Описание:

Еще несколько лет назад в отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена. В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции.

К вопросу о нормировании воздухообмена по содержанию CO 2 в наружном и внутреннем воздухе

И. М. Квашнин , канд. тех. наук, ведущий специалист НПП «Энергомеханика»

И. И. Гурин , директор компании Alfaintek Oy

В журнале «АВОК», № 4, 2008, была опубликована статья Ю. Д. Губернского и Е. О. Шилькрота «Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? », которая вызвала большой интерес у специалистов. Представленный в статье материал показывает, что хотя проблеме нормирования воздухообмена по СО 2 уделяется много внимания, материала для решения этого вопроса пока не достаточно. Данная статья предлагает продолжить обсуждение этой проблеммы.

Еще несколько лет назад в отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО 2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена. В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции. Высокие концентрации углекислого и других газов в наружном воздухе больших городов приводят к необходимости выбора: либо интенсифицировать воздухообмен, вызывая цепную реакцию увеличения потребления энергоресурсов путем сжигания органического топлива с дополнительным загрязнением атмосферы (в том числе СО 2), либо производить очистку приточного воздуха от газов. Это соответствует последним исследованиям ученых о вреде двуокиси углерода для здоровья людей при повышении концентрации в два–три раза по сравнению с чистым атмосферным воздухом.

По данным современной медицины, в составе метаболических (жизнедеятельностных) выделений организма человека выявлено несколько сотен химических соединений, из которых более двухсот веществ – с поверхности кожи и свыше ста – с выдыхаемым воздухом. Одним из наиболее интересных веществ является углекислый газ. Это относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха. По данным большинства источников, его концентрация составляет примерно 0,03 % от объема (об.), то есть в 1 м 3 содержится 0,3 л, или 0,3/22,4 = 0,01339 моль (по данным БСЭ – 0,0314 % об.). Зная молекулярную массу диоксида азота 44 г/моль, легко определить его массу в 1 м 3 , а именно: 44 х 0,01339 = 0,589 г. Концентрация, соответственно, равна 589 мг/м 3 . В таких количествах углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. По ГОСТ 8050-85 «Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия» плотность газообразной двуокиси углерода составляет 1,839 кг/м 3 , то есть примерно в 1,5 раза больше воздуха. В таблице 1 приведены формулы перевода величин из одних единиц в другие. Как в отечественных нормативных документах, так и в зарубежных отсутствует норматив предельно допустимой концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. Очевидно, что содержание в воздухе СО 2 будет различным в сельской местности, небольших и крупных городах. Фоновые концентрации определяются выбросами автотранспорта, сжиганием топлива на предприятиях теплоэнергетики и работой промышленных предприятий. Затруднение заключается в том, что мониторинг за уровнем СО 2 службами Центра по гидрометеорологии не ведется. За рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, является типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету при оценке наружного воздуха для проектирования систем вентиляции и кондиционирования. Европейский стандарт ЕН 13779 «Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems» в качестве общего базового руководства предлагает принимать концентрацию углекислого газа в сельской местности 350 ppm, в небольших городах 400 ppm, в центрах городов 450 ppm. На самом деле она может быть существенно выше. Например, измерения в центре Москвы в безветренную погоду в конце лета в районе Садового кольца показали, что при достаточно интенсивном движении транспорта уровень СО 2 поднимался до 900 ppm (0,09 % об.). Погуляв несколько часов эту концентрацию и без приборов ощутит на себе каждый в виде головной боли.

Примечание:
С а – числовое значение концентрации в заданных единицах;
С х – числовое значение концентрации в искомых единицах;
М – молекулярная масса газа;
Р – общее давление газовой смеси, Па;
Т – температура, °К.

Одним из способов, широко применяемых на Западе, для определения требуемой интенсивности воздухообмена в общественных зданиях, является использование углекислого газа в качестве индикатора качества воздуха. По его концентрации судят о содержании других веществ, выделяемых человеком, которых в относительных концентрациях (отношение фактической концентрации к ПДК) образуется меньше. При снижении уровня СО 2 разбавлением приточным воздухом одновременно снижается уровень концентрации других веществ. Углекислый газ выбран из-за того, что его концентрацию легко измерить с достаточно высокой точностью и его массовое выделение значительно больше других вредных веществ.

Общеизвестно, что один человек в спокойном состоянии, например работник офиса, за один час потребляет 20–30 л кислорода с выделением 18–25 л углекислого газа, а при занятиях в фитнес- и тренажерных залах – до 36 л и более. Если во вдыхаемом воздухе содержится 0,03 % (об.) СО 2 , то в выдыхаемом – 3,6 % (об.), то есть возрастает более чем в 100 раз. Интенсивно выделяется углекислый газ от газовой плиты при приготовлении пищи. При возрастании содержания в воздухе значения CO2 выше определенной величины человек начинает чувствовать себя дискомфортно, может впадать в дремотное состояние, возникают головные боли, тошнота, чувство удушья. Его влияние настолько постепенное и слабое, что его трудно сразу обнаружить. Этот предел индивидуален для различных людей – мужчин и женщин, детей. Однако до недавнего времени в отечественных документах отсутствовал норматив качества воздуха помещений для углекислого газа. Лишь гигиеническими нормативами в 2006 году введена максимально разовая ПДК равная 13 790 ppm (27 000 мг/м 3) и среднесменная 4 597 ppm (9 000 мг/м 3) для воздуха рабочей зоны производственных помещений. Для сравнения: в США эти цифры составляют 30 000 ppm (58 740 мг/м 3) и 5 000 ppm (9 790 мг/м 3), соответственно. В шахтах на рабочих местах допускается концентрация 0,5 % (об.) или 5 000 ppm. В соответствии с ГОСТ 8050-85 «При концентрациях более 5 % двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека… При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья». Напомним, что максимально разовая и среднесменная концентрация ПДК воздуха рабочей зоны определяются ГОСТ 12.1.005-88 и гигиеническими нормативами ГН 2.2.5.1313-03, ГН 2.2.5.1314-03.

