Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей

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

 

В районах с холодным климатом в зданиях с системами механической вентиляции у людей часто возникает желание снизить расход вентиляционного воздуха с целью экономии энергии. Существующие стандарты и руководства по обеспечению минимального уровня расхода вентиляционного воздуха не учитывают вопросы, связанные с производительностью труда людей, эффективностью учебного процесса, и включают в себя очень умеренные требования, определяющие только то, что качество внутреннего воздуха должно быть приемлемым. При этом критерий приемлемости означает, что воздух воспринимают неприемлемым наиболее чувствительные люди (обычно 20 %), в то время как оставшаяся часть менее чувствительных людей могут оценивать воздух в минимальной степени приемлемым. При таких умеренных запросах нет ничего удивительного в том, что в реальных условиях, в районах с холодным климатом, исследования зданий, в которых выполняются требования стандартов по вентиляции, выявляют высокий процент людей, не удовлетворенных качеством внутреннего воздуха, и людей, страдающих «синдромом больного здания».

Недавние исследования показали, что повышение качества внутреннего воздуха в 2–7 раз, по сравнению с существующими стандартами, значительно повышает производительность труда сотрудников офисов, эффективность учебного процесса в школах и снижает число астматических и аллергических заболеваний. Чтобы сделать воздух приемлемым даже для наиболее чувствительных людей, необходимо повышение его качества на один-два порядка.

В настоящей статье рассматриваются новые методы, обеспечивающие такое существенное улучшение качества внутреннего воздуха при сохранении или даже уменьшении расхода вентиляционного воздуха и потребления энергии. Мы рассмотрим три вида помещений, в которых многие люди проводят большую часть своей жизни, а именно дом, школу и офис.

Введение

В холодном климате в зданиях с механической вентиляцией у людей часто возникает естественное желание сэкономить энергию, умень-шив расход вентиляционного воздуха и поддерживая качество внутреннего воздуха на минимальном уровне. Но что такое качество внутреннего воздуха? Этот термин можно определить как степень удовлетворения потребностей людей, находящихся в помещении. О каких потребностях идет речь? Очевидно, что мы хотим вдыхать воздух, не оказывающий отрицательного воздействия на наше здоровье. Мы также хотим, чтобы воздух воспринимался как приемлемый и даже более того – как свежий и приятный. Кроме того, нам бы хотелось, чтобы воздух в помещении положительно влиял на нашу производительность труда.

Можем ли мы выразить эти потребности в химических терминах? Мы знаем, что именно химические вещества, выделяемые людьми, материалами и оборудованием, находящимся в помещении, снижают качество внутреннего воздуха.

В таком случае не можем ли мы обеспечить концентрацию в воздухе каждого химического вещества ниже определенного, предписанного значения? К сожалению, в непромышленных зданиях этот метод не может работать достаточно эффективно.

Дело в том, что обычно в воздухе присутствуют сотни и даже тысячи химических веществ, каждое из которых имеет небольшую концентрацию, а мы обладаем весьма ограниченной информацией о влиянии этих веществ на здоровье и комфорт людей. Предписываемые предельные значения имеются только для нескольких десятков химических веществ, причем эти значения применимы только в тех случаях, когда в воздухе присутствуют только одни эти вещества.

Закономерен вопрос – каким образом оценить пороговые значения для запахов или возникновения эффекта раздражения, вызываемых большим количеством химических веществ? Приводимые в литературе пороговые значения очень различаются между собой, и они устанавливаются для концентраций, при которых 50 % людей ощущает присутствие определенного химического вещества, если это вещество является единственным присутствующим в воздухе. Наиболее чувствительные люди могут различать химические вещества при концентрациях, на несколько порядков ниже указанной, они могут ощущать «коктейль» из сотен химических веществ даже при еще более низкой концентрации. Более того, некоторые химические вещества, концентрация которых даже выше предельной концентрации для запаха, могут восприниматься как приятные, а другие – как очень неприятные. Еще одним затруднением является то, что некоторые химические вещества трудно измерить при низких концентрациях, при которых они все же оказывают отрицательное воздействие на людей.

