Воздухообмен в зданиях

В районах с суровым климатом традиционно присутствует стремление минимизировать работу вентиляции для того, чтобы избавиться от малейших утечек тепла, обеспечение которого в зданиях всех типов там является первостепенной задачей.

Действующие стандарты, определяющие минимальные значения расхода вентилированного воздуха отличаются чрезмерной обобщенностью. В них не учитываются такие важные факторы, как производительность труда, эффективность учебного процесса, количество людей в помещении и прочее подобное. Кроме того, сами требования очень умеренны, согласно им достаточно обеспечения хоть сколько-то приемлемого качества воздуха в помещении. Здесь не учитываются потребности людей с обостренной чувствительностью к качеству воздуха, которых насчитывается до 20% от общего числа населения.

Фактически, если руководствоваться существующими нормами, доля удовлетворенных микроклиматом людей получится совсем незначительной. При этом последние исследования наглядно доказывают, что достаточно повысить качество воздуха в помещении всего в 2-4 раза по сравнению с нормативами, чтобы добиться весомого роста производительности труда и уровня учебного процесса. Одновременно значительно подает количество случаев возникновения аллергических и астматических заболеваний.

В данной статье исследуются пути, позволяющие повысить качество вентиляции в помещениях, однако при этом не получить существенный рост расходов на отопление помещений, что чрезвычайно актуально ля северных и прочих районов с суровым климатом.

Введение

В районах с холодным климатом стремление избавиться от утечки тепла через минимизацию работы вентиляции, на первый взгляд кажется вполне логичным. Но ведет оно зачастую к ухудшению качества воздуха. Но что именно подразумевается под качеством воздуха? Это можно характеризовать уровнем удовлетворенности микроклиматом людей, пребывающих в помещении. В чем именно должна выражаться такая удовлетворенность?

Прежде всего, в возможности дышать воздухом, не оказывающим негативного воздействия на самочувствие и здоровье. Кроме того, хочется, чтобы атмосфера была свежей и приятной. Было бы неплохо, если бы воздух в комнате положительно сказывался на активности и производительности.

Можно ли такие пожелания выразить в химических терминах? При желании, это возможно, поскольку именно различные химические вещества, которые выделяются людьми и предметами интерьера помещения определяют качество воздуха внутри. То есть. Задача сводится к тому, чтобы добиться как минимум приемлемой концентрации в воздухе всех присутствующих веществ. Если говорить о методах, не связанных с вентиляцией, добиться этого невозможно, поскольку в воздухе растворяются тысячи различных элементов, и для борьбы с каждым из их видов необходимо применять свои способы.

Причем проблемой уже станет даже то, как наладить постоянное определение концентрации тех или иных взвесей, не говоря об исследовании их пользы или вреда для человеческого здоровья. Существующие сейчас пороговые рекомендации касаются всего нескольких десятков разновидностей веществ, наиболее опасных для человека.

Как же в таком случае оценивать граничные значения для запахов или проявления раздражающего аллергического эффекта от множества взвешенных составов? То, что можно узнать из профильной литературы, часто кардинально отличается между собой в разных источниках, причем говорится преимущественно о концентрациях, чувствительных минимум для 50% находящихся в помещении людей при условии, что это единственное в комнате вещество, загрязняющее воздух, а ведь в реальности так не бывает.

Достаточно большая категория людей с повышенной чувствительностью способна различать химические соединения в концентрациях, на порядки ниже той, которая указывается. Для многих неприятным становятся разнообразные «коктейли» из нескольких химических веществ. А ведь необходимо помнить, что существует обширная категория веществ, даже чрезмерная концентрация которых ощущается как что-то приятное, но в то же время она губительна для организма, причем реакция разных людей на одно и то же вещество может быть противоположной. Немалой проблемой является и то, что ряд разновидностей веществ практически не поддается измерению при относительно низкой, но гарантированно вредной концентрации.

Одним из решений данной проблемы можно назвать контролированное применение реакции органов чувств человека для прямого определения уровня качества воздуха в помещении. Это означает, что при таком подходе качественным будет назван воздух, который будет назван приемлемым большинством людей в помещении. Теоретическая база для такого метода была создана еще в 1930-х годах, когда проводились достаточно масштабные исследования влияния различных составов воздуха на контрольные группы людей.

