельные вредные выделения (СО₂), от человека, л/ч чел., и число людей в помещении;

G_пом = f_пл G^уд_пом,
G^уд_пом и f_пл – соответственно удельные вредные выделения (СО₂), от помещения, л/ч м², и площадь пола помещения, м²;

ПДК и С_пр – соответственно предельно допустимая концентрация СО₂ в воздухе помещения и в приточном (наружном) воздухе, мл/м³, ppm^*.

Количество выдыхаемого человеком углекислого газа зависит от вида его деятельности. В табл. 1 представлены данные о генерации углекислого газа при работе в офисе.

Таблица 1 Количество выдыхаемого человеком углекислого газа при работе в офисе

Вид деятельности Gчел, л/ч Источник информации Работа в офисе 23 Справочник по теплоснабжению и вентиляции [8] 27 Национальная спирометрическая ассоциация США 24 Информация, полученная из различных источников в Интернете

В дальнейших расчетах примем G_чел = 24 л/ч.

Несколько сложнее обстоит дело с определением количества углекислого газа («эквивалента» вредных выделений), самим помещением.

Обратимся к данным стандарта ANSI/ASHRAЕ Standard 62-2001, 2004 [9] и европейского стандарта ЕN 15251 [4], в которых устанавливаются значения удельного воздухообмена дифференцированно – от людей и от помещения. Удельные значения воздухообмена для ассимиляции вредных выделений от помещения отнесены к 1 м² пола.

В стандарте ANSI/ASHRAE предлагаются следующие значения удельных показателей для помещений офисов:

L^чел_удел = 9,0 м³/ч·чел. и L^м2_удел = 1,1 м³/м² при плотности размещения 20 м²/чел.

Таким образом, расход воздуха на 1 человека составит 31,0 м³/ч.

Значения удельных показателей для помещений офисов в стандарте ЕN устанавливаются в зависимости от класса офиса:

L^чел_удел = 36–14,4 м³/ч·чел. и, соответственно, L^м2_удел = 7,2–2,9 м³/м².

Таким образом, расход воздуха на 1 человека составит 123,0–50 м³/ч.

Причины столь существенной разницы величин воздухообмена между стандартами ANSI/ASHRAE и ЕN рассмотрены нами в [8].

Воспользуемся данными стандарта ЕN 15251 для оценки выделений углекислого газа (эквивалента вредных выделений) помещениями различной степени комфортности.

Значения G_пом может быть определено по формуле

(3)

если известны значения концентрации углекислого газа в приточном, как правило, наружном воздухе С_пр и значение ПДК или их разность.

В табл. 2 представлены данные по величине воздухообмена в помещениях административных зданий.

Таблица 2 (подробнее) Величина воздухообмена в помещениях административных зданий (стандарт EN 15251)

Стандарт EN 15251 перекликается с европейским стандартом EN 13779, теперь это национальный стандарт во всех странах, устанавливающий 4 категории качества воздуха в помещении: от IDA 1 – высокое качество до IDA 4 – низкое качество.

Данные табл. 2 показывают, что выделения углекислого газа от людей и от помещения одинаковы для всех помещений. Изменение величины воздухообмена объясняется разницей в концентрации СО₂ в помещениях разных категорий; в помещениях категории I она меньше, чем в помещениях категорий II и III.

В табл. 3 приведены величины превышения концентрации углекислого газа в обслуживаемой зоне помещения относительно наружного воздуха для различных категорий качества воздуха.

Таблица 3 Классификация качества воздуха помещений (стандарт EN 13779)

Категория Характеристика Превышение концентрации CO2 в помещении относительно концентрации в наружном воздухе, ppm Предельное Расчетное IDA 1, (I) Высокое качество воздуха помещения <400 350 IDA 2, (II) Среднее I качество воздуха помещения 400–600 500 IDA 3, (III) Среднее II качество воздуха помещения 600–1 000 800 IDA 4 Низкое качество воздуха помещения >1 000 1 200

В этом же стандарте приводятся данные по концентрации углекислоты в атмосферном воздухе, которая составляет:

• в сельской местности без значительных источников загрязнения – 350 ppm;
• в маленьких городах – 400 ppm;
• в центре городов – 450 ppm.

По отечественным данным [11], в середине 1960-х годов концентрация СО₂ в атмосферном воздухе составляла примерно:

• 360 ppm – в малых населенных пунктах;
• 440 ppm – в средних городах;
• 550 ppm – в крупных городах.