В качестве альтернативного решения указанной проблемы может быть предложено использование реакции органов чувств человека (сенсорной реакции) для непосредственного определения качества внутреннего воздуха. Используя это определение, под внутренним воздухом высокого качества можно понимать воздух, воспринимаемый как приемлемый большей частью находящихся в помещении людей. Исходя из этого, уже в 1930-х годах прошлого века были проведены исследования качества внутреннего воздуха группами экспертов на основании их ощущений (так называемые сенсорные измерения качества внутреннего воздуха).

Позже, в 1988 году, автор настоящей статьи на основании результатов этих измерений предложил следующие сенсорные единицы: ощущаемое качество внутреннего воздуха выражается в количестве людей (в процентах), не удовлетворенных его качеством, а сенсорная нагрузка загрязнения выражается в ольфах (единицах обоняния).

Сенсорные единицы позволяют выполнить расчет нагрузок системы вентиляции, необходимых для получения приемлемого качества воздуха.

Часто встречаются высказывания о том, что сенсорные измерения более предпочтительны, чем химические измерения. В течение нескольких десятилетий эти измерения сформировали базу для стандартов и предписаний по системам вентиляции (CEN, 1998; ASHRAE, 2004). Эти стандарты и предписания обычно определяют воздух с приемлемым качеством как воздух, вызывающий неудовлетворение у 15, 20 или 30 % людей. Кроме того, эти стандарты задают соответствующие необходимые параметры вентиляции. На практике эта «философия» стандартов определяет посредственное качество воздуха, которым недовольно большее количество людей, чем ожидалось, что документально зафиксировано в результатах многих исследований в реальных условиях, в зданиях по всему миру, построенных согласно требованиям этих стандартов.

Качество воздуха в жилых помещениях и его влияние на рост числа астматических и аллергических заболеваний

В течение последних двух десятилетий в развитых странах количество аллергических и астматичес-ких заболеваний удвоилось.

В 2004 году была высказана гипотеза о том, что основной причиной увеличения количества таких заболеваний в развитых странах является ухудшение качества внутреннего воздуха в жилых помещениях.

Среди факторов, способствующих снижению качества внутреннего воздуха в жилых помещениях в последнее время, можно выделить внедрение множества новых материалов, особенно полимеров, и использование многочисленных электронных устройств, которые появились в зданиях в последние десятилетия, в том числе и в детских комнатах.

В ходе исследований связи между качеством воздуха и заболеванием астмой и аллергией, проводившихся в Скандинавских странах, было обследовано около 11 000 детей. В 200 домах, в которых проживали больные астмой дети, и в 200 домах со здоровыми детьми выполнялись подробные измерения химических, физических, биологических и медицинских характеристик. Все эти дома располагались в холодном климате Центральной Швеции, в регионах с прекрасным качеством наружного воздуха.

Рисунок 1. Низкая интенсивность вентиляции в жилых помещениях повышает риск проявления аллергических симптомов среди детей (каждый столбец представляет около 90 жилых помещений)

Полученные результаты показали, что аллергические симптомы связаны с вентиляцией (рис. 1). Увеличение в 4 раза интенсивности вентиляции и, следовательно, показателя качества внутреннего воздуха снизили вероятность появления аллергических симптомов наполовину. Результаты данных исследований также выявили связь между концентрацией фталатов и риском заболевания астмой (рис. 2). Снижение концентрации фталатов в 7 раз снизило вероятность заболевания астмой на треть.

Таким образом, было показано, что увеличение в жилых помещениях показателя качества внутреннего воздуха в 4–7 раз оказывает значительное влияние на уменьшение риска заболевания астмой и проявления аллергических симптомов.