В 1988 на основании полученных результатов специалисты предложили использовать по умолчанию такую сенсорную единицу, как ольф, выражающий сенсорную нагрузку на обоняние. Ощущаемое качество внутреннего воздуха было предложено определять в процентах, исходя из количества неудовлетворенных им людей. Использование этих параметров позволяет рассчитывать проектные нагрузки на вентиляцию, которые нужны для получения качественного воздуха в различных типах помещений. Все чаще озвучивается мнение, что сенсорные измерения гораздо лучше методики химического анализа. На сегодняшний день на основе данных измерений сформирована система стандартизации (даже две системы: CEN и ASHRAE). Данные стандарты определяют воздух удовлетворительного качества как такой, который не нравится максимум трети людей в помещении. Что еще более важно, этими стандартами определяются базовые требования к вентиляции.

Как качество воздуха в жилом помещении влияет на развитие аллергических и астматических заболеваний?

Каждые 10 лет астматиков и аллергиков становится примерно вдвое больше. Еще в 2004 появилось предположение, что главная причина этой проблемы – существенное падение качества внутреннего воздуха, и в особенности это касается жилья, где люди проводят больше всего времени.

Факторами ухудшения внутренней атмосферы необходимо назвать применение все меньшего количества натуральных материалов и их замену недостаточно проверенными составами, а также использование все большего числа активных электронных устройств, которых сейчас очень много везде, в том числе в детских комнатах. В Скандинавии было проведено масштабное исследование взаимосвязи между астматическими/аллергическими заболеваниями и качеством воздуха, в результате которого проверку прошли более 11 тысяч детей. В двухстах домах со здоровыми детьми, и в аналогичном их количестве с больными астмой были выполнены тщательные замеры химических и биологических параметров. Следует отметить, что все дома расположены в зоне с отличным, качественным наружным воздухом.

Результаты подтвердили взаимосвязь между аллергическими симптомами и вентиляцией. Четырехкратный рост интенсивности вентиляции, ведущий к улучшенному воздухообмену в помещении существенно снижает вероятность заболевания аллергией, примерно на 50%. Также результаты исследования позволили установить взаимосвязь между уровнем концентрации фталатов и астматическими заболеваниями риском заболевания. Снижение с помощью вентиляции концентрации фталатов примерно в 7 раз позволяет на 30% уменьшить риск заболеть. Таким образом, была доказана прямая взаимосвязь между качеством вентиляции в жилых домах и риском заболеть астмой или аллергией.

Влияние качества воздуха в офисных зданиях на производительность труда

Согласно данным целого ряда независимых исследований качество внутреннего воздуха в офисных помещениях непосредственно влияет на производительность труда. В ходе одного такого исследования в стандартном офисе были созданы различные зоны с воздухом, существенно различающимся по общему качеству. Причем разница обеспечивалась в том числе наличием типового для таких помещений напольного покрытия, являющегося важным источником загрязнения воздуха в комнате. Следует отметить, что в каждом из случаев условия определялись в рамках директив действующих стандартов CEN.

Те же люди на протяжении 4,5 часов работали в зонах с разным качеством воздуха. В результате удалось определить, что хорошее качество автоматически дало прибавку к производительности в 6,5% при существенной минимизации ошибок и ненужных действий. Первичное исследование было проведено в Дании, в потом повторено в Швеции. Результаты получились практически аналогичными.

Еще одно исследование провела специализированная датская лаборатория. Оно базировалось на тех же источниках загрязнения воздуха, но при трех разных параметрах расхода воздуха из вентиляции: 3, 10 и 30 литров в секунду на одного человека. В результате удалось в очередной раз подтвердить, что каждое повышение нормы приточного воздуха позволяло существенно повысить общую производительность труда. Все эти исследования были совместно проанализированы специалистами.

Всего было смоделировано 7 различных ситуаций и протестировано 90 человек. В итоге окончательный вывод только подтвердил промежуточные: качество воздуха имеет очень большое значение для обеспечения нормальной производительности труда офисных работников. Были выработаны достаточно четкие рекомендации, которые сводятся к тому, что оборудование помещений в офисах системами эффективной вентиляции – это вопрос не только здоровья, но и качества труда сотрудников.