Для помещений жилых и общественных зданий этот норматив по-прежнему отсутствует. Коллизия возникает в связи с тем, что в соответствии со СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» , СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям» и др. для этих помещений норматив качества принимается равным для воздуха населенных мест (ГН 2.1.6.1338-03; ГН 2.1.6.1339-03), который, как отмечалось выше, отсутствует. Однако, в отличие от многих других загрязняющих веществ, практически не выделяющихся в помещениях, содержание двуокиси углерода интенсивно увеличивается. Интересно, что еще в справочнике Р. В. Щекина 1976 года приводится расчет требуемого воздухообмена на разбавление СО 2 одним человеком.

Европейский стандарт 2004 года предлагает разделять воздух в помещениях с пребыванием людей на категории качества от IDA 4 – низкое, IDA 2 и 3 – среднее, до IDA 1 – высокое. Предполагается несколько способов определения категории качества. Один из них оценивает превышение уровня СО 2 , как индикатора, в воздухе помещений над наружным воздухом (табл. 2).

Таблица 2

Категория помещения Превышение уровня СО 2 в помещении над его содержанием в наружном воздухе, ppm Типичный диапазон Задаваемое значение IDA 1 <400 350 IDA 2 400–600 500 IDA 3 600–1 000 800 IDA 4 ≥1000 1 200

Зная местонахождение здания (сельская местность, город) и уровень концентрации СО 2 в наружном воздухе легко определить его расчетное содержание в воздухе помещения. Далее приводятся рекомендации по установке определенных классов фильтров, как правило, не менее двух ступеней, для достижения необходимой чистоты воздуха в соответствии с требуемой категорией качества IDA. Это касается не только твердых пылевых частиц, но и основных газов: NO x , SO 2 , полициклических ароматических углеводородов и летучих органических соединений. Стандарт гласит: «В городской среде рекомендуется использование молекулярных (газовых) фильтров». Отметим, что по представлению ассоциации АСИНКОМ европейский стандарт принят без изменений как отечественный ГОСТ Р ЕН 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к вентиляции и кондиционированию». ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ объявило о том, что он вводится в действие с 1 октября 2008 года.

Допустимое приемлемое значение содержания углекислого газа в помещениях с пребыванием людей было установлено гигиенистами и принято, например, стандартом ASHRAE 62-1989 на уровне 1 000 ppm (1 958 мг/м 3) или 0,1 % (об.). На эту величину опираются многие авторы при расчетах воздухообмена. Это значение фигурирует в СП 2.5.1198-03 «Санитарные правила по организации пассажирских перевозок» для железнодорожных вокзалов и СанПиН 2.5.1.051-96 «Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации» для кабин воздушных судов. Зная выделение СО 2 одним человеком в офисе – 18 л/ч (0,005 л/с) или 35 200 мг/ч по формуле (Л.2) СНиП 41-01-2003 требуемый расход приточного воздуха для одного человека равен

L = 35 200 / (1 958 – 589) = 25,7 м 3 /ч.

В единицах л/с и ppm L = х 106 = 7,14 л/с.

Первым отечественным документом, в котором предпринята попытка регламентировать содержание СО 2 в наружном и внутреннем воздухе, является стандарт АВОК «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена» . В качестве рекомендуемой справочной предлагается предельно допустимая концентрация в наружном воздухе: сельская местность – 332 ppm (650 мг/м 3), малые города – 409 ppm (800 мг/м 3), большие города – 511 ppm (1 000 мг/м 3). Верхний допустимый предел концентрации СО 2 в помещениях жилых и общественных зданий не должен превышать концентрацию в наружном воздухе на 638 ppm (1 250 мг/м 3). В этом случае требуемый воздухообмен на 1 человека составит 28 м 3 /ч.

В результате последних исследований, проведенных индийскими учеными в городе Калькутта , было выяснено, что так же, как NO 2 , СО 2 является потенциально токсичным для человека даже в низких концентрациях, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, такие, как увеличение напряжения CO 2 в крови, увеличение концентрации ионов бикарбоната в крови и моче, ацидоз и т. д. Для выявления того, как влияет уровень СО 2 в воздухе на процессы в организме человека, были проведены замеры уровня бикарбоната в крови и в моче человека. Всего было исследовано 593 человек из жилого, коммерческого и промышленного районов города и контрольной зоны, находящейся в экологически чистой сельской местности. Уровень бикарбоната в сыворотке крови – биологический показатель влияния СО 2 – оказался в среднем на 60 % выше у жителей Калькутты, чем у жителей сельских районов, причем самым высоким он был у жителей промышленной зоны. В городе Калькутта СО 2 присутствовал в воздухе в концентрациях от 0,03 до 0,06 %. Уровень вентиляции в помещениях был адекватным почти в 75 % жилых и рабочих помещений. Принимая во внимание то, что увеличение уровня СО 2 в атмосфере ведет к увеличению его концентрации в воздухе помещения, можно сказать, что он может явиться причиной увеличение уровня бикарбоната в крови.

В своих работах , английский ученый D. S. Robertson пишет, что уровень углекислого газа в атмосфере, при котором человечество может выжить, значительно ниже, чем предполагалось, поэтому безопасный для человека уровень углекислого газа требует пересмотра. Он рассчитал максимальный безопасный для человека уровень углекислого газа в атмосфере, составляющий 426 ррm. Ученый также считает, что под влиянием углекислого газа, уровень которого выше указанной цифры, происходит снижение величины pH в сыворотке крови, что ведет к ацидозу. Симптомы начальной степени ацидоза следующие: состояние перевозбуждения и умеренная гипертензия. Далее к ним добавляются сонливость и состояние беспокойства и как следствие уменьшение желания проявлять физическую активность. Существует вероятность того, что когда концентрация углекислого газа в атмосфере достигнет 426 ppm, а это может случиться раньше, чем через два поколения, здоровье, по крайней мере, некоторой части населения Земли, ухудшится.