Рисунок 2. Пластификаторы, например из поливинилхлорида, применяемые в жилых помещениях, увеличивают вероятность заболевания астмой у детей (каждый столбец представляет около 90 жилых помещений)

Качество воздуха в офисных зданиях и его влияние на производительность труда сотрудников

Результаты последних независимых исследований показывают, что качество внутреннего воздуха в офисах имеет значительное положительное влияние на производительность труда сотрудников.

В одном из исследований в реальных условиях в обычном офисе были заданы два вида условий с разным качеством воздуха. Разница в качестве воздуха обусловливалась наличием или отсутствием обычного напольного покрытия, являющегося дополнительным источником загрязнения. Два эти условия соответствовали зданиям с низким и не низким содержанием загрязняющих веществ, согласно определениям Европейских директив для проектирования параметров внутренней среды (CEN, 1998).

Одни и те же люди работали в офисе в течение 4,5 часов при каждом из двух уровней качества воздуха. Было выявлено, что при хорошем качестве воздуха производительность труда людей была на 6,5 % выше (P < 0,003), они делали меньшее количество ошибок и испытывали меньшее количество симптомов синдрома «больного здания».

Эти исследования, проводившиеся в Дании, были затем повторены в Швеции и дали схожие результаты.

Третий комплекс исследований был выполнен в Датской лаборатории исследований в реальных условиях, с теми же источниками загрязнения, но при трех значениях расхода вентиляционного воздуха: 3, 10 и 30 л/с на человека. Было доказано, что при увеличении расхода вентиляционного воздуха значительно возрастала производительность труда людей.

Был проведен совместный анализ результатов трех исследований с семью экспериментальными условиями и 90 людьми, в ходе которого выявлялась зависимость производительности труда от ощущаемого качества воздуха. Эти результаты показывали, что повышение качества внутреннего воздуха оказывает значительное влияние на производительность труда.

В другом исследовании с такими же условиями эксперимента, что и описанные выше, в качестве дополнительных источников загрязнения использовались персональные компьютеры, которые эксплуатировались уже в течение трех месяцев. Когда в ходе этих исследований добавлялись дополнительные компьютеры, производительность труда снижалась на 9 % (P < 0,01), и количество людей, которых не удовлетворяло качество воздуха, увеличивалось в 3 раза. Каждый из загрязняющих воздух компьютеров вносил дополнительную нагрузку, соответствующую трем ольфам. В дальнейшем при исследовании использовались персональные компьютеры наиболее известных марок, имеющие мониторы с электронно-лучевой трубкой и плоские мониторы. Результаты этих исследований были сходны с результатами проводившихся ранее исследований, кроме того, выявилось, что компьютеры с плоскими экранами загрязняют воздух гораздо меньше.

Положительное влияние высокого качества внутреннего воздуха на производительность труда людей было недавно подтверждено в ходе исследования в здании, в котором для очистки воздуха применялись либо новые, либо использованные фильтры твердых частиц. Было зафиксировано значительное положительное влияние на производительность труда увеличения расхода вентиляционного воздуха, но этот эффект наблюдался только при использовании новых фильтров (рис. 3).

Рисунок 3. Связь между производительностью труда в офисе и расходом вентиляционного воздуха

Здесь следует заметить, что в упоминавшихся ранее исследованиях, продемонстрировавших положительное влияние вентиляции на производительность труда людей, фильтры для очистки воздуха не использовались. В течение всего времени проведения по-следних исследований использовались старые фильтры, и именно этим обстоятельством можно объяснить сделанный авторами вывод о незначительном положительном влиянии повышения расхода вентиляционного воздуха на производительность труда людей, это указывает на то, что фильтры твердых частиц в системах ОВК могут представлять собой серьезный источник загрязнения.

Исследования с использованием фильтров проводились в умеренно холодном климате, но подобные исследования были недавно выполнены в условиях тропиков, и они показали сходные результаты.