После этого было проведено еще одно интересное исследование, в котором условия труда были дополнены персональными компьютерами в качестве дополнительных источников загрязнения воздуха. Постепенно в офисе устанавливалось все большее количество ПК, и это в итоге привело к снижению производительности труда примерно на 9%.

Компьютеры загрязняют воздух, создают шум и дополнительную тепловую нагрузку. Все это негативно сказывается на способности человека концентрироваться на выполнении своих профессиональных обязанностей. К концу эксперимента число сотрудников, неудовлетворенных уровнем качества внутренней атмосферы, выросло почти втрое. В дальнейшем исследовалось влияние ПК различных марок и конструкций.

В ходе работ удалось определить, что современные мониторы с плоскими экранами в наименьшей степени загрязняют воздух, и поэтому более всего предпочтительны при использовании в офисах. Еще раз положительное влияние чистого воздуха на производительность сотрудников подтвердилось в результате экспериментов с вентиляцией. В одном и том же здании попеременно для очистки воздуха использовались новые и изношенные фильтры. В каждом случае наблюдался резкий всплеск производительности при установке новых фильтров. Кстати, во всех предыдущих экспериментах новые фильтры не применялись вовсе.

Авторы исследований стремились получить максимально реалистичные результаты, основанные на факторе вентилирования на том уровне, на котором оно обычно осуществляется. А мало где фильтрам уделяется должное внимание, и они практически никогда не заменяются в положенные сроки. Из сопоставления результатов исследований можно сделать выводы, что сами фильтры в изношенном состоянии являются дополнительным источником загрязнения воздуха, поскольку во всех исследованиях при старых фильтрах производительность росла существенно слабее, чем при новых.

В целом, можно утверждать, что достаточно повысить качество внутреннего воздуха примерно в пять раз, чтобы получить прирост производительности сотрудников на уровне 5-10%. И это глобальный показатель, который за год позволит получить огромную коммерческую выгоду, с лихвой перекрывающую все необходимые затраты на приведение в порядок вентиляционной системы или даже монтаж совершенно нового оборудования.

Влияние качества воздуха в школах на процесс обучения

Документально подтверждено, что качеству воздуха в школах уделяется минимум внимания. Часто затраты на вентиляцию урезаются до предела с целью общей экономии. Однако, такой подход не позволяет существенно сократить глобальные расходы школ, зато его негативное воздействие может быть очень ощутимым.

Недавно была проведена серия исследований касательно эффективности школьного обучения. В экспериментах принимали участие десятилетние ученики параллельных классов. Среди прочего определялось значение качества вентиляции в эффективности школьного обучения. Еженедельно дети получали серии заданий по всем основным предметам обучения, от гуманитарной, до математической направленности. В вентиляции использовались только чистые фильтры, а эксперименты проводились над интенсивностью подачи воздуха. Практика показала, что увеличение объема свежего приточного воздуха на одного ученика с 5 до 10 литров за секунду позволило получить рост продуктивности решения задач на целых 15%. То есть, удалось подтвердить, что увеличение качества воздуха в помещении всего вдвое привело к резкой активизации детей и их умственных способностей.

Какого качества внутренний воздух необходим чувствительным людям?

По действующим стандартам приемлемым считается воздух, даже если он не удовлетворяет 20-30% наиболее чувствительных людей. Это очень плохо, что сейчас разрешено проектировать здания, в которых условия будет некомфортными практически для каждого четвертого посетителя, сотрудника или жильца. Но какие есть способы снизить долю недовольных состоянием воздуха, например, до 1% или другого минимального значения?

Согласно проводимым ранее исследованием для достижения подобных результатов необходимо повысить качество воздуха в помещении в 10-20 раз в зависимости от того, какими параметрами он обладает изначально. Сделать это только за счет увеличения интенсивности вентиляции невозможно, поскольку понадобится невероятно большой расход воздуха и до недопустимого значения увеличится потребление энергии. Здесь нужны несколько другие методики, среди которых необходимо выделить:

  • контроль над основными источниками загрязнения воздуха;
  • внедрение систем очистки воздуха;
  • разводка индивидуальной вентиляции по помещениям и рабочим местам;
  • создание комфортного микроклимата за счет охлаждения и осушения воздуха.

Контроль над основными источниками загрязнения

Это первый комплекс мероприятий, которые необходимо осуществить, добиваясь повышения качества воздуха.

