Стандарты вентиляции и качества воздуха: Европа и США

B. W. Olesen, директор Международного центра микроклимата и энергии Датского технического университета, otvet@abok.ru

За последние десятилетия качество окружающего (наружного) воздуха в городах индустриально-развитых стран существенно улучшилось. За этот же период качество внутреннего воздуха ухудшилось. Частично это связано с проведением масштабных энергосберегающих кампаний, частично с тем, что высокие цены на энергоносители побуждают людей герметизировать свои жилища и уменьшать интенсивность вентиляции, так что кратность воздухообмена во многих домах достигла исторического минимума.

Другие факторы, вносящие свой вклад в низкое качество внутреннего воздуха, – это новые материалы (особенно полимеры) и множественные электронные устройства, все более распространенные в наших домах. Эта тенденция и то, что люди в индустриальных странах проводят в среднем 90 % своей жизни внутри зданий, говорит о том, что качество внутреннего воздуха – очень важный аспект, влияющий на здоровье людей. Количество аллергических и астматических заболеваний в индустриальных странах удвоилось за последние двадцать лет.

Сегодня приемлемое качество внутреннего воздуха преимущественно определяется заданной кратностью воздухообмена или расходом наружного приточного воздуха. Это то же самое, что устанавливать требования к тепловому комфорту через затраты на охлаждение или отопление, выраженные в ваттах. Растущая среди населения популярность энергоэффективности часто приводит к созданию очень герметичных зданий. Это означает, что количество наружного воздуха, проникающего внутрь здания за счет инфильтрации, недостаточно для обеспечения необходимой вентиляции. С уменьшением теплообмена с наружным воздухом посредством теплопередачи из-за повышения требований к фасадам зданий энергопотребление вентиляции (вентиляторы, предварительный нагрев и предварительное охлаждение приточного воздуха), выраженное в процентах, становится все большей частью полного энергопотребления зданий.

Стандарты CEN по вентиляции зданий

4 января 2003 года вступила в силу Европейская Директива по энергетической эффективности зданий (Energy Performance of Buildings Directive, EPBD) 2002/91/EC. Выполнение государствами – членами ЕС требований данной Директивы является важным компонентом в реализации этими странами обязательств Киотского протокола. План действий ЕС (Action Plan) по энергетической эффективности «Realising the potential», принятый в октябре 2006 года, устанавливает повышение энергетической эффективности в строительной отрасли как приоритетное направление. Ключевая роль в этом отводится выполнению требований Директивы EPBD, которая содержит такие положения, как методология расчета энергопотребления здания, требования к оборудованию вновь строящихся и реконструируемых зданий, принципы энергетической сертификации зданий, требования по регулярному осмотру котлов и систем кондиционирования воздуха. Для того, чтобы реализовать на практике требования, содержащиеся в Директиве EPBD, дополнительно разработаны несколько стандартов.

Расчет влияния вентиляционной системы на энергоэффективность зданий регулируется в основном следующими стандартами:

• EN ISO 13790: Энергетические характеристики зданий – расчет потребления энергии на отопление и охлаждение помещений.
• EN 15251: Исходные параметры микроклимата помещений для проектирования и оценки энергетической эффективности зданий в отношении качества воздуха, теплового комфорта, освещения и акустики.
• EN 13779: Вентиляция в нежилых зданиях – технические требования к системам вентиляции и кондиционирования.
• EN 15241: Методы расчета потерь энергии в системах вентиляции и инфильтрации.
• EN 15242: Методы расчета скорости воздушного потока в зданиях, включая инфильтрацию.

В первую очередь, потребление энергии для вентиляции рассчитывается по стандарту EN 13790, поскольку характеристики зданий учитывают требования к внутренней среде (кратность вентиляции из EN 15251 или уровень инфильтрации из EN 15242).

В стандарте EN 15242 воздушные потоки рассчитываются для механической, гибридной и пассивной вентиляции. Расчет механических систем основан на требованиях к воздушным потокам из стандартов EN 15251/EN 13799. В значения внесены поправки, учитывающие такие факторы, как расположение воздухообрабатывающей установки (внутри или снаружи), включение/выключение, эффективность вентиляции, точность конструкции системы, воздушные потоки за счет утечек в воздуховодах, утечки воздуха в воздухообрабатывающей установке и рециркуляция воздуха (если таковые имеются).

