Рассмотрим пример, когда в ночь на 27 августа 2009 г. в Косино-Ухтомском районе (г. Москва) было отмечено превышение ПДК по сероводороду в пять раз [1]. Пусть ПДК по сероводороду равняется СПДК, тогда превышение по сероводороду в атмосферном воздухе будет Сатм = 5СПДК. И пусть житель данного района, назовем его, например, М., спал с открытым окном. Тогда можно ожидать, что к утру в помещении гражданина М. концентрация сероводорода в воздухе будет также Сатм = 5СПДК.Пусть площадь комнаты S = 18 м2, высота потолков h = 3 м, тогда весь объем комнаты составит V = 18 × 3 = 54 м3. Пусть в помещении есть система вентиляции с естественным побуждением. В помещении установлены герметичные стеклопакеты. Уходя утром на работу, гражданин М. закрыл окно. При закрытом окне (стеклопакете) система вентиляции с естественным побуждением практически не работает, следовательно, возвратившись вечером домой, он может иметь в своей комнате концентрацию сероводорода Спом = 5СПДК. Для того, чтобы привести воздух в помещении до уровня ПДК, помещение необходимо проветрить, т.е. привести к значению Спом = СПДК. Пусть в помещении естественная вентиляция обеспечивает расход наружного воздуха L = 20 м3/ч. Нас будет интересовать следующий вопрос: сколько атмосферного воздуха Vнар потребуется гражданину М. для проветривания своего помещения? Для ответа на вопрос воспользуемся руководством P 2.1.10.1920–04 «Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду» [2], следующие разделы: 6.4.1.2. Оценка воздействующих концентраций включает определение концентраций химических веществ, воздействующих на человека в течение периода экспозиции. 6.1.2. Экспозиция (воздействие) — контакт организма (рецептора) с химическим, физическим или биологическим агентом. Величина экспозиции определяется как измеренное или рассчитанное количество агента в конкретном объекте окружающей среды, находящееся в соприкосновении с т.н. пограничными органами человека (легкие, пищеварительный тракт, кожа) в течение какого-либо точно установленного времени. Экспозиция может быть выражена как общее количество вещества в окружающей среде (в единицах массы, например, мг), или как величина воздействия — масса вещества, отнесенная к единице времени (например, мг/день), или как величина воздействия, нормализованная с учетом массы тела [мг/(кг⋅день)]. 6.1.7. Полный сценарий экспозиции, отражающий воздействие на население в реальных условиях, включает оценку поступления химических веществ в организм человека одновременно из разных сред (атмосферный воздух, питьевая вода, вода поверхностного водоема, почва, продукты питания) различными путями (пероральный, ингаляционный, накожный). Такой тип экспозиции характеризуется как многосредовое и комплексное воздействие. 6.4.1.3. Концентрация — это содержание конкретного загрязнителя в конкретной среде (например, воздушной) на единицу ее объема (например, мг/м3)в определенный промежуток времени. Все замеры концентраций прямо или косвенно связаны с временным интервалом. Даже так называемые приборы непрерывного действия имеют предельное, порой весьма короткое время отклика, и поэтому их показания отражают среднее (или приближенное к среднему) значение фактических концентраций в течение ограниченного времени. 6.4.6.1. Экспозиция характеризует контакт организма с химическим агентом. Если экспозиция имеет место в течение определенного периода времени, то общая экспозиция должна быть разделена на тот временной интервал, который интересует исследователя. Полученная таким образом величина представляет собой среднюю величину экспозиции на единицу времени. 7.4.12. При ингаляционном поступлении, если только это не диктуется специальными задачами исследования, нет необходимости рассчитывать дозу воздействия и расчет коэффициента опасности осуществляется по формуле:где HQi — коэффициент опасности воздействия iго вещества; Ci — уровень воздействия вещества i, мг/м3; RfC — безопасный уровень воздействия, мг/м3.7.4.13. Если рассчитанный коэффициент опасности HQ вещества не превышает единицу, то вероятность развития у человека вредных эффектов при ежедневном поступлении вещества в течение жизни несущественна, и воздействие характеризуется как допустимое.7.4.14. Если коэффициент опасности превышает единицу, то вероятность возникновения вредных эффектов у человека возрастает пропорционально увеличению HQ, однако точно указать величину этой вероятности невозможно. Теперь вернемся к условиям нашей задачи: ❏ объем помещения Vпом = 54 м3; ❏ режим работы системы вентиляции: форточка открыта — работает, форточка закрыта — не работает, окно герметичное, следовательно, естественная вентиляция функционирует только при открытой форточке; ❏ расход наружного воздуха L = 20 м3/ч; ❏ концентрация сероводорода в помещении в начальный момент времени (перед открытием форточки) составляет Спом = 5СПДК; ❏ в помещении источника загрязнения сероводородом нет, т.к. загрязнение произошло за счет атмосферного воздуха; ❏ в начальный момент времени t0 (перед открытием форточки) атмосферный воздух уже не содержит сероводород: Сатм = 0. Вопрос: сколько наружного воздуха Vнар потребуется гражданину для того, чтобы в помещении концентрация сероводорода составила Спом = СПДК? В основе воздухообмена заложен принцип разбавления (снижения концентрации) различных химических соединений, содержащихся в воздухе помещения, и обеспечение воздуха в помещении кислородом за счет атмосферного воздуха. Необходимые нам количественные соотношения, устанавливающиеся при разбавлении растворов водой, смешении растворов, газов или твердых материалов различных концентраций, можно найти на основании материального баланса. Для случая смешения двух растворов одного вещества этот баланс представляется в виде следующего уравнения:CV = CaVa + CbVb,где V — объем смешанного раствора с концентрацией С; Va и Vb — объемы растворов, которые смешиваются и имеют концентрации Сa и Сb.Из уравнения материального баланса определяется любая из искомых величин, если заданы остальные. Например:В нашем случае:Сa = Спом = 5СПДК, Сb = Сатм = 0,Va = Vпом = 54 м3,Vb = Vнар, C = СПДК.Таким образом, для нашей задачи мы получаем