Финские ученые под руководством Olli Seppanen провели 21 эксперимент на основе более 30 000 испытуемых по исследованию влияния концентрации углекислого газа. Если уровень углекислого газа в офисном помещении был ниже 800 ppm (0,08 % об.), такие симптомы, как воспаление глаз, заложенность носа, воспаление носоглотки, проблемы, связанные с дыхательной системой, головная боль, усталость и сложность с концентрацией внимания, которые возникали у сотрудников при более высокой концентрации СО 2 , значительно снижались.

В пресс-релизе ежегодной конференции Европейского респираторного общества в 2006 году были опубликованы результаты исследований, проведенных в пяти странах ЕЭС группой итальянских ученых. Исследования показали, что 68 % детей испытывают на себе негативное влияние СО 2 выше уровня 1 000 ppm. У них наблюдалось тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит чаще, чем у других детей. Были сделаны следующие выводы: у детей, находящихся в помещении с высоким уровнем СО 2 , в 3,5 раза выше риск возникновения сухого кашля и в 2 раза – развитие ринита. Они имеют более уязвимую носоглотку, чем их ровесники.

В исследовании корейских ученых о влиянии концентрации СО 2 в помещении на приступы астмы у детей, в домах и квартирах, где живут дети больные астмой, замерялся уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха в помещении, таких как СО, NO 2 , аллергены и СО 2 . В результате данных исследований были сделаны выводы о том, что самым важным фактором, влияющим на возникновение приступов астмы у детей, является только уровень концентрации СО 2 .

Принимая допустимую концентрацию СО 2 в наружном воздухе мегаполиса 450 ppm, а оптимальную во внутреннем воздухе 800 ppm требуемый воздухообмен на 1 человека составит

L = 106 = 14,29 л/с = 51,4 м 3 /ч.

Реально концентрация в наружном воздухе может быть еще выше, а внутри помещения могут быть другие источники выделения СО 2 , например при приготовлении пищи. При разности содержания СО 2 в наружном и внутреннем воздухе 100 ppm требуемый воздухообмен составит 180 м 3 /чел., что превышает разумные пределы.

В качестве одной из мер новый американский стандарт ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2004 предусматривает динамическое изменение режимов работы вентиляции жилых и общественных зданий. Это реализуется средствами DCV (Demand-Controlled Ventilation, DCV), путем регулирования количества подаваемого свежего воздуха сверх минимально необходимого по мере изменения реально складывающейся обстановки, определяемой количеством людей, присутствующих внутри вентилируемого объема. Объективной предпосылкой к использованию в отечественной практике является значительное удешевление за последние годы инверторных схем управления скоростью вентилятора путем использования все более доступных частотно-регулируемых приводов. Технология DCV доступно рассмотрена в статье . Однако такой мерой не всегда можно добиться эффективного результата.

О другой мере по снижению содержания вредных газов в воздухе помещений П. Оле Фангер писал в своей статье : «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 химических веществ, присутствующих внутри здания в очень малых концентрациях, при использовании указанных двух методов может быть реально достижимой эффективность очистки более 80 %, то есть 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».

Фотокаталитическое окисление (ФКО) является очень многообещающей технологией для уменьшения летучих органических соединений (ЛОС) в воздухе помещения. Однако исследования, проведенные Национальной лабораторией Л. Беркли в 2005 и 2007 годах, показали, что метод фотокаталитического окисления уменьшает количество ЛОС в воздухе помещения, но производит формальдегид как побочный продукт. Ученые считают, что для применения данного метода необходимо провести дальнейшее изучение, с тем чтобы либо уменьшить количество формальдегидов и ацетальдегидов, получаемых в результате реакции, либо соединить эту технологию с применением газоочистителей, для того чтобы улавливать токсичные побочные продукты до того, как они попадут в помещение. К этому необходимо добавить, что ФКО не удаляет углекислый газ, а наоборот – добавляет его в помещение, так как конечными продуктами реакции должны быть СО 2 и вода.

В настоящее время наиболее безопасными для очистки воздуха от газов в помещениях, где находятся люди, можно считать фильтры, основанные на методе адсорбции загрязняющих веществ в составе приточных вентиляционных установок. В качестве фильтрующего элемента используют активированный уголь и высокоэффективные материалы. Такие фильтры уже предлагаются на климатическом рынке.

Если возможность поддержания качества воздуха на высоком уровне при помощи вентиляционных систем не представляется возможным, можно удалять его избыток бытовыми адсорберами углекислого газа.

Выводы

1. Углекислый газ является токсичным для человека даже в относительно низких концентрациях. Его нельзя рассматривать только как индикатор эффективности вентиляции. Наилучшим для человека в помещении является уровень углекислого газа, максимально приближенный к атмосферному.

2. Концентрация СО 2 требует постоянного контроля в помещениях с пребыванием людей в промышленных городах и крупных мегаполисах, где промышленность и транспорт постоянно загрязняют атмосферный воздух углекислым и другими газами. Особенно это касается детских учреждений и других общественных зданий.

3. Рост углекислого газа в атмосфере, особенно в крупных городах из-за выбросов автотранспорта, предприятий энергетики и промышленности, вызывает необходимость в увеличении воздухообмена в помещениях с пребыванием людей. Это приводит к повышенным затратам энергии и увеличению выбросов СО 2 при ее выработке. Выход из ситуации заключается в достижении разумного оптимума между количеством приточного наружного воздуха и требуемой очисткой от углекислого и других газов.

Литература

1. ГОСТ 8050-85. Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия.

2. Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

3. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.2100-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (дополнение N 2 к ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны).

4. РД-06-28-93. Правила безопасности при строительстве (реконструкции) и горнотехнической эксплуатации размещаемых в недрах объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых.