В наибольшей степени воздух портят такие источники загрязнений, как:

  • вентиляционные фильтры;
  • применяемые отделочные материалы;
  • ПК.

Как это не удивительно, но больше всего могут вредить вентиляционные фильтры, которые при ненадлежащем техническом состоянии ухудшают общее качество воздуха, еще только на пути к вентилируемому пространству. При этом каждое увеличение расхода проходящего через фильтр воздуха приводит к росту выделения загрязняющих веществ, ранее захваченных и собранных этим же фильтром. В итоге качество воздуха как минимум не повышается, а часто становится даже хуже. Именно этот факт является причиной того, что увеличение расхода вентиляционного воздуха при обеспечении помещения механической вентиляции если и улучшает качество воздуха, то совсем немного.

Этим же объясняется, почему случается так, что в некоторых зданиях с естественной вентиляцией воздух лучше, чем в сооружениях с механическими приточно-вытяжными системами. Чтобы избежать подобных проблем нужно регулярно чистить или менять воздушные фильтры. Еще лучшим вариантом станет переход на альтернативные устройства, предназначенные для фильтрации воздуха. Но защищенные от накапливания и дальнейшего прорыва частиц загрязнений.

Что касается загрязнения из-за отделочных материалов, то здесь строго рекомендуется отказаться от использования марок, выделяющих фталаты и диэтилгексилфталаты. Также специалисты не советуют использовать напольные покрытия, не прошедшие соответствующие тщательные испытания. В ближайшие годы ожидается существенное изменение требований к производствам различных напольных покрытий, которые должны стать существенно более жесткими, что в перспективе изгонит из рынка марки, под которыми поставляется заведомо вредная продукция.

На данный момент зафиксированы предложения снизить граничные значения выделения химических веществ с 0,1 ольф/м2 до до 0,02 ольф/м2 по CEN. Это позволит сделать сооружения в несколько раз более комфортными для людей, чувствительных к качеству воздуха. Также следует отметить, что многие отделочно-декоративные материалы способны не выделять вредные вещества, а наоборот, поглощать пыль и другие соединения из воздуха, тем самым частично очищая его. Еще в 2005 году было проведено исследование, согласно результатам которого удалось подтвердить, что специальные сорбирующие материалы на основе сухой штукатурки способны в значительной степени изменять внутренний микроклимат в положительную сторону.

Еще один распространенный источник загрязнений - компьютерные мониторы с электронно-лучевой трубкой. Фактически, сейчас их уже практически невозможно купить. Однако огромное количество офисов все еще укомплектовано такой устаревшей и откровенно опасной техникой. Отказ от нее сразу положительно скажется на атмосфере в офисном здании, даже если больше не будут проведены никакие другие мероприятия. В целом, придерживаясь данных рекомендаций, можно даже без существенной модернизации вентиляции с повышением ее мощности добиться уменьшения показателей загрязнения внутреннего воздуха примерно в четыре раза, если говорить об офисных зданиях.

Внедрение систем очистки воздуха

Очистка внутреннего воздуха от пыли и посторонних газов – это во всех случаях многообещающее направление увеличения качества воздуха, которое способно даже частично заменять вентиляцию, по крайней мере, не форсируя ее мощность для достижения положительного результата. Сейчас активно разрабатываются разнообразные технологии очистки воздуха, в том числе сорбция и фотокатализ. Особенно эффективен последний метод, в частности, при фильтрации распространенных в общественных и офисных зданиях.

Для типовых многосоставных смесей воздуха использование указанных методов часто становится оптимальным вариантом, позволяющим получить высокое значение снижения загрязненности, доходящее до 80%. Другими словами, такая очистка позволяет добиться снижения концентрации загрязнений в воздухе практически в пять раз. Правда, здесь следует оговориться, что до вывода данных технологий на рынок еще достаточно далеко – здесь все находится на стадии разработки и доведения до промышленных образцов. Пока что проводятся активные исследования.

Разводка индивидуальной вентиляции

К примеру, в офис воздух подается в расчете 10 литров на человека каждую секунду. Однако вдыхается не более 0,1 литра за секунду, что составляет всего 1% от общего объема подачи, а все остальное никак не используется. То есть, имеет место совершенно бесполезная его растрата. При этом даже тот 1% вдыхаемого воздуха не отличается достаточной чистотой, так как смешиваясь с общим воздухом помещения, он уже загрязняется самыми разнообразными веществами.

