Углекислый газ как показатель эффективности вентиляционных систем

Не только экологи, диагносты, доктора, но и инженеры, а также проектировщики систем вентиляции и кондиционирования воздуха большое внимание уделяют тому, как влияет качество воздуха в помещениях на здоровье и самочувствие людей. Физическое здоровье человека напрямую зависит от того, какого качества воздух поступает в организм. Если человек постоянно вдыхает загрязненный воздух, то развиваются различные заболевания, концентрация внимания значительно снижается, возникает недомогание и другие нежелательные последствия.

Системы вентиляции удаляют из помещения следующие вредные соединения:

• загрязнители, представляющие собой газообразные вещества, которые выделяются человеком в окружающую среду во время дыхания и через кожный покров (к примеру, ацетон, аммиак, сероводород);
• химические летучие компоненты, которые испаряются как с поверхности мебели, так и с материалов, применяемых для отделки помещения.

При нормальных условиях окружающей среды во время дыхания человека меняется процентный состав в основном двух составляющих воздуха – кислорода (О₂) и углекислого газа (СО₂). В результате процессов метаболизма в человеческом организме происходят такие изменения:

• количество О₂ в воздухе, который выдыхается, уменьшается с 20,9 до 16,3 %;
• количество СО₂ увеличивается с 0,03 до 4 %.

Несложно подсчитать, что процентное соотношение СО₂ увеличивается больше, чем в 100 раз. Ученые пришли к выводу: степень концентрации газообразных загрязнителей, выделяемых человеком в процессе жизнедеятельности, тесно связана с изменением показателя СО₂, который выделяется во время дыхания человека. Таким образом, определенное количество углекислого газа – показатель, по которому судят о качестве воздуха.

Другие вредные для организма вещества газообразного состояния, которые скапливаются в помещениях (их выделяет мебель и отделочные материалы), считаются равнозначными углекислому газу. Речь идет об ацетоне, аммиаке, фенолформальдегидах и других вредных компонентах. Данные загрязнители воздуха (в первую очередь, формальдегиды и анилины) по отношению к тем, что выделяет человек, в основном равнозначны и выводятся при помощи воздухообмена, который рассчитан по процентному содержанию углекислого газа.

Если в помещении нет людей, то фоновая кратность воздухообмена 0,1–0,2 ч^–1 достаточна для вывода вредных соединений, исходящих от мебели и отделочных материалов.

Согласно ГОСТу 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», существует 4 класса качества воздуха в помещениях. Каждый класс определяется уровнем концентрации СО₂.

1. Первый класс – количество СО₂ – до 400 см³/м³. Качество воздуха – высокое, а уровень микроклимата в помещении – оптимальный.
2. Второй класс – концентрация СО₂ - 401 - 600 см³/м³. Качество воздуха – среднее, показатель микроклимата – оптимальный.
3. Третий класс – наличие углекислого газа определяется в пределахот 601 до 1 000 см³/ м³. Качественный показатель воздуха и микроклимата – допустимый.
4. Четвертый класс – количество углекислого газа – более 1 000 см³/м³. Качество воздуха – низкое, а концентрация СО₂ – недопустимо высокая.

Такой подход к определению качества воздуха и нужного воздухообмена по отношению к традиционному (брался во внимание удельный расход воздуха или кратность воздухообмена) имеет свои преимущества, а именно:

• при определении воздухообмена есть возможность учесть, насколько загрязнен наружный воздух;
• возникает стимул для повышения результативности функционирования вентиляционной системы: предупреждать пересечение приточными струями загрязненных зон в помещении, обеспечивать доступ свежего воздуха в зону дыхания;
• возможность учитывать наличие свежего воздуха в помещении до того, как оно будет заполнено людьми;
• адекватность и точность контроля относительно качества воздуха повышается, так как определение процентного соотношения углекислого газа в помещении производится за счет прямых измерений;
• появляется возможность определить фоновый воздухообмен, чтобы удалить в нерабочее время вредные выделения, исходящие от мебели, а также отделочных материалов.

Данные о процентном содержании СО₂ во внешнем воздухе можно получить на станции метеорологического наблюдения. Приблизительные среднегодовые показатели количества СО₂ в окружающем воздухе следующие:

• в сельской местности – 350 см³/м³;
• в небольших городах – 375 см³/м³;
• в центре большого города – 400 см³/м³.