Данные табл. 2 и 3 позволяют по формуле (3) оценить величину вредных выделений, эквивалента СО₂, генерируемой помещением с учетом разделения офисов на 3 категории (I –III) и на 2 группы по экологической чистоте помещений.

Установим разность концентраций углекислоты в воздухе помещения (от выдыхаемого воздуха) по данным стандарта EN 15251 при условии ее генерации человеком 24 л/ч.

Соответственно, получим: 240 ppm (помещения категории I); 340 ppm (помещения категории II); 600 ppm (помещения категории III).

Таким образом, величина вредных выделений (эквивалент СО₂), рассчитанная по формуле (3), составит:

- в помещениях с низким загрязнением 1,2 л/ч·м² – для всех категорий помещений;

- в помещениях с высоким загрязнением 2,4 л/ч·м² – для всех категорий.

Установим теперь значения ПДК в воздухе помещений различных категорий.

В отечественных нормативных документах, CНиП и СанПин, концентрация углекислоты в воздухе помещений не устанавливается. Только в отраслевом нормативном акте «Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте» указывается, что концентрация углекислого газа в воздухе помещений в зоне дыхания пассажиров и в помещениях, где находятся билетные кассиры, не должна превышать 1 000 ppm.

В справочнике по теплоснабжению и вентиляции [7] приводятся значения ПДК для помещений с постоянным и периодическим пребыванием людей, которые составляют, соответственно, 1 000 и 1 250 ppm.

Влияние углекислого газа на работоспособность и состояние людей исследовалось в ряде отечественных и зарубежных работ [6, 12–17]. Значение ПДК для углекислого газа может быть принято как из их анализа, так и из современных зарубежных стандартов.

О. В. Елисеева [17] провела детальные исследования по обоснованию ПДК СО₂ в воздухе жилых и общественных зданий. Используя специальную методику исследований, автор пришла к выводам о том, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в концентрациях 500 и 1 000 ppm вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращения и электрической активности головного мозга. Полученные данные позволили заключить, что концентрация СО₂ в воздухе жилых и общественных зданий не должна превышать 1 000 ppm независимо от источника, среднее же содержание СО₂ не должно превышать 500 ppm.

Исследования, проведенные на Тайване [16], позволили установить, что под воздействием летучих органических соединений и углекислого газа при уровне выше 800 ррm в организме сотрудников офиса наблюдается рост количества маркеров, свидетельствовавших о негативных изменениях в ДНК. Количество маркеров напрямую связано со временем нахождения человека в помещении.

Современные исследования свидетельствуют, что при уровне СО₂ выше 800 ppm сотрудники офисных зданий испытывали симптомы «синдрома больного здания» (СБЗ): раздражение слизистых оболочек, сухой кашель, головная боль, снижение работоспособности, воспаление глаз, заложенность носа, воспаление носоглотки, проблемы, связанные с дыхательной системой, сухой кашель, головная боль, усталость и сложность с концентрацией внимания. Ряд исследователей считает, что углекислый газ является одной из главных причин развития СБЗ [12, 14].

Измерения в офисах Москвы показали, что в ряде офисов концентрация углекислоты достигала 2 000 ppm и выше [8]. Проблема повышенной концентрации углекислого газа в офисных помещениях существует в ЕЭС, США, Канаде и во многих других странах.

Исследования, выполненные под руководством Ласло Кайтара (L. Kajtar) [15], о влиянии углекислого газа на организм людей в помещении (уровень загрязнения антропотоксинами и другими веществами был сведен к минимуму), показали, что по сравнению с 600 ррm СО₂ увеличение концентрации углекислоты до 1 500 и 3 000 ppm вызывает у человека отклонения в физическом состоянии и в работоспособности, в частности, в способности концентрировать внимание.

В табл. 4 представлены значения ПДК СО₂, включенные в нормативы ряда ведущих стран.

