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.

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.

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.

Большинство из нас немалую часть времени проводят на работе в офисах, в мастерских с паяльником, и других закрытых помещениях где зачастую отсутствует какая-либо естественная вентиляция. Особенно ситуация с поступлением свежего воздуха извне, усугубилась в последние года с повсеместным приходом пластиковых окон, которые практически "не дышат". В помещениях, где находятся люди всегда присутствует какая-то часть углекислого газа (CO 2), который выдыхает человек. И если помещение периодически не проветривать, то его концентрация постепенно растет.

Концентрация CO 2 (диоксид углерода) измеряется в пропромилле (ppm). За городом и в сельской местности концентрация углекислого газа обычно составляет 350 ppm, в городе 400 ppm, в центре города 450 ppm. Цифры сильно различаются и зависят от плотности транспортного потока, силы ветра и других факторов. К примеру в Москве, на оживленных магистралях уровень CO 2 может достигать значений 800-900 ppm.

При высокой концентрации диоксида углерода у человека появляются дискомфорт, головные боли, сонное состояние, тошнота и др. симптомы. Опасность в том, что порог ухудшения состояния порой очень трудно заметить и величина эта индивидуальная для каждого человека. Поэтому для поддержания нормального самочувствия в помещении важно не превышать порог концентрации CO 2 , который составляет приблизительно 800-900 ppm. В среднем, один человек за 3 часа нахождения в закрытом помещении 20 кв.м повышает уровень концентрации углекислого газа до отметки 1500 ppm. А если там находится три человека, то всего за 1 час.

Существует несколько методов измерения концентрации углекислого газа. В портативных устройствах получил распространение NDIR метод недисперсионной инфракрасной спектрометрии. NDIR-сенсор - это спектрометр, измеряющий поглощение света единственной длины волны в зависимости от концентрации измеряемого газа. Для углекислого газа используется ИК-светодиод с длиной волны 4 мкм.

До недавнего времени CO 2 измерительные приборы были слишком дороги для бытового применения. Во всем мире производителей бытовых измерителей CO 2 можно пересчитать по пальцам. Но тем не менее они есть и уже вовсю продаются на AliExpress и eBay: CO2 Monitor . Правда стоимость даже самых простейших моделей начинается с отметки 100$, а более менее достойных приборов и вовсе от 200$. Во многих из них применяется именно NDIR метод измерения углекислого газа.

Не так давно на отечественном рынке появилось недорогое решение "Детектор углекислого газа" от широко известной в радиолюбительских кругах компании МастерКит. Данный материал посвящен небольшому обзору этого измерителя. Как и у всех товаров от МастерКит у данного измерителя присутствует свой уникальный код - МТ8057.

Характеристики прибора:

Детектор упакован в такую коробку:

На обратной стороне приведена информация об углекислом газе и его уровнях в помещениях.

Страна изготовления прибора - Китай. Забегая вперед сообщу, что нагуглил два прибора внешне практически полностью идентичные обозреваемому:
- ZGm053U
- CO2mini RAD-0301

Стоимость первого на сайте не указана, а второй прибор стоит 100$ без учета стоимость доставки. За прибор от МастерКит я отдал 3400 руб. вместе с доставкой (данные на конец января 2015 г). На сегодняшний день я думаю навряд ли можно найти где-нибудь подобный прибор по меньшей или аналогичной цене.

В коробке находится сам измеритель, USB-кабель и инструкция на русском языке.

Извлекаем измеритель:

На лицевой стороне измерителя мы видим экран для отображение уровня CO 2 и температуры, а также три светодиодных индикатора: зеленый, оранжевый и красный для пороговой индикации. По моему мнению это очень удачное решение - простого взгляда (особенно вечером или ночью) достаточно для быстрой оценки уровня концентрации CO 2 . После недельной эксплуатации прибора, я для себя отметил, что в первую очередь обращаю внимание именно на данные индикаторы, а не цифры на экране прибора. В настройках прибора для каждого светодиода можно задать уровни СО 2 .

Также это хороший вариант для конструирования DIY-устройств, скажем для управления приточной вентиляцией, бытовыми проветривателями и другой климатической техникой. Можно подпаяться к светодиодам или использовать фоторезисторы (или фотодиоды) разместив их напротив светодиодов измерителя. Настроив уровни включения светодиодов, можно включать или выключать приточную вентиляцию при достижении определенного порога. Это может быть существенно дешевле, чем отдельный модуль измерения CO 2 .

С обратной стороны прибора приклеена наклейка с названием, краткими характеристиками и серийный номер, а также 2 кнопки для настроек.