Показатель воздухообмена системы перемешивающей вентиляции, которая является наиболее часто применяемой, определяют при помощи формулы:

L = 55 ∙ 10⁴ ∙ (G/(g_H – g₀ )), м³/ч (1)

где G – это то количество СО2, которое выделяет человек в помещение, г/ч;
g_н и g₀ – это нормативная концентрация углекислого газа и его количество в наружном воздухе, см³/м³.

Предположительно перемешивающая вентиляция распределяет равномерно в помещении как воздух, так и количество вредных соединений, к которым относится и углекислый газ. Его количество будет одинаковым во всех точках помещения (рис. 1а). Стоит отметить, что перемешивающая вентиляция характеризуется высокой кратностью воздухообмена, которая составляет не менее 3 ч–1.

Рисунок 1.

Как распределяется СО2 при разных видах вентиляции: перемешивающей (а), короткозамкнутой (б), вытесняющей (в)

Во многих административных и офисных помещениях для того, чтобы разместить системы воздухораспределения,применяют подшивные потолки, в которых монтируют приточные и вытяжные конструкции. Кратность воздухообмена при данном исполнении находится в пределах 1,0–1,5 ч–1.

Если применяется изотермическая вентиляция или возникает несущественный перегрев приточного воздуха, то по короткому путибольшое количество свежего воздуха засасывается в вытяжные решетки. Таким образомвозникает короткозамкнутая циркуляция (рис. 1б). При таком виде воздухообмена углекислый газ, который выдыхают люди, накапливается в значительном количестве. Его степень насыщенности намного выше, чем в удаляемом воздухе. Такой вид вентиляции служит примером неэффективной организации процесса воздухообмена.

Следует знать: углекислый газ имеет молекулярный вес, который более чем в полтора раза больше по сравнению с весом воздуха. Это способствует накоплению СО2 в нижней части помещения.

Таблица "Результативность воздухораспределения"

Вытесняющая вентиляция – это пример эффективной конструкции, при которой свежий воздух подается в обслуживаемую зону малыми скоростями из распределителей воздуха, имеющих большую поверхность. При этом приточный воздух равномерно заполняет помещение, а загрязненный выводится вверх и удаляется из помещения (рис. 1в). В описываемом примере концентрация СО2 в обслуживаемой зоне меньше, чем в воздухе, который выводится.

Фактически при всех трех вариантах воздухообмена (рис. 1) качество воздуха будет значительно отличаться, хотя формально воздухообмен может быть одинаковым при традиционном подходе к проектированию.

Сколько потребуется воздуха для вентиляции помещения, нужно высчитывать, беря во внимание приведенный в таблице коэффициент эффективности воздухораспределения (η):

L = η ∙ L_б, м³/ч,  (2)

где L_б –базовое количество наружного воздуха, определяемое в соответствии с действующими нормами, м³/ч.

Пример: при норме насыщенности углекислого газа в 800 см³/м³ и его количестве в наружном воздухе 400 см³/м³ для рабочего места в административном здании при выделении от человека СО₂ 45 г/ч (количество актуально для взрослых людей, которые заняты умственным трудом) по формуле (1) определяется расход наружного воздуха в вентиляционной системе: L = 61,875 м³/ч ~ 60 м³/ч.

Таким образом, перемешивающая вентиляционная система должна подать именно такое количество воздуха на одно рабочее место. Согласно приведенным в таблице данным, имеем следующее:

• короткозамкнутой вентиляции необходимо уже 66–78 м³/ч;
• вытесняющая уменьшит обмен воздуха до 36–48 м³/ч;
• персональная – до 18–30 м³/ч.

Получается, что при одинаковом качестве воздуха отличие в обмене воздуха и в энергетических затратах, которые заключаются в доставке воздуха по системе воздуховодов, его нагреве, охлаждении, может составлять от полутора до двух раз.

Распределение полей насыщенности СО₂ в объеме помещений определяетсяпредельно точно, однако в основном задачи моделирования воздушно-теплового режима помещений осуществляются исключительно для уникальных объектов. На рис. 2 показано примерное распределение насыщенности СО₂ при работе вытесняющей вентиляционной системы (а) и в области действия приточной воздушной струи (б).