Для пассивной и гибридной канальной вентиляции цель расчетов заключается в расчете воздушного потока в системе с учетом внутренних и наружных условий. Этот метод дает соотношение между скоростью воздушного потока в воздуховоде и падением давления через колпак вентиляционной трубы, которое зависит от наружных погодных условий, с учетом скорости ветра снаружи здания, коэффициента потери давления колпака, угла скоса крыши и расположения колпака.

Отсюда можно рассчитать энергопотребление вентиляционной системы по стандарту EN 15241 с учетом энергопотребления вентиляторов, предварительного нагрева, предварительного охлаждения, эффективности теплообменников, увлажнения, осушения и потерь энергии в воздуховодах. Общий принцип показан на рисунке.

Важный вопрос заключается в разграничении стандартов EN 13790 и EN 15241 во избежание расчета утилизации теплоты дважды (рис. 1). Конкретные правила и требования проектирования вентиляционных систем изложены в стандарте EN 13799. Данный стандарт предлагает руководство к проектированию, а его приложения преимущественно применимы к механическим системам приточной и вытяжной вентиляции, а также механической части гибридных вентиляционных систем. Рассматриваемый стандарт не охватывает жилые здания.

Рисунок 1. Основные принципы использования EN 15241 с учетом EN 13790

Характеристики вентиляционных систем в жилых зданиях рассматриваются стандартом CEN/TR 14788. Классификация использует различные категории. В стандарте даются примеры некоторых значений и типичные диапазоны со стандартными значениями для требований. Стандартные значения, представленные в этом стандарте, не являются нормативными и используются в случаях, когда не указаны иные значения.

В Приложении А приводятся разработанные правила для систем механической вентиляции и кондиционирования воздуха зданий с учетом присутствия пользователей. Приложение В адресует экономические параметры и описывает основы текущего метода оценки чистых дисконтированных расходов инвестиций (в будущем эта часть может быть исключена, так как существует отдельный стандарт для экономических расчетов).

Методы определения требований к вентиляции

Новые стандарты определения требований к вентиляции в зданиях, включая ASHRAE 62.1 и EN 15251, учитывают людей и внутренние источники загрязнения зданий. Все из предложенных стандартов затрагивают вопросы здоровья и комфорта.

Нормативный метод

Для нормативного метода необходимо определить минимальный расход воздуха на человека и минимальный расход воздуха на квадратный метр площади помещения. Эти два значения складываются. Расход воздуха  для человека должен ассимилировать загрязнения от людей (запахи и иные биологические выделения), а расход воздуха на площадь помещения должен ассимилировать выделения здания, мебели, системы ОВК и т. д.

Расчетный расход наружного воздуха, необходимый для зоны дыхания используемых помещений или зон, то есть приток воздуха в зону дыхания (V_bz), определяется по следующей формуле:

V_bz = R_pP_z + R_aA_z, (1)

где A_z – площадь помещения;
P_z– количество людей на единицу площади;
R_p– требуемый расход наружного воздуха на человека;
R_a– требуемый расход наружного воздуха на единицу площади помещения.

Как минимум, вентиляция должна быть достаточной для ассимиляции биологических выделений от пользователей (человеческий компонент, R_p, см. табл. 1). Эти значения указаны в стандарте EN 15251 для трех категорий качества внутреннего воздуха, исходя из прогноза, что определенный процент посетителей воспримет качество внутреннего воздуха как неудовлетворительное. Расчетные уровни достаточны для людей, входящих в помещение. Должно ли это всегда быть так, является предметом обсуждения. Согласно оценке, для обеспечения приемлемого для пользователей воспринимаемого качества воздуха (люди привыкают к качеству воздуха на протяжении, как минимум, 15 минут) достаточно одной вентиляции третьего уровня, то есть для категории II это 2,5 вместо 7 л/с на человека. Стандарт ASHRAE 62.1 определяет уровни вентиляции для адаптировавшихся людей. Несколько исследований показывают, что сложение источника и уровня вентиляции является лучшим приближением, но это может быть недействительно для всех типов загрязняющих веществ. Здесь – это добавка к запахам и раздражителям (ощущаемое качество воздуха), которую необходимо учесть. При рассмотрении рисков для здоровья простое сложение допустимо только для одних и тех же химических компонентов.