Я когда заказывал измеритель, честно сказать ожидал прибор большего размера. Но прибор оказался достаточно компактным.

Масса составила 64 г.

Размеры: 116*38*23.8мм

Данные на дисплее читаются достаточно отчетливо. Показания СО 2 и температуры:

Питается прибор от USB-шины 5 Вольт. Кабель - microUSB. На корпусе прибора под разъем USB имеется некоторое углубление, из-за чего не каждый micro-USB кабель можно подключить. Во всяком случае из имеющихся у меня в наличии 3-х кабелей, ни один не вошел до конца. Поэтому с родным кабелем нужно быть аккуратным и не терять его, иначе потом придется думать как подключить его к обычному нормальному кабелю.

Питание от батареек не предусмотрено, что немного огорчило меня. Для автономного использования придется использовать Power Bank с USB-выходом.

Отщелкнув заднюю крышку получаем доступ к внутренностям прибора.

Длинный элемент с наклейкой "ZGm053UK" и есть сердце прибора - NDIR датчик концентрации углекислого газа. На видео ниже можно увидеть как вспыхивает лампа для проведения измерений. Частота вспышек составляет примерно 1 вспышка в 5 секунд.

Как видно из осциллограммы выше - напряжение на лампу подается 5 Вольт.

Форма импульса для лампы - нарастающая, видимо для продления срока службы лампы. Длительность импульса - примерно 300 мс.

Качество сборки и пайки достаточно хорошее.

Может возникнуть закономерный вопрос про продолжительность работы сенсора. У производителя ZyAura можно найти ответ на этой страничке :

How long is the NDIR life?
We use dual channel(beam) NDIR (Non-Dispersive Infrared), thermopile from PerkinElmer, which improves the long-term stability of the measurement; it has longer durability than single channel design so the device has a durable life more than 5~10 years.

Т.е. время жизни сенсора составляет 5-10 лет. Калибровать датчик необходимо примерно раз в три года.

Для измерителей существует специальный софт для отображения графиков, а также проведения калибровки. Скачать софт можно на этой страничке . Не забудьте после скачивания переименовать файл ZG.eye в ZG.exe. Для чего так сделали - непонятно, особенно учитывая что все находится в архиве.

Желтая линия на вышеприведенном графике - температура (шкала справа). Нижняя линия - уровень CO 2 .
Комната примерно 12 кв.м. 1 человек. Пластиковые окна. Примерно в 14-35 было открыто окно. Как видно из графика, температура стала падать и вслед за ней сразу же стал понижаться уровень СО2 до приемлемого значения, через 10 минут полностью перейдя в безопасную (на графике зеленым цветом) зону. Примерно в 14-50 окно было закрыто и температура и СО 2 начали постепенно возрастать.

Для операционных систем Linux также существует OpenSource софт, выложенный на GitHub . К сожалению под ОС Debian у меня не получилось скомпилировать приложение, т.к. постоянно ругалось на отсутствие пакета, хотя он был установлен. Но теоретически, это дает возможность подключить измеритель по USB-интерфейсу к различным Linux-микрокомпьютерам (Raspberry Pi, CubeBoard, BeagleBone) и управлять устройствами (через GPIO) или скидывать данные на какой-нибудь сервер, использовать для системы "Умный дом" и т.п. Тут уже открывается масса возможностей.

Нужен измеритель СО 2 или нет - каждый решит сам, лично я потраченных на него денег не жалею и даже подумываю прикупить второй, один для дома, один в офис где я работаю.

Плюсы измерителя углекислого газа MT8057:

• Низкая цена по сравнению с аналогичными приборами
• Наличие "светофора" - три разноцветных индикатора
• Использование современного NDIR-сенсора, а не химического
• Большой интервал времени для проведения калибровки
• Подключение к компьютеру по USB для построения графиков
• Наличие OpenSource софта для Linux-систем

Минусы MT8057 :

• Отсутствие встроенного источника питания
• Нештатное углубление в корпусе под Micro-USB разъем
• Невысокая точность 100ppm, но вполне достаточная для домашнего применения
• Хотелось бы еще присутствие датчика влажности

Ещё в прошлом веке были проведены различные исследования по влиянию CO 2 на организм человека. В 60-ых годах учёная О.В.Елисеева в своей диссертации привела детальное исследование, как влияет углекислый газ в концентрациях 0,1% (1000 ррm) до 0,5% (5000 ррm) на организм человека и пришла к выводу, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в этих концентрациях вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращении и значительные ухудшения электрической активности головного мозга. Согласно ее рекомендациям, содержание CO 2 в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 0,1% (1000 ррm), а среднее содержание CO 2 должно быть около 0,05% (500 ррm).