Увеличение показателя качества внутреннего воздуха в 5 раз, по сравнению с посредственным качеством воздуха во многих офисных зданиях, существующих по всему миру, может повысить производительность труда сотрудников приблизительно на 5–10 %. За год это может дать огромную экономическую прибыль, которая покроет все капитальные затраты и эксплуатационные расходы в здании. Поэтому анализ расходов за весь срок службы здания должен учитывать фактор повышения производительности труда людей из-за улучшения качества внутреннего воздуха.

Качество воздуха в школьных зданиях и его влияние на процесс обучения детей

Имеются документальные свидетельства того, что показатель качества воздуха в школах часто имеет низкое значение. Во многих случаях в целях экономии энергии снижается расход вентиляционного воздуха, эксплуатация и техническое обслуживание систем вентиляции часто проводятся на недостаточном уровне.

Недавно проводились исследования эффективности школьного обучения – обследовались дети в возрасте 10 лет, обучающиеся в параллельных классах, и выявлялось влияние увеличения расхода вентиляционного воздуха на эффективность обучения детей в школе.

Каждую неделю учителя в параллельных классах предлагали детям задания, касающиеся различных аспектов школьного обучения – от чтения до решения математических задач.

В вентиляционных системах применялись чистые фильтры. При увеличении расхода вентиляционного воздуха с 5 до 10 л/с продуктивность школьной работы возрастала приблизительно на 15 %.

Таким образом, увеличение показателя качества внутреннего воздуха в два раза вызывает у детей значительное повышение продуктивности школьной работы и способности усвоения материала.

Качество внутреннего воздуха, приемлемое для наиболее чувствительных людей

В стандартах признается, что предписываемые в них значения качества внутреннего воздуха определяют такое качество, которое 15–30 % наиболее чувствительных людей не удовлетворяет.

Это очень разочаровывающий факт, когда осознанно проектируются здания, условия в которых такое большое количество людей признает неудовлетворительными.

Что же можно сделать, чтобы уменьшить долю людей, недовольных качеством внутреннего воздуха, до незначительного уровня, например, до 1 %?

Согласно модели сенсорных измерений качества воздуха, которую предложил автор данной статьи в 1988 году, для такого снижения необходимо увеличение качества воздуха на один-два порядка, в зависимости от исходного уровня.

При попытке сделать это при помощи увеличения интенсивности вентиляции обнаруживается, что понадобится такой огромный расход вентиляционного воздуха и потребление энергии, что такой метод может быть исключен из рассмотрения.

К счастью, имеются другие способы улучшения качества воздуха, а именно:

• контроль источников загрязнения;

• очистка воздуха;

• индивидуальная вентиляция;

• охлаждение и осушение воздуха.

Далее подробно рассмотрим каждый из этих методов.

Контроль источников загрязнения

Очевидным и наиболее рекомендуемым методом улучшения качества внутреннего воздуха является уменьшение количества источников загрязнения в здании, в том числе в системах ОВК.

При этом следует обратить особое внимание на следующие три источника загрязнений:

1) фильтры твердых частиц;

2) строительные материалы (в том числе напольные покрытия);

3) персональные компьютеры.

Особенно серьезными источниками загрязнения являются фильтры твердых частиц, т. к. они снижают качество воздуха даже еще перед подачей этого воздуха в вентилируемое пространство. Более того, большой расход воздуха, проходящего через фильтр, увеличивает, как уже упоминалось, выделение загрязняющих веществ из частиц, захваченных фильтром, так что качество воздуха за фильтром не повышается. Это объясняет, почему увеличение расхода вентиляционного воздуха в помещениях с механической вентиляцией улучшает качество воздуха лишь ненамного или вообще не улучшает. Это также может объяснить, почему в некоторых случаях качество воздуха в зданиях с механической вентиляцией или даже с системами кондиционирования воздуха хуже, чем в зданиях с естественной вентиляцией (зимой). Поэтому фильтры в системах ОВК рекомендуется менять очень часто, а еще лучше – произвести их замену на альтернативное оборудование, которое для защиты системы ОВК может удалять частицы из воздуха, не скапливая загрязняющую пыль в потоках воздуха.