Таблица 4 Значения ПДК углекислого газа в воздухе обслуживаемой зоны помещения

Страна Нормы Уровень СО2 Финляндия Стандарт. Министерство здравоохранения и социального развития (2003) Качество воздуха (ppm): Высокое – 700 Среднее – 900 Удовлетв. – 1 200 США Рекомендации. Департамент здравоохранения США. Рекомен- дации по качеству воздуха в школах Предельный уровень – 1 000 ppm США Нормы ASHRAE 62-1989 «Вентиляция для нормального качества воздуха» 1000 ppm США Рекомендация Американской ассоциации промышленных гигие-нистов (ACGIH) 1998 г. 600 ppm США Рекомендация Национального института профессиональной безопасности и здравоохранения (NIOSH) 1987 г. 600 ppm США Рекомендация Управления по технике безопасности и гигиене труда (OSHA) 1994 г. 800 ppm Великобритания Нормы «Вентиляция в школьных зданиях. Руководство по стан- дартам и проектированию» 2006 г. 1 500 ppm – предельная норма для учебного дня с 9:00 до 15:30 Голландия Гигиеническая норма «Обзор норм по качеству воздуха для дет- ских садов Голландии» 1 000 ppm – гигиеническая норма для детских садов 1 200 ppm – гигиеническая норма для школ Эстония Нормы Министерства по социальным вопросам 1 000 ppm – гигиеническая норма для школ

Как видно из представленных материалов, рекомендации по концентрации СО₂ в помещениях в странах ЕЭС и США близки между собой, в основном это 600–1 000 ppm.

Анализ данных табл. 2–4 позволяет предложить следующие значения ПДК, соответствующие разной степени комфортности помещений (табл. 5).

Таблица 5 Значения ПДК углекислого газа в обслуживаемой зоне помещений, ppm

Категория помещения Низкая загрязненность Высокая загрязненность I ≤ 600 ≤ 800 II ≤ 800 ≤ 1 000 III ≤ 1 000 ≤ 1 200

Сопоставлением данных табл. 4 и 3 установим требования к концентрации углекислого газа в наружном воздухе (табл. 6).

Таблица 6 Значения концентрации углекислого газа в наружном воздухе

Категория помещения Низкая загрязненность Высокая загрязненность I ≤ 350 ≤ 500 II ≤ 350 ≤ 500 III ≤ 350 ≤ 500

Теперь имеющихся данных достаточно, чтобы установить удельную величину генерации углекислоты (эквивалента вредных выделений) помещением.

Если принять С_пр = С_нар = 350 ppm, то для G_пом = 0,125 л/с·м² значение ПДК для помещений I, II и III категорий составит соответственно 600, 800 и 1 000 ppm, и расчет необходимого воздухообмена, основанный на балансе вредных выделений в обслуживаемом помещении, обеспечивающий требуемое качество воздуха и учитывающий загрязнение наружного воздуха, не представляет трудностей.

Рассмотрим два примера.

Пример 1.

Рассчитать воздухообмен в помещении офиса II категории площадью f = 30 м². Офис (с низкой загрязненностью) расположен в зеленой зоне. Число работников в помещении – 4 человека. ПДК = 800 ppm.

Определяем поступления СО₂ от людей:

G_чел = 4 х 24 = 96 л/ч.

Определяем поступления СО₂ от помещения:

G_пом = 30 х 0,125 х 3,6 = 13,5 л/ч.

Определяем общие поступления СО₂ в помещение:

G_Σ = 96 + 13,5 = 109,5 л/ч.

ΔС = ПДК – С_нар = 800 – 350 = 450 ppm.

Величина воздухообмена по формуле (2):

Величина воздухообмена соответствует принятой сегодня норме 60 м³/ч на человека.

Пример 2.

Рассчитать воздухообмен в помещении офиса I категории площадью f = 30 м². Офис (с высокой загрязненностью) расположен в городе. Число работников в помещении – 4 человека. ПДК = 600 ppm.

Определяем поступления СО₂ от людей:

G_чел = 4 х 24 = 96 л/ч.

Определяем поступления СО₂ от помещения:

G_пом = 30 х 0,125 х 2 х 3,6 = 27,0 л/ч.

Определяем общие поступления СО₂ в помещение:

G_Σ = 96 + 13,5 = 123,0 л/ч.

ΔС = ПДК – С_нар = 800 – 500 = 300 ppm.

Величина воздухообмена по формуле (2):

Величина воздухообмена существенно превышает значения, принятые сегодня.

 

Очевидно, что в помещениях I категории, как с высокой, так и низкой загрязненностью, вентиляция необработанным наружным воздухом, по крайней мере, проблематична. Выход из сложившейся ситуации представляется в использовании адсорберов углекислоты из наружного (или рециркуляционного) воздуха.