Специалисты знают, что существует прямая связь между концентрацией CO 2 и ощущением духоты. Это ощущение возникает у здорового человека уже на уровне 0,08% (т. е. 800 ррm). Хотя в современных офисах очень часто бывает 2000 ррm и более. И человек может не ощущать опасного воздействия CO 2 . Когда речь идёт о больном человеке, то порог его чувствительности ещё увеличивается.

Зависимость физиологических проявлений от содержания CO2 в воздухе приведена в таблице:

Уровень CO 2 , ррm	Физиологические проявления у человека
Атмосферный воздух 380-400	Идеально для здоровья и хорошего самочувствия.
400-600	Нормальное количество. Рекомендовано для детских комнат, спален, офисных помещений, школ и детских садов.
600-1000	Появляются жалобы на качество воздуха. У людей, страдающих астмой, могут учащаться приступы.
Выше 1000	Общий дискомфорт, слабость, головная боль, концентрация внимания падает на треть, растёт число ошибок в работе. Может привести к негативным изменениям в крови, также могут появиться проблемы с дыхательной и кровеносной системами.
Выше 2000	Количество ошибок в работе сильно возрастает, 70% сотрудников не могут сосредоточиться на работе.

Основные изменения при вдыхании повышенных концентраций углекислого газа (гиперкапнии) происходят в центральной нервной системе, и носят они при этом фазный характер: сначала повышение, а затем снижение возбудимости нервных образований. Ухудшение условнорефлекторной деятельности наблюдается при концентрациях, близких к 2% – понижается возбудимость дыхательного центра мозга, уменьшается вентиляторная функция лёгких, нарушается гомеостаз (равновесие внутренней среды) организма путем либо повреждения клеток, либо путем раздражения рецепторов неадекватным уровнем определенного вещества. А при содержании углекислого газа до 5% происходит значительное снижение амплитуды вызванных потенциалов головного мозга, десинхронизация ритмов спонтанной электроэнцефалограммы с дальнейшим угнетением электрической активности мозга.

Что именно происходит при повышении концентрации CO 2 в воздухе, который попадает в организм? Увеличивается парциальное давление CO 2 в альвеолах, его растворимость в крови повышается, и образуется слабая угольная кислота (CO 2 + Н 2 O = Н 2 СО 3), распадающаяся, в свою очередь, на Н+ и НССО3-. Кровь закисляется, что по-научному называется газовым ацидозом . Чем выше концентрация CO 2 в воздухе, которым мы дышим, тем ниже рН крови и тем более кислую реакцию она имеет.

Когда начинается ацидоз, то сначала организм защищается, повышая концентрацию бикарбоната в плазме крови, – об этом свидетельствуют многочисленные биохимические исследования. Чтобы компенсировать ацидоз, почки усиленно выделяют Н+ и задерживают НССО 3 -. Потом включаются другие буферные системы, и вторичные биохимические реакции организма. Поскольку слабые кислоты, в т. ч. и угольная (Н 2 СО 3), могут образовывать с ионами металлов слаборастворимые соединения (СаСО 3), то они откладываются в виде камней, прежде всего в почках.

Сотрудник медицинской научно-исследовательской лаборатории военно-морского подводного флота США Карл Шафер исследовал, как влияют различные концентрации углекислого газа на морских свинок. Грызунов восемь недель содержали при 0,5% CO 2 (кислород был в норме – 21%), после чего у них наблюдалась значительная кальцификация почек. Она отмечалась даже после длительного воздействия на морских свинок меньших концентраций – 0,3% CO 2 (3000 ррm). Но это еще не все. Шафер и его коллеги нашли у свинок через восемь недель воздействия 1%-го CO 2 деминерализацию костей , а также структурные изменения в легких. Исследователи расценили эти заболевания как адаптацию организма к хроническому воздействию повышенного уровня CO 2 .

Отличительной особенностью долгосрочной гиперкапнии (повышенное CO 2) являются длительные отрицательные последствия. Несмотря на нормализацию атмосферного дыхания, в организме человека продолжительное время наблюдаются изменения биохимического состава крови, снижение иммунологического статуса, устойчивости к физическим нагрузкам и другим внешним воздействиям.

Вывод – во избежание негативных последствий, содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе нужно обязательно контролировать. Для этой цели отлично подходит современный и надежный прибор – .