5. СанПиН 2.2.3.570-96. Гигиенические требования к предприятиям угольной промышленности и организации работ.

6. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

7. СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям.

8. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Книга вторая. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Р. В. Щекин и др. – Киев: Будiвельник, 1976.

9. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пас-сажирских перевозок.

10. СанПиН 2.5.1.051-96. Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации.

11. АВОК СТАНДАРТ – 1 2002. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.

12. Dr. R. N. Chaudhuri, Dr. D. Sengupta. Report of the research project on evaluation of environmental N02, C02, benzene and lead exposures of Kolkata population by biological monitoring techniques.

13. D. S. Robertson. Health effects of increase in concentration of carbon dioxide in the atmosphere. Current science, vol. 90, no. 12, 25 june 2006.

14. D. S. Robertson. The rise in the atmospheric concentration of carbondioxide and the effects on human health. Med. Hypotheses, 2001, 56.

15. Olli Seppanen. Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качественного микроклимата помещений // АВОК. – 2000. – № 5.

16. Stanke. В библиотеку проектировщика. Технологии DCV в системах вентиляции // Мир климата. – № 43.

17. П. Оле Фангер. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате, и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей // АВОК. – 2006. – № 2.

18. C. D. Keeling, T. P. Whorf. Atmospheric carbon dioxide record from Mauna Loa. Period of record 1958–2003. Carbon Dioxide Research Group, Scripps Institution of Oceanography, University of California, Internet source.

Исследования и уровень углекислого газа в помещениях.

В последние годы появились точные инфракрасные сенсоры для замера уровня углекислого газа в помещениях. Они входят в состав газоанализаторов и показывают концентрацию углекислого газа в режиме реального времени, поэтому их удобно ставить в жилых и общественных помещениях, школах и детских садах. Однако для того, чтобы от этих измерений была польза, нужны четкие нормы по уровню углекислого газа в помещениях. А их у нас пока нет. В странах Европы, США и Канаде, как правило, нормой считается 1000 ppm (0,1%). Да, в ближайшее время мы будем измерять уровень углекислого газа в минских квартирах и улицах.

Квартиры.

Повальное увлечение пластиковыми окнами, совершенно безрукие или неработающие вентиляционные системы усугубляют ситуацию. Я измерял в своей квартире: при плотно закрытых окнах и двери помещение объемом 16 кв. метров, уровень углекислого газа в помещении достигает 1500 ppm за полтора часа. Часто люди не обращают внимание на вытяжные вентиляционные отверстия в кухне и туалете. Некоторые даже замуровывают их при ремонте. Иногда сетка на вентиляционных отверстий настолько засорена, что практически останавливает работу вентиляции. Эти факторы способствуют ухудшению качества воздуха в квартире. Представьте, что вы и еще несколько человек находятся в одном небольшом замкнутом пространстве, активно двигаются, готовят кушать и т.д. Через какое-то время, если воздух не обновляется, в этом пространстве становится очень тяжело находиться, в воздухе сконцентрировано много загрязняющих веществ, в том числе углекислого газа

Спальня.

Для хорошего качества сна и здоровья человека необходимо, чтобы уровень СО2 в спальнях и детских комнатах был не выше 0,08%. Ученые Технологического Университета Делф (Delft University of Technology), Нидерланды, считают, что для сна важнее качественный воздух в спальне, чем продолжительность сна. Высокий уровень СО2 в спальнях может также усиливать храп.

Углекислый газ в помещении, оборудованном кондиционером.

Кондиционер дает поток холодного воздуха, перепада температур при выходе на улицу, бактерий, комфортно живущих в прохладе. Но, кроме этого, для экономии электроэнергии, при работе кондиционера закрывают все окна. При этом концентрация углекислого газа быстро достигает значительной величины и получается прохладный, но содержащий избыток углекислого газа воздух.

Школы.

Ещё более тревожные данные принесло масштабное международное исследование, проведённое по инициативе Европейского респираторного общества в школах Франции, Италии, Дании, Швеции и Норвегии. Оно показало, что в учебных заведениях, где концентрация CO2 в классах превышала 1000 ppm, подверженность учащихся заболеваниям респираторных органов повышалась в 2—3,5 раза. Правда, здесь необходимо сделать уточнение. Тем не менее исследователи проблемы пришли к заключению, что безопасный уровень CO2 в помещении не должен превышать 1000 ppm.

А в школах Департамент здравоохранения США рекомендует поддерживать уровень углекислого газа не выше 600 ppm. Кроме того, существует ещё одна норма: воздух в помещениях по содержанию CO2 не должен отличаться от наружного более чем на 350 ppm. Теоретически обеспечить такое соотношение должны системы вентиляции и кондиционирования.

Во многих школах проводится мониторинг качества воздуха по уровню углекислого газа. Конечно, не всегда и не везде этот уровень соответствует норме. Но в этом случае администрация школ обязана принять меры, чтобы улучшить положение. В Финляндии, например, школу, в классах которой обнаружен повышенный уровень углекислого газа, могут даже закрыть до тех пор, пока не будет налажена вентиляция.

Офисы.

В 2007 году доктор медицинских наук Ю. Д. Губернский (Институт экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сытина РАМН) и кандидат технических наук Е. О. Шилькрот (ОАО «ЦНИИПромзданий) провели исследования воздушной среды в московских офисах и на улицах Москвы. При том что измерения проводились далеко не в самые неблагополучные с точки зрения метеорологической обстановки дни, уровень углекислого газа на улицах составлял 1000 ppm. А в офисах концентрация CO2 достигала 2000 ppm и даже выше.

Часто переделывают под офис помещения без правильно работающей вентиляции, в этом случае проблемы гарантированы. Особенно это касается маленьких переговорок, в которые набиваются по 20 человек. Если в переговорку на 20 квадратов сядут 20 человек — то за час концентрация углекислого газа вырастет уже до 10"000 ppm углекислого газа в помещении — а это уже уровень, при котором мозги перестают работать. Поэтому в маленьких переговорках без постоянно дующей вентиляции со свежим воздухом (не кондиционер!) допустимое время нахождения 5-10 человек без снижения когнитивных способностей — не более 10-20 минут.