В таблице показаны нормируемые уровни вентиляции из EN 15251 в сравнении с ASHRAE 62.1. Одна из основных причин довольно большой разницы между ними заключается в том, что требования ASHRAE являются минимальными нормативными требованиями, основанными на адаптировавшихся пользователях, а европейские рекомендации предназначены для неадаптировавшихся людей.

Таблица 1 (подробнее) Зоны, свободные от курения в коммерческих зданиях по ASHRAE 62.1 и EN 15251

Эффективность вентиляции

Расход воздуха, указанный в стандартах (см. табл.), является рекомендуемым расходом  воздуцха на уровне дыхания в рабочей зоне.

Расход воздуха на подающих диффузорах рассчитывается по формуле:

V = V_bz/ε_v, (2)

где V_bz – приток воздуха в зоне дыхания;
ε_v – эффективность вентиляции.

Эффективность вентиляции зависит от эффективности воздухораспределения и типа и расположения источников загрязнения, поэтому это значение не является только характеристикой системы. В большинстве случаев предполагается, что источник загрязнения равномерный, поэтому эффективность вентиляции будет такая же, как и эффективность воздухораспределения. Для вентиляционной системы с полным смешиванием это значение равно 1, и интенсивность вентиляции из таблицы можно использовать для проектирования подающих распределительных решеток.

Эффективность вентиляции или эффективность воздухораспределения является функцией от расположения и типа подающих и вытяжных распределительных решеток и зависит от разницы между температурой приточного воздуха и комнатной температурой, а также от полного воздушного потока через приточную распределительную решетку. Эффективность воздухораспределения можно рассчитать или определить экспериментально. Для вытесняющей вентиляции и персональной вентиляции значения могут быть больше 1. Если в помещение подается теплый воздух, значения могут падать до 0,5.

Эффективность воздухораспределения учитывает распределение воздуха в помещении, но не принимает во внимание, насколько эффективно наружный воздух передается в помещение по воздуховодам. Если в системе имеются утечки, объем вентиляционного воздуха необходимо увеличить. Этот вопрос не затронут в EN 15251, но рассматривается в стандарте ASHRAE 62.1.

Обсуждение

Несмотря на то что сегодня у нас есть стандарты и руководства для расчета минимальных расходов воздуха, они далеко не исчерпывающие. Цель этих стандартов заключается в расчете необходимой вентиляции так же прямолинейно, как это делается для расчета нагрузок по охлаждению.

Мы должны знать требования к приемлемому качеству внутреннего воздуха, основанные на здоровье, комфорте и эффективности, и мы должны знать интенсивность выбросов от всех источников. К сожалению, это не так легко, как при расчете нагрузок по охлаждению, где комнатная и наружная температуры (°C), излучение энергии (Вт), накопление теплоты, солнечная радиация (Вт) выражаются в однородных единицах и влияют на один и тот же параметр человеческого тела (тепловой баланс).

При расчете качества внутреннего воздуха мы сталкиваемся с тысячами веществ, выделяемых людьми, мебелью, инженерными системами, наружными источниками и т. д.

При определении минимального воздухообмена необходимо учесть «загрязняющий» вклад как от людей (и их деятельности), так и от здания (мебели, строительных материалов, систем ОВК). И поскольку выделения от обоих типов источников влияют на уровень запахов (определяемых обонянием), мы должны складывать их влияние и интенсивности вентиляции, то есть для пяти человек необходимо подать в пять раз больше вентиляции, чем для одного человека.

Разница заключается в том, что восприятие пользователей нельзя суммировать линейно, поэтому при удваивании источников количество неудовлетворенных пользователей не должно обязательно удваиваться. Это актуально, когда комфорт является основным критерием. Если рассматривать вопрос здоровья, то выделения от различных источников могут повлиять на разные органы, поэтому вентиляция одного вещества приведет также к разбавлению концентрации другого. В большинстве случаев требования к комфорту (касающегося запахов) нуждаются в максимальных значениях минимальных уровней вентиляции.

