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.
- Первый класс – количество СО2 – до 400 см3/м3. Качество воздуха – высокое, а уровень микроклимата в помещении – оптимальный.
- Второй класс – концентрация СО2 - 401 - 600 см3/м3. Качество воздуха – среднее, показатель микроклимата – оптимальный.
- Третий класс – наличие углекислого газа определяется в пределахот 601 до 1 000 см3/ м3. Качественный показатель воздуха и микроклимата – допустимый.
- 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/(gH – g0 )), м3/ч (1)
где G – это то количество СО2, которое выделяет человек в помещение, г/ч;
gн 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"
Вентиляционные системы | Коэффициент эффективности воздухораспределения |
Перемешивающая вентиляция, при которой кратность воздухообмена составляет более 2,5 ч–1, в том числе с рециркуляцией, со сплит-системами и фэнкойлами | 1,0 |
Изотермические вентиляционные системы или вентиляция, которая соединена с воздушным отоплением и имеет схему воздухораспределения «сверху - вверх», при этом кратность воздухообмена не превышает 1,5 ч–1 | 1,1–1,3 |
Системы вытесняющей вентиляции (displacement ventilation) | 0,6–0,8 |
Персональная вентиляционная система, при которой подача приточного воздуха осуществляется в зону дыхания | 0,3–0,5 |
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 ∙ Lб, м3/ч, (2)
где Lб –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
- Показателем, по которому определяется качество воздуха в любых помещениях, может являться концентрация СО2.
- 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