Для вентиляции на больших объектах — модно реализовывать управление мощностью измеряя концентрацию CO2 в отработанном воздухе — чтобы автоматически зря воздух не гонять, когда все из офиса ушли (на подогрев/охлаждение-то уходят огромные мощности).

Фитнес-залы.

Занимаясь в фитнес- или тренажерных залах вы также можете столкнуться с проблемой повышенного уровня углекислого газа, и вместо пользы нанесете вред своему организму. Это особенно актуально потому, что при физических нагрузках уровень концентрации углекислоты в крови и так повышается, и в плохо проветриваемом помещении человек почувствует признаки гиперкапнии (избыток углекислого газа).

Вызванные гиперкапнией испарину, головную боль, головокружение и одышку списывают на физическое утомление и воспринимают чуть ли не как доказательство своей двигательной активности. На самом деле, это может говорить о переизбытке углекислого газа в артериальной крови. Длительная гиперкапния характеризуется расширением сосудов миокарда и головного мозга, может привести к росту кислотности крови, вторичному спазму кровеносных сосудов, замедлению сердечных сокращений.

Что делать? Об этом я напишу в следующей статье.

Воздух состоит, как известно, из молекулярного азота (78%), молекулярного кислорода (21%), аргона (1%), небольшого количества паров воды и еще ряда веществ, содержание которых измеряется сотыми и тысячными долями процента. Среди них и углекислый газ, или, как его предпочитают называть ученые, - диоксид углерода (CO 2). Для удобства содержание CO 2 в воздухе оценивают не в процентах (сотых долях), а в миллионных долях, которые обозначают латинскими буквами ppm (part per million - частиц на миллион). Содержание углекислого газа в атмосфере Земли за всю историю ее существования колебалось в довольно широких пределах (см.: 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас). Сейчас его концентрация оценивается в 380–390 ppm (или 0,038–0,039%), хотя еще 50 лет назад она составляла всего 310–320 ppm. Основная причина роста содержания углекислого газа в атмосфере за последнее столетие - выбросы его при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа), а также сведение лесов.

Само существование жизни на Земле теснейшим образом связано с наличием в атмосфере углекислого газа. Во-первых, углекислый газ, наряду с парами воды и метаном, создает парниковый эффект - обеспечивает сохранение тепла, которое излучает нагретая солнечными лучами земля. Если бы в атмосфере не было парниковых газов, то средняя годовая температура воздуха у поверхности Земли была бы не +15°C, как сейчас, а –23°C.

Во-вторых, углекислый газ - это источник углерода для всех зеленых растений, планктонных микроскопических водорослей и цианобактерий. Используя энергию солнечного света, все эти организмы в ходе фотосинтеза производят из углекислого газа и воды органическое вещество, а в качестве побочного продукта выделяют кислород. Суть процесса фотосинтеза отражается простым уравнением:

CO 2 + H 2 O + энергия → (CH 2 O) + O 2 ,

где (CH 2 O) - обобщенная формула органического вещества.

Однако если в ходе фотосинтеза углекислый газ связывается (соответственно, изымается из атмосферы), то в ходе другого процесса - дыхания - он снова выделяется:

(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O + энергия .

В современной биосфере подавляющее большинство организмов получают необходимую им энергию именно в процессе аэробного дыхания - окисления органического вещества кислородом. Таким образом, жизнедеятельность множества организмов сама по себе оказывается важным источником углекислого газа. Наибольший вклад вносит дыхание грибов и бактерий, разлагающих отмершее вещество растительных тканей, а также дыхание самих растений (в первую очередь корней).

Сейчас ученые научились очень точно измерять концентрацию углекислого газа в воздухе. В самых разных точках Земного шара, от Аляски до Южного полюса существуют специальные станции, на которых в течение круглого года ведутся наблюдения за всеми изменениями содержания CO 2 . Собранные данные позволили построить трёхмерный график, показывающий зависимость количества углекислого газа в воздухе сразу от двух параметров - географической широты расположения станции и времени года (см. рис. 1).

Задача

Рассмотрите внимательно приведенный выше график сезонных изменений содержания углекислого газа в атмосфере на разных широтах. Обратите внимание на то, что для Северного полушария, особенно - области высоких его широт, характерны необычайно сильные колебания в содержании CO 2 . Максимальные значения отмечаются весной - в апреле–мае, а минимальные - осенью, в сентябре–октябре. В Южном полушарии подъемы и спады количества CO 2 также наблюдаются, но в противофазе тому, что происходит в Северном полушарии, а главное - с совсем незначительной амплитудой.
Задание. Попробуйте объяснить полученную картину. Из-за чего так сильно колеблется содержание углекислого газа в течение года и почему в Северном полушарии размах колебаний значительно больше, чем в Южном?

Если вам трудно разобраться в трёхмерном графике, приведенным выше, посмотрите еще на один (рис. 2). Он ориентирован по-другому: Южное полушарие ближе к вам, а Северное - дальше. Это другие годы, но характер сезонных изменений на разных широтах тот же самый: в Южном полушарии они выражены очень слабо, в Северном - сильно.

Подсказка 1

В качестве подсказки советую взять глобус (лучше даже сломанный, отвалившийся от подставки) и посмотреть на него внимательно со стороны Северного полюса и со стороны Южного. Ниже приведена соответствующая пара рисунков (рис. 3). Вам нужно понять, чем различаются Северное и Южное полушария и как эти различия могут сказаться на процессах поглощения и выделения углекислого газа.

Подсказка 2

Посмотрите на график сезонных изменений содержания углекислого газа, полученный за последние годы на астрофизической обсерватории Мауна-Лоа на острове Гавайи (рис. 4). Хотя это всего 20° с. ш., колебания концентрации CO 2 выражены очень четко. Самая высокая концентрация отмечается в мае, самая низкая - в сентябре-октябре.