Вторым источником загрязнений в здании являются строительные и прочие материалы. Рекомендуется избегать использования материалов, выделяющих фталаты, особенно диэтилгексилфталаты. Рекомедуется также не применять напольных покрытий, если только они не прошли тщательных испытаний. Предполагается, что рекомендации по напольным покрытиям и другим материалам в будущем станут более жесткими, чем те, которые задаются в настоящее время в различных рекомендациях и предписаниях по критериям маркировки.

Следуя указанным выше рекомендациям для фильтров, материалов и напольных покрытий, было предложено для зданий с малой концентрацией загрязняющих веществ снизить текущее требование, определяемое значением 0,1 ольф/м² площади здания (CEN, 1998), до 0,02 ольф/м² площади.

Необходимо также учитывать, что материалы, находящиеся в помещении, могут работать как поглотители загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе. В одном из исследований, проведенном в 2005 году, при помощи сенсорных методов демонстрируется, что панели сухой штукатурки и специально подготовленные сорбирующие материалы могут существенно повысить качество внутреннего воздуха.

Другой источник загрязнений – мониторы с электронно-лучевой трубкой. Рекомендуется не приоб-ретать больше такие компьютеры, а вместо них закупать компьютеры с низким уровнем загрязнения среды и использовать плоские мониторы, выделяющие лишь незначительное количество загрязняющих веществ. Так как поколения компьютеров сменяются каждые три года и загрязнение от компьютеров снижается в наибольшей степени через 4–5 месяцев после их замены, то при использовании указанных выше рекомендаций нагрузка от существующего парка персональных компьютеров может вскоре быстро снизиться.

Предполагается, что при следовании указанным выше рекомендациям по контролю источников загрязнений показатель загрязнения во многих существующих офисных зданиях может понизиться в четыре раза.

Очистка воздуха

Очистка внутреннего воздуха от газообразных загрязняющих веществ представляет собой многообещающий метод повышения качества воздуха и частичного замещения вентиляции. Разрабатываются различные методы очистки воздуха, включая сорбцию и фотокатализ. Было показано, что последний метод обладает значительной эффективностью фильтрации, которая была зафиксирована при фильтрации отдельных химических веществ, присутствующих в воздухе. Для типичной смеси из сотен химичес-ких веществ, присутствующих внутри здания в очень малых концентрациях, при использовании указанных двух методов может быть реально достижимой эффективность очистки более 80 %, т. е. очистка может снизить концентрацию загрязняющих веществ и повысить качество внутреннего воздуха в пять раз. При этом очевидно, что для повышения эффективности очистки для типичных источников загрязнения внутреннего воздуха необходимы дополнительные разработки технологии очистки и проведение дальнейших исследований.

Индивидуальная вентиляция

Если, например, в офис подается наружный воздух с расходом 10 л/с на человека, вдыхается только 0,1 л/с на человека или 1 %. Остальная часть подаваемого воздуха, т. е. его 99 %, не используется. Таким образом, наблюдается очевидная бесполезная растрата воздуха. И этот 1 % вдыхаемого вентиляционного воздуха не является чистым – он загрязняется биологическими выделениями, выделениями от строительных материалов, компьютеров и других источников загрязнения в помещении.

Согласно традиционной практике проектирования, идеальным решением является полное смешивание чистого приточного воздуха и присутствующих в комнатном воздухе загрязняющих веществ. В будущем будут необходимы системы, подающие меньшее количество чистого воздуха, но непосредственно в зону дыхания каждого отдельного человека.

Основная идея – обеспечение каждого человека, находящегося в помещении, чистым воздухом, который в минимальной степени засоряется источниками загрязнений в помещении.