Нам хорошо известно о требуемой вентиляции для «человеческого» компонента, в то время как компонент «здания» недостаточно задокументирован. Существует острая необходимость в более совершенной сертификации и маркировке материалов, используемых в зданиях, и мы также должны разработать стандарты вентиляции, выгодные для изготовителей «хороших» (малозагрязняющих) материалов.

Для начала мы выделили три типа зданий в стандарте EN 15251, но методика определения, к какому типу относится существующее или проектируемое здание, недостаточно доработана.

Для кого работает система вентиляции? Для людей, только что вошедших в помещение (неадаптированные), или для тех, кто уже находится в помещении (адаптированные)? Здесь появляются различия в философии, принятой в стандартах ASHRAE 62.1 и EN 15251.

В конференц-залы, аудитории, лекционные залы большинство людей входят одновременно. После этого проходит какое-то время, прежде чем интенсивность запахов достигнет неприемлемого уровня, а люди за это время адаптируются. В этом случае более подходящей может быть интенсивность вентиляции, основанная на адаптированных людях.

Могут быть и другие помещения, в которых вентиляция рассчитывается для неадаптированных людей, например, в первоклассных ресторанах, офисах и торговых центрах.

Было бы логично использовать более дифференцированные критерии. Значения, приведенные в таблицах, основаны на полном смешивании, и на практике эффективность вентиляции учитывается очень редко. Одна из трудностей заключается в том, что у некоторых вентиляционных систем может быть разная эффективность в зимнее и летнее время года. Если температура приточного воздуха ниже комнатной температуры, эффективность вентиляции обычно равна 1 или больше, однако, если вентиляционная система используется для отопления в зимнее время, эффективность вентиляции может опускаться до 0,5 и на практике интенсивность вентиляции необходимо удвоить. Требуется больше информации и большее внимание к этому вопросу.

EN 15251 не учитывает очистку воздуха, в отличие от ASHRAE 62.1. Сегодня все больше интереса проявляется к разработке оборудования для очистки воздуха. Это может стать приемлемым способом уменьшения расхода наружного воздуха, позволит сэкономить энергию, при этом обеспечит должное качество внутреннего воздуха. Однако нужны улучшенные методики испытаний воздухоочистителей, потому что испытания обычно основываются на химических анализах, а полученное влияние на запах или ощущаемое качество воздуха не учитывается. Необходимо определить, какие виды загрязняющих веществ должны применяться во время испытаний. Некоторые воздухоочистители эффективно справляются с летучими органическими соединениями (выделениями от материалов), но обладают нулевым или даже отрицательным эффектом, если источником загрязнения является человек (биологические выделения).

Литература

1. ASHRAE 62.7 Ventilation for acceptable indoor air quality, Atlanta, GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 2007.
2. Gunnarsen L., Fanger P. O. Adaptation to indoor air pollution. Environment International. 1992.

Перепечатано с сокращениями из журнала «REHVA Journal».

¹ См. статьи «США – ЕВРОПА разногласия остаются. Результаты форума REHVA» (№ 5, 2009), «Проблемы сравнения энергетических характеристик зданий» (№ 2, 2010).

Комментарий редакции

Статья представляет большой интерес для российских специалистов с нескольких точек зрения.

Во первых, она подчеркивает жесткую зависимость между энергосбережением и качеством воздуха внутри зданий.

Во вторых, четко разъясняет разный подход в европейских и американском стандарте при определении минимального расхода наружного воздуха (для неадаптированных или адаптированных людей). Последнее условие лишний раз подчеркивает недопустимость слепого копирования и использования в России зарубежных стандартов.

В третьих, даже в европейских странах существует острая необходимость в более совершенной сертификации и маркировке строительных и отделочных материалов, используемых в зданиях, и это еще более важно для России, где необходимый контроль практически отсутствует.

Наконец, нельзя не отметить одно важное условие, принятое в таблице: площадь помещения, приходящаяся на одного человека, составляет 10 м² вместо 5–6 м², принимаемых в России.

И в заключение можно только согласиться с автором, что для обоснованного определения минимального расхода наружного воздуха в общественных зданиях требуется больше информации и большее внимание к этому вопросу. Это замечание относится и к жилым зданиям. К сожалению, непонятно, кто и когда будет заниматься этими проблемами в России.

Научный редактор, канд. техн. наук,
вице-президент НП «АВОК» М. Г. Тарабанов