Решение

Наверное вы обратили внимание на то, что Северное полушарие - преимущественно континентальное (бо льшую часть его занимает суша), а Южное - океаническое (в центре - покрытая льдом Антарктида, а вокруг - огромное пространство океана). Можно предположить далее, что суша и океан различаются по интенсивности процессов связывания и выделения углекислого газа. Из графика сезонных изменений концентрации CO 2 , полученным на Мауна-Лоа (рис. 4), следует, что в летние месяцы в Северном полушарии количество этого газа сильно снижается (минимум достигается осенью), а в зимние месяцы растет и достигает максимума к весне. Теперь нетрудно догадаться, что уменьшение содержания углекислого газа летом происходит благодаря деятельности растений, а именно - фотосинтезу, в ходе которого CO 2 потребляется. Рост растений, увеличение массы листьев, стеблей и корней происходит за счет углерода, который был поглощен ими из воздуха в форме углекислого газа.

Если за изъятие углекислого газа из атмосферы отвечает фотосинтез, то за его поступление - дыхание всех организмов, в первую очередь бактерий и грибов, разлагающих органическое вещество отмерших растений. Дыхание происходит и весной, и летом, и осенью, а с небольшой интенсивностью - и зимой, по крайней мере в тех местах, где сохраняются положительные температуры. Период вегетации (активного роста растений) в умеренных и высоких широтах ограничен концом весны - началом лета. Но именно тогда количество углекислого газа, связываемого быстро растущими растениями, существенно превосходит количество его, выделяемое в процессе дыхания всех организмов. Поэтому мы и наблюдаем в это время снижение концентрации углекислого газа в воздухе. Затем фотосинтез резко ослабевает, а дыхание всех организмов продолжается, что и приводит к накоплению CO 2 . Еще один дополнительный источник углекислого газа, работающий круглогодично, - это сжигание человеком ископаемого топлива.

Здесь читатель вправе заметить, что процессы фотосинтеза и дыхания имеют место не только на суше, но и в океане. Почему же над океаном мы не наблюдаем столь значительных изменений в содержании CO 2 в воздухе? Ведь наиболее активный фотосинтез происходит в море также весной и в начале лета, когда становится тепло, а главное - светло, и когда в воде содержится еще достаточно много элементов минерального питания (азота и фосфора в доступной форме). На самом деле сезонные колебания концентрации углекислого газа в Южном, океаническом, полушарии также существуют, но протекают они, естественно, в противофазе тому, что происходит в Северном. Удивительно, почему у них такая небольшая амплитуда. Здесь могут работать несколько механизмов.

Во-первых, океан (даже его верхние слои) обладает огромной теплоемкостью, что сглаживает сезонные колебания температуры в сравнении с происходящим на суше. Во-вторых, в воде углекислый газ хорошо растворяется (в холодной лучше, чем в теплой) - то есть существует физико-химический механизм связывания CO 2 ; правда, поверхностные слои океана могут и отдавать CO 2 атмосфере в случае низкого его там парциального давления. В-третьих, и это, пожалуй, самое главное - величина чистой первичной продукции, то есть количество органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза автотрофными организмами, в расчете на единицу площади для суши примерно в 2,5 раза выше, чем для океана. Фитопланктон не может обеспечить изъятие из окружающей среды такого количества CO 2 , которое изымает наземная растительность умеренных и северных широт. Колебания в содержании углекислого газа, обнаруживаемые обсерваторией на Мауна-Лоа, определяются прежде всего сезонностью в развитии растительности Евразии и Северной Америки.

Послесловие

Вообще-то, воздушная среда в сравнении с водной очень подвижна. Невольно возникает вопрос: почему перемешивание воздушных масс не выравнивает содержание углекислого газа в атмосфере Земли? Здесь необходимо напомнить, что воздух легко и быстро перемещается в широтном направлении, но не в меридиональном. Поэтому на Гавайских островах можно наблюдать результаты сезонного развития растительности на удаленных материках. Но в направлении «север - юг» мы видим сохранение серьезных различий в содержании CO 2 на разных широтах. Мешает меридиональному переносу ячеистая структура воздушной циркуляции. Воздух в районе экватора нагревается сильнее всего, поэтому он поднимается там вверх, расширяясь, движется к северу и югу, постепенно охлаждается и опускается в обоих полушариях к земле примерно на 30°. Потом этот охлажденный воздух движется у поверхности земли к экватору и замыкает круговорот. Таким образом формируются ячейки Гадлея , названные по имени описавшего их английского ученого XVIII века Джорджа Гадлея (George Hadley). Движение воздушных масс в каждой из этих ячеек заставляет двигаться соседние воздушные массы вниз, а затем к северу и югу (в зависимости от полушария). Это уже ячейки Феррела , названные в честь американского метеоролога XIX века Уильяма Феррела (William Ferrel). Наличие подобной ячеистой структуры циркуляции сильно препятствуют перемешиванию воздушных масс в меридиональном направлении, но не создает препятствий для движения по широте.

Насколько хватает проветривания комнаты? Можно ли водить машину в режиме рециркуляции? Что будет с человеком, когда кислорода не хватает? Пришлось все испытать на себе в нескольких опытах.

Как правило, летними жаркими днями многие из нас включают на полную мощь в помещении кондиционер, полагая, что он принесет заветную прохладу. Однако вместе с прохладным потоком воздуха коварное устройство приносит еще и простуду.

При этом не все знают, что в этот момент в помещении кислорода становится всё меньше и меньше. Это происходит потому, что большинство кондиционерных систем способно лишь охладить тот воздух, который мы с вами надышали в течение нескольких часов, а может даже и дней. То же самое происходит и в машине.