В офисах индивидуальная вентиляция может обеспечиваться при помощи отдельных, легко перемещаемых выпускных отверстий. При идеальных условиях каждый человек может вдыхать чистый воздух из центра струи приточного воздуха, где воздух не смешивается с загрязненным комнатным воздухом и имеет низкую скорость истечения и турбулентность, благодаря чему не образуются сквозняки.

В настоящее время проводятся исследования и разработка таких систем. На основании этих исследований можно реально ожидать, что при помощи надлежащим образом разработанных выпускных отверстий может быть достигнута эффективность вентиляции порядка 10 л/с и более, т. е. индивидуальная вентиляция может повысить качество вдыхаемого воздуха на порядок. Важной особенностью этой концепции является то, что каждый человек может легко регулировать положение выпускного отверстия, расход и даже температуру приточного воздуха.

Охлаждение и осушение воздуха

Всесторонние исследования показали, что на качество воздуха, ощущаемое находящимися в помещении людьми, влияет также влажность и температура воздуха.

Люди предпочитают более сухой и прохладный воздух, для них приятно возникающее при каждом вдохе чувство прохлады в дыхательных путях.

Высокая энтальпия воздуха означает, что вдыхаемый воздух обладает низкой охлаждающей способностью, поэтому он не может обеспечить достаточное конвективное и испарительное охлаждение дыхательных путей, особенно в носу. Такой недостаток должного охлаждения тесно связан с низким ощущаемым качеством воздуха.

Исследования показали, что снижение температуры воздуха на 2–3 °С, например, с 23–24 до 21 °С, может повысить показатель качества внутреннего воздуха в два раза.

Снижение относительной влажности, вплоть до значения 20 %, также положительно влияет на качество воздуха. Меньшее значение влажности может уже отрицательно сказываться на здоровье и производительности труда людей.

Эффект комбинированного применения указанных методов

Интересно рассмотреть вопрос – что будет, если для повышения качества внутреннего воздуха мы одновременно используем все описанные методы?

Если мы возьмем для типичного офисного помещения исходные величины температуры 23–24 °С и интенсивности вентиляции 10 л/с на человека и будем использовать контроль источников загрязнений, очистку воздуха и индивидуальную вентиляцию, то мы можем снизить концентрацию загрязняющих веществ в 4 • 5 • 10 = 200 раз, не увеличивая при этом интенсивность вентиляции. При этих грубых оценках предполагается, что наружный воздух является чистым.

Снижением температуры (и влажности) мы можем увеличить ощущаемое качество воздуха еще в два раза, т. е. до уровня 400. Конечно, нам не нужно такое кардинальное повышение значения качества внутреннего воздуха. На практике необходимы меньшие значения, следовательно, на этом пути имеются дополнительные возможности для экономии энергии при снижении расхода вентиляционного воздуха.

Заключение

В холодном климате увеличение показателя качества внутреннего воздуха в 2–7 раз, по сравнению с обычной практикой, снижает в жилых помещениях вероятность заболевания астмой и проявления аллергических симптомов, повышает производительность труда в офисе, повышает эффективность учебного процесса в школах.

Для снижения количества людей, не удовлетворенных качеством воздуха с 15–30 %, допускаемых существующими стандартами и предписаниями, до незначительной величины необходимо повышение показателя качества внтуреннего воздуха на 1–2 порядка.

Предлагаются методы, которые могут обеспечить такое значительное улучшение качества воздуха, причем одновременное использование этих методов позволяет снизить расход вентиляционного воздуха и потребление энергии.

Для достижения качества воздуха, при котором даже наиболее чувствительные люди смогут оценить его как приемлемое, в будущем необходимо изменение наиболее общих концепций. Такие изменения необходимы, если мы хотим научиться обрабатывать воздух в помещениях таким образом, чтобы люди ощущали его таким же приятным и свежим, как наружный воздух хорошего качества.

 

Для получения списка литературы, использованной в данной статье, обращайтесь по адресу otvet@abok.ru.