Современные вентиляционные системы проектируются так, чтобы обеспечить смешивание свежего приточного воздуха с комнатным, изначально загрязняя его и нивелируя значительную часть достоинств вентиляции и принципа воздухообмена. Будущее развитие вентиляционного дела видится, как движение к менее мощным и производительным системам, однако подающим чистый воздух непосредственно туда, где человек его вдыхает. Это позволит обеспечить каждому в помещении оптимальную атмосферу, не занимаясь очисткой всего массива воздуха, то есть, минимизируя энергоемкость этого процесса.

В офисах индивидуальную вентиляцию обеспечить совсем несложно. Сделать это можно даже с помощью отдельных, перекрываемых и при необходимости перемещаемых выпускных отверстий. Если построить систему правильно, каждый человек получит возможность вдыхать по-настоящему чистый воздух из центральной струи притока. За счет минимальной интенсивности подачи удастся избежать образования сквозняков в помещении, что только положительно скажется на общем уровне здоровья.

Сейчас проводятся достаточно активные исследования продуктивности и целесообразности таких систем. Они уже есть на рынке, их можно заказывать и использовать. Уже сейчас вполне можно ожидать эффективности вентиляции на уровне порядка 10 литров в секунду с минимальными энергозатратами и уверенностью, что каждый человек получит возможность дышать отличным по качеству воздухом. Кроме того, такие системы являются индивидуально регулируемыми, что позволит каждому самостоятельно подстраивать вентиляцию под собственные потребности.

Осушение и охлаждение воздуха

Разнообразные исследования позволили выяснить, что ощущение качества воздуха во многом зависит от того, насколько комфортной для людей является его температура и влажность. Человеку всегда больше нравится сухой, несколько прохладный воздух, поскольку он в наибольшей степени приятен для дыхательных путей. Чрезмерная энтальпия воздуха означает, что он обладает недостаточной охлаждающей способностью, из-за чего не обеспечивает требуемую интенсивность конвективного и испарительного охлаждения дыхательных путей. Из-за этого человек никогда не скажет, что ему нравится такой воздух.

Согласно данным исследований, что достаточно уменьшить общую температуру воздуха всего на 2-3 градуса, чтобы его ощутимое качество увеличилось вдвое. Минимизация влажности воздуха с доведением ее значения до 20% также исключительно положительно скажется на качестве внутренней атмосферы, что в свою очередь хорошо отражается на общем уровне здоровья и трудоспособности.

Комбинированное применение различных методов

Все описанные выше методы не обязательно применять поодиночке. В принципе, они совместимы, поэтому возможна и одновременная их практическая реализация. Если для обычного офисного помещения взять начальную величину температуры в 24 градуса тепла при интенсивности вентиляции на уровне 10 литров в секунду на человека, а также контролировать источники загрязнений, применять системы очистки воздуха и развести индивидуальную вентиляцию, удастся получить снижение концентрации загрязняющих веществ примерно в двести раз, что можно назвать фантастическим успехом, учитывая низкую энергоемкость всех этих технологий.

Обеспечение оптимальных значений влажности и температуры воздуха позволяет еще удвоить это значение, что в итоге даст гарантию – такой воздух точно понравится подавляющему большинству людей, за исключением патологических случаев.

Заключение

Всего лишь 2-7 кратное улучшение качества внутреннего воздуха сравнительно со средними значениями в холодном климате позволяет получить существенное снижение риска заболеть астмой или одной из разновидностей аллергий. Кроме того, это позволяет добиться весомого прироста производительности труда в офисных помещениях, а также улучшить качество усвоения знаний в школах. Чтобы минимизировать количество людей, не удовлетворенных качеством воздуха со средних 20-30% до минимума, необходимо улучшить внутреннюю атмосферу примерно в 20-200 раз в зависимости от ее исходного состояния.

И на сегодняшний день существуют вполне эффективные технологии, позволяющие получить такие, или даже еще более высокие результаты, прикладывая для этого умеренные усилия, с небольшими текущими энергозатратами и финансовыми расходами. В целом, новый, современный подход к очистке внутреннего воздуха позволяет даже снизить расходы на электроэнергию. Но самое главное – все это нужно делать, если хочется действительно создавать оптимальный для жизнедеятельности внутренний микроклимат.