Симптомы, на которые стоит обратить внимание:

Летом все хорошо, а зимой полная апатия. У нас так любят называть это сезонной депрессией.
- утром все хорошо, а к вечеру уже мозги отказываются работать. Только как зомби листать интернет. Домой заходишь с дикой усталость бухнулся на диван.
- проснулся утром, без будильника и не выспался
- кофе зеленый чай - не дают ожидаемого эффекта, вы становитесь еще злее.
- спишь сколько хочешь, а сон все равно не запоминается.
- иногда нельзя удержать в мыслях что-то важное, оно забывается.
- утром встаем с дикой усталостью
- кажется что в комнате темно.

И если на рабочем месте у вас подобные симптомы, значит у вас - отравление. Что за отравление такое? Отравление углекислым (не стоит путать с угарным!) газом. Углекислый газ не такой уж и безвредный. Процессы связанные с повышением его концентрации, похожи на отравление. При изменении кислотности крови — процессы в организме идут с перебоями.

Недостаток кислорода сказывается крайне негативно на человеческом организме. Мы начинаем чувствовать себя уставшими и вялыми, пропадает желание что-либо делать физически, да и голова напрочь отказывается работать. Списывая вялое состояние на жару, мы продолжаем сидеть в душном офисе или квартире, не подозревая, в чем кроется истинная причина упадка сил.

Из основных факторов, ухудшающих качество воздуха, можно выделить следующие:

• Температура;


• Различные запахи;


• Уровень содержания газов в атмосфере.

Для измерения используется миллионная доля — единица измерения концентрации. Аналогична по смыслу проценту или промилле. Обозначается сокращением ppm (от англ. parts per million)

При этом известно, что последний фактор является самым важным. Поэтому следить за уровнем содержания CO2 в помещении - это первостепенная задача каждого человека. Cодержание CO2 в воздухе помещения определяется так:

• поступление свежего воздуха 15 cfm = 25,5 м3/час на одного человека, находящегося в помещении, соответствует уровню концентрации CO2 в 1000 ppm


• поступление свежего воздуха 20 cfm = 34 м3/час на одного человека, находящегося в помещении, соответствует уровню концентрации CO2 в 800 ppm

Нормы:

Итак, чтобы не стать сонной мухой, человеку необходим специальный будильник .

Что делать то?

С анализатором CO2 вы навсегда забудете о проблеме кислородного голодания. Обычно работаете и забываете обо всем. А этот компактный товарищ будет напоминать каждый раз, когда потребуется проветрить помещение.

На панели устройства размещены три индикатора разного цвета:

Зеленый - в воздухе достаточно кислорода;
Желтый - в воздухе повышенное количество углекислого газа (желательно проветрить помещение);
Красный - воздух перенасыщен углекислым газом (срочно открывайте окно).

Помимо световых датчиков, прибор оснащен звуковой оповещалкой, которая срабатывает каждый раз, когда индикатор переключается с одного цвета на другой.

Пищит. Похоже надо срочно открывать окно.

Температура с утра в комнате приятная, вот только чувствовал что-то не то. Датчик показал 2380 ppm

Открыл окно. 10 минут проветривания. Закрываю и делаю замер.

Концентрация углекислого газа упала до нормальных 445 ppm

И температура до 17 градусов по Цельсию

Позади прибора есть две кнопки. Для калибровки и настройки прибора. В инструкции есть подробное описание.

Сбоку выход для microUSB. Можно подключить к компьютеру. С помощью программы ZG VIEW можно наблюдать за состояние кислорода и температуры в помещении.

При включении прибор несколько секунд прогревается.

И делает замер. Ура! В комнате свежо.

И тут мне стало интересно. А вредно ли для водителя ездить долгое время с печкой в режиме рециркуляции? Ведь кислород тоже уходит и все это может привести к печальным последствиям. Причем многие ездят так долгое время.

Кнопка рециркуляции у меня выгдяит так "стрелка по кругу"

Замер в начале.

Ждем 10 мин.

Ждем 25 мин. Тепература в салоне 30 градусов по Цельсию. Что-то спать уже охота. Окна чуть запотели.

Ничего себе! Максимальное показание прибора Hi (High) - 3000 ppm. Я уже зазевался и надо срочно проветривать салон.

Отключаем рециркуляцию. Прошло полчаса. Один человек поднял концентрацию CO2 до нежелательных и можно сказать опасных. Человек чувствует усталость, сонливость и не может сосредоточиться на управлении автомобилем. В итоге может привести к аварии.Поэтому такой режим внутренней рециркуляции рекомендуется включать кратковременно - только если нужно срочно прогреть или, наоборот, за короткое время охладить салон с помощью кондиционера. Задействуется и на запыленных или сильно загазованных дорожных участках.

Свежо и хорошо.

В общественных местах

А теперь испытаем прибор в полевых условиях. Зайдем на посту России, в общественный транспорт и торговый центр.

На Почте России за 5 минут нахождения в очереди возникло некомфортное ощущение. Концентрация CO2 выше среднего. Для сравнения можно посмотреть сколько показывает прибор на улице.

Разница в 4 раза.

В маршрутном такси я ехал один, показатели средние. Водитель не открывал окна, а вентиляция была отключена. Работал обогрев салона на рециркуляцию.

В электропоезде не в час пик показатели как на почте. Заполняемость вагона наполовину. Страшно подумать что-то твориться в час пик.

_____________________________________
Прибор предоставлен на проверку

О проблеме превышения содержания углекислого газа в воздухе помещений говорят все чаще в последние 20 лет. Выходят новые исследования и публикуются новые данные. Поспевают ли за ними строительные нормы для зданий, в которых мы живем и работаем?

Самочувствие и работоспособность человека тесно связаны с качеством воздуха там, где он трудится и отдыхает. А качество воздуха можно определить по концентрации углекислого газа СО2.

Почему именно СО2?