Линии равных концентраций СО₂ в плане помещения при работе вытесняющей вентиляционной системы (а) и в струе приточного воздуха (б)

Еще одной характеристикой эффективности вентиляционной системыявляется продолжительность сохранения свежести воздуха (время жизни свежего воздуха), т.е.временной промежуток от момента выхода воздуха из воздухораспределителя до времени его попадания в зону дыхания. В разных вентиляционных системах эта величина разная, а именно:

• в системах персональной вентиляции - менее 1 секунды;
• в вытесняющих системах - до 20–30 секунд;
• в короткозамкнутых - до 10 мин.

Из этого следует, что эффективность системы распределения воздуха, т.е. время жизни свежего воздуха, определяется как первый показатель адаптивности вентиляционных систем.

Второй показатель - это соответствие объема СО₂ величине обмена воздуха. Традиционные системы вентиляции спроектированы согласно расчетной наполняемости помещения людьми, если регулировать воздухообмен не представляется возможным.

Пример: если расчетное количество работающих в офисе людей составляет тысячу человек, то это означает, что система должна подавать и удалять в постоянном режиме 60 000 м³/ч воздуха. Однако,если учесть пребывание работников в отпусках, командировках, на больничных,то получается, что фактическая наполняемость помещения находится в пределах, не превышающих 70% от расчетной. Кроме того, даже при фиксированном рабочем режиме офиса первые работники приступают к выполнению обязанностей на 1–2 часа раньше, а последние покидают рабочее место на 3–4 часа позже.

Получается, что традиционная вентиляционная система будет функционировать в расчетном режиме с того момента, как приходят первые сотрудники, и до времени, когда покидают помещение последние.

Адаптивная вентиляция – система с переменным расходом воздуха, при которой есть возможность регулировать обмен воздуха по зонам или отдельным помещениям в зависимости от того, насколькопомещение заполнено людьми. Адаптивные вентиляционные системы дают возможность сохранить оптимальный баланс между качеством воздуха и энергетическими затратами, а также позволяют поддерживать такой микроклимат в помещении, который является комфортным для пребывания людей и положительно влияет на их самочувствие.

На рисунке 3 - графики режима функционирования традиционной вентиляционной системы, при которой сохраняется постоянный обмен воздуха, и адаптивной конструкции в зависимости от того, насколько наполнено помещение работниками. Заштрихованная частьпоказывает экономию расхода воздуха и энергии в адаптивной вентиляционной системе, которая может составлять от 40% до 50%.

График функционирования вентиляционной системы

Специальный датчик измеряет количество СО₂ и при его повышенной концентрации подает сигнал для регулирования обмена воздуха в адаптивной вентиляционной системе. Как только датчик сигнализирует, заслонки-регуляторы изменяют расход воздуха, который поступает в офис. После чего сигнал поступает на приточную и вытяжную вентиляционные установки, которые оснащены частотным приводом, что позволяет корректировать воздухопроизводительность вентиляторов.

Место расположение датчиков, определяющих насыщенность СО₂, играет большую роль. В перемешивающей вентиляционной системе данный прибор может быть смонтирован в сборном вытяжном воздуховоде, в других случаях местом его расположения является обслуживаемая область, зона дыхания (рисунок 1).

Итоги

1. Показателем, по которому определяется качество воздуха в любых помещениях, может являться концентрация СО₂.
2. При выборе вентиляционных систем важный показатель адаптивности – это эффективность воздухораспределения. Необходимо добиваться того, чтобы поступающий свежий воздух попадал в зону дыхания по самому короткому пути и при этом не пересекал загрязненные зоны, где происходит выделение вредных веществ.

Важным моментом является обеспечение соответствия расхода поступаемого воздуха степени наполняемости помещения людьми. Если сохраняется высококачественный воздух и применяется адаптивная вентиляционная система в помещениях, где отмечается нестабильное количество людей (к примеру, на вокзалах, в офисах, аэропортах, спортивных, развлекательных и торговых центрах), то экономия энергии в сравнении с традиционными вентиляционными системами может составлять от 30 до 50%.

Статья подготовлена на основе материалов с сайта www.abok.ru