До настоящего времени в основном существуют установки, абсорберы, для удаления углекислого газа из выбросов промышленных производств. В промышленности абсорберы регенерируются либо путем химической реакции, либо под действием высоких температур, ряд материалов теряет свои абсорбирующие свойства при каждой регенерации. Все это является неприемлемым для жилых и общественных помещений.

Различные способы удаления избытка углекислого газа уже давно применяются на космических кораблях и подводных лодках, а также в бомбоубежищах. Для удаления углекислого газа используют натровую известь (часто ее называют натронной) – смесь гашеной извести с едким натром, которая активно поглощает воду и СО₂. Для связывания углекислоты, выделяемой одним человеком в течение суток в помещении объемом 6 м³, нужно 5 кг этого поглотителя. Известь не регенерируется, поэтому при длительном пребывании в закрытом объекте нужно иметь большие запасы извести, что очень неудобно. В космических кораблях, например, стали применять для связывания углекислоты патроны с гидроокисью лития. Для поддержания безвредных концентраций СО₂ для двух человек в течение суток достаточно патрона весом 200 г. Такой поглотитель использовали в системе жизнеобеспечения кораблей «Шаттл».

Современным методом удаления избытка углекислого газа из помещения является применение абсорбента, использующего специальный материал на основе аминосоединений. Когда абсорбирующая емкость материала использована полностью, она легко регенерируется теплом без потери своих свойств. Регенерация проводится нагреванием абсорбента. Срок службы абсорбента – 10–15 лет в зависимости от условий эксплуатации.

Абсорбер углекислого газа представляет собой кассеты, помещенные в металлический корпус; в корпусе находится две или более кассет. В то время как одна кассета накапливает СО₂, удаляя его из воздуха, другая (другие) регенерируются, что позволяет поддерживать заданные параметры по уровню СО₂ непрерывно. Количество сорбирующего вещества рассчитывается в зависимости от задаваемых условий. Чем ниже концентрация углекислого газа, которую необходимо поддерживать в помещении, тем большее количество абсорбента потребуется. Абсорберы углекислого газа работают по заданной программе и не требуют частого обслуживания. Сервисное обслуживание включает в себя смену фильтров предварительной очистки, частота смены зависит от качества воздуха, поступающего в них, как правило, это 6–9 месяцев. Кассеты с абсорбентом при нормальной эксплуатации не требуют замены в течение 10–15 лет (этот срок зависит от условий эксплуатации). Поэтому трудозатраты по обслуживанию абсорберов СО₂ минимальны.

Установка абсорберов в систему приточной вентиляции позволяет снизить концентрацию углекислого газа в помещении до заданных значений. Существуют также абсорберы углекислого газа, которые могут работать без встраивания в вентиляционные системы.

Абсорберы могут размещаться как на наружном, так и на рециркуляционном воздухе.

На рис. 1 представлена возможная схема размещения абсорбера на рециркуляционном воздухе.

Рисунок 1. Пример установки абсорбера углекислого газа в систему рециркуляции воздуха в помещении

На рис. 2 – график изменения концентрации углекислоты в помещении при установке абсорбера, иллюстрирующий его эффективность.

Рисунок 2. Изменение концентрации СО2 в помещении

Рассмотрим эффективность применения абсорбера на примере.

Пример 3.

Рассчитать воздухообмен в помещении офиса I категории площадью f = 30 м². Офис (с высокой загрязненностью) расположен в городе. Число работников в помещении – 4 человека. ПДК = 600 ppm.

Определяем поступления СО₂ от людей:

G_чел = 4 х 24 = 96 л/ч.

Определяем поступления СО₂ от помещения:

G_пом = 30 х 0,125 х 2 х 3,6 = 27,0 л/ч.

Определяем общие поступления СО₂ в помещение:

G_Σ = 96 + 37 = 123 л/ч.

ΔС = ПДК – С_нар = 600 – 500 = 100 ppm.

Величина воздухообмена по формуле (2):

Оценим эффективность применения абсорбера в условиях примера 3.

Снижение концентрации СО₂ в наружном приточном воздухе в 2 раза (250 вместо 500 ppm) позволит уменьшить воздухообмен в помещении c 1 230 до 350 м³/ч.