• Этот газ есть везде, где есть люди.
• Концентрация углекислого газа в помещении напрямую зависит от процессов жизнедеятельности человека – ведь мы его выдыхаем.
• Превышение уровня углекислого газа вредно для состояния организма человека, поэтому за ним необходимо следить.
• Рост концентрации СО2 однозначно свидетельствует о проблемах с вентиляцией.
• Чем хуже вентиляция, тем больше загрязнителей концентрируется в воздухе. Поэтому рост содержания углекислого газа в помещении – признак того, что качество воздуха снижается.

В последние годы в профессиональных сообществах врачей и проектировщиков зданий появляются предложения пересмотреть методику определения качества воздуха и расширить перечень измеряемых веществ. Но пока ничего нагляднее изменения уровня CO2 не нашли.

Как узнать, является ли приемлемым уровень углекислого газа в помещении? Специалисты предлагают перечни нормативов, причем для зданий разных назначений они будут различными.

Нормы углекислого газа в жилых помещениях

Проектировщики многоквартирных и частных домов берут за основу ГОСТ 30494-2011 под названием «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Этот документ оптимальным для здоровья человека уровнем CO2 считает 800 — 1 000 ppm. Отметка на уровне 1 400 ppm – предел допустимого содержания углекислого газа в помещении. Если его больше, то качество воздуха считается низким.

Однако уже 1 000 ppm не признается вариантом нормы целым рядом исследований, посвященных зависимости состояния организма от уровня CO2. Их данные свидетельствует о том, что на отметке 1 000 ppm больше половины испытуемых ощущают ухудшения микроклимата: учащение пульса, головную боль, усталость и, конечно, пресловутое «нечем дышать».

Физиологи нормальным уровнем CO2 считают 600 – 800 ppm.

Хотя некоторые единичные жалобы на духоту возможны и при указанной концентрации.

Выходит, что строительные нормативы уровня СО2 вступают в противоречие с выводами исследователей-физиологов. В последние годы именно со стороны последних все громче раздаются призывы обновить допустимые пределы, но пока дальше призывов дело не идет. Чем ниже норма СО2, на которую ориентируются строители, тем дешевле обходится . А расплачиваться за это приходится тем, кто вынужден решать проблему вентилирования квартиры самостоятельно.

Нормы углекислого газа в школах

Чем больше углекислого газа в воздухе, тем сложнее сосредоточиться и справиться с учебной нагрузкой. Зная об этом, власти США рекомендуют школам поддерживать уровень СО2 не выше 600 ppm. В России отметка чуть выше: уже упомянутый ГОСТ считает оптимальным для детских учреждений 800 ppm и менее. Однако на практике не только американский, но и российский рекомендуемый уровень – голубая мечта для большинства школ.

Один из наших показал: больше половины учебного времени количество углекислого газа в воздухе превышает 1 500 ppm, а иногда приближается к 2 500 ppm! В таких условиях невозможно сосредоточиться, способность к восприятию информации критически снижается. Другие вероятные симптомы переизбытка СО2: гипервентиляция, потливость, воспаление глаз, заложенность носа, затрудненное дыхание.

Почему так происходит? Кабинеты редко проветриваются, потому что открытое окно – это простывшие дети и шум с улицы. Даже если школьное здание оснащено мощной центральной вентиляцией, она, как правило, либо шумная, либо устаревшая. Зато окна в большинстве школ современные – пластиковые, герметичные, не пропускающие воздух. При численности класса 25 человек в кабинете площадью 50–60 м2 c закрытым окном углекислый газ в воздухе подскакивает на 800 ppm за каких-то полчаса.

Нормы углекислого газа в офисах

В офисах наблюдаются те же проблемы, что и в школах: повышенная концентрация СО2 мешает сосредоточиться. Ошибки множатся, и производительность труда падает.

Нормативы содержания углекислого газа в воздухе для офисов в целом те же, что для квартир и домов: приемлемым считается 800 – 1 400 ppm. Однако, как мы уже выяснили, уже 1 000 ppm доставляет дискомфорт каждому второму.

К сожалению, во многих офисах проблема никак не решается. Где-то просто ничего о ней не знают, где-то ее сознательно игнорирует руководство, а где-то – пытается решить при помощи кондиционера. Струя прохладного воздуха действительно создает кратковременную иллюзию комфорта, однако углекислый газ никуда не исчезает и продолжает делать свое «черное дело».

Может быть и так, что офисное помещение построено с соблюдением всех нормативов, но эксплуатируется с нарушениями. Например, плотность размещения сотрудников слишком велика. Согласно строительным правилам, на одного человека должно приходиться от 4 до 6,5 м2 площади. Если сотрудников больше, то и углекислый газ в воздухе накапливается быстрее.

Выводы и выходы

Проблема с вентиляцией наиболее остро стоит в квартирах, офисных зданиях и детских учреждениях.
Тому есть две причины:

1. Расхождение между строительными нормативами и санитарно-гигиеническими рекомендациями.
Первые гласят: не выше 1 400 ppm CO2, вторые предупреждают: это слишком много.

Концентрация CO2 (ppm)	Строительные нормативы (согласно ГОСТ 30494-2011)	Влияние на организм (согласно санитарно-гигиеническим исследованиям)
менее 800	Воздух высокого качества	Идеальное самочувствие и бодрость
800 – 1 000	Воздух среднего качества	На уровне 1 000 ppm каждый второй ощущает духоту, вялость, снижение концентрации, головную боль
1 000 - 1 400	Нижняя граница допустимой нормы	Вялость, проблемы с внимательностью и обработкой информации, тяжелое дыхание, проблемы с носоглоткой
Выше 1 400	Воздух низкого качества	Сильная усталость, безынициативность, неспособность сосредоточиться, сухость слизистых, проблемы со сном

2. Несоблюдение нормативов при возведении, реконструкции или эксплуатации здания.
Самый простой пример – установка пластиковых окон, которые не пропускают уличный воздух и усугубляют тем самым ситуацию с накоплением углекислого газа в помещении.