Соответственно, уменьшение воздухообмена за отопительный период в Москве (165 рабочих дней, 10 часов в день) составит 1,45 х 106 м³/год. Сокращение расхода тепла соответственно – 11,7 х 103 кВт·ч в год.

При тарифе на тепло 0,8 руб./кВт·ч стоимость сэкономленного тепла составит 9 360 руб./год.

Сокращение расхода электроэнергии на транспорт воздуха ориентировочно составит 0,4 кВт, или за год 1 200 кВт·ч.

При тарифе на электроэнергию 2,5 руб./кВт·ч стоимость сэкономленной электроэнергии составит 3 000 руб./год.

Сокращение расхода электроэнергии на выработку холода для системы кондиционирования воздуха может быть оценено в 1,8 кВт, или за год 530 кВт·ч. Стоимость сэкономленной электроэнергии составит 1 330 руб./год.

Таким образом, общая годовая экономия энергии от использования абсорбера углекислоты составляет: по теплу – 11,7 х 103 кВт·ч; по электроэнергии – 1 730 кВт·ч. Стоимость сэкономленной энергии – 13,7 тыс. руб./год.

Стоимость современного абсорбера для приточной системы вентиляции производительностью 400 м³/ч составляет примерно 400 тыс. руб., то есть срок его окупаемости, как минимум, вдвое больше эффективного срока службы.

Широкое применение абсорберов для экономии энергии станет возможным только при резком, на порядок, снижении его стоимости. Однако абсорберы углекислого газа нельзя рассматривать только как устройства, которые способны сэкономить энергию. Применение абсорберов необходимо при отсутствии альтернативы. Например, для обеспечения качества воздуха в помещениях, как правило, небольшого объема, когда загрязнение наружного воздуха существенно или когда по тем или иным причинам нет возможности подавать с помощью вентиляции необходимое количество воздуха для поддержания комфортного и безопасного уровня углекислого газа в помещении, а абсорберы являются дополнением к вентиляции.

Вместе с тем, предложенный метод расчета необходимого воздухообмена в помещениях общественных зданий позволяет учитывать концентрацию углекислоты в наружном воздухе, уровень комфортности (качества воздуха) в помещении, изменение режимов эксплуатации систем вентиляции.

Литература

1. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
2. ASHRAE 62–1999. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.
3. Стандарт АВОК-1-2004. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена.
4. European standard EN 13779:2005. Ventilation for non-residential buildings — Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.
5. ГОСТ Р ЕН 13779-2007. Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к системам вентиляции и кондиционирования.
6. C. A. Erdmann, K. C. Steiner, M. G. Apte. Indoor carbon dioxide concentrations and sick building syndrome symptoms in the base study. Revisited: analyses of the 100 building dataset / Indoor Environment Dept., Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA.
7. Справочник по теплоснабжению и вентиляции в гражданском строительстве. – Киев : Госстройиздат УССР, 1959.
8. Губернский Ю. Д., Шилькрот Е. О. Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? // AВОК. – 2008. – № 4.
9. ASHRAE Standard 62-2001, 2004. Ventilation for Acceptable Air Quality.
10. EN 13779:2007. Ventilation for non-residential buildings – performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.
11. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
12. Clements-Croome DJ. Work performance, productivity and indoor air // SJWEH Suppl. 2008, (4).
13. Olli Seppаnen. Tuottava toimisto 2005 / Raportti b77. Loppuraportti, 2005.
14. Adrie van der Luijt. Management CO2 levels cause office staff to switch off / Director of Finance online. 11.19.2007.
15. Kajtar L., et al. Influence of carbon dioxide pollutant on human well being and work intensity // Healthy Buildings. Lisbon, Portugal. 2006.
16. Chung-Yen Lua, Yee-Chung Maa, Jia-Min Lina, Chun-Yu Chuangc, Fung-Chang Sunga. Oxidative DNA damage estimated by urinary 8-hydroxydeoxyguanosine and indoor air pollution among non-smoking office employees. Institute of Environmental Health, National Taiwan University College of Public Health.
17. Елисеева О. В. К обоснованию ПДК двуокиси углерода в воздухе // Гигиена и санитария. – 1964. – № 8.

* ppm – миллионная доля вещества в смеси. Например, концентрация СО₂ в воздухе составляет 1 000 ppm, то есть в 1 м³ содержится 500 х 10^-6 = 0,5 л/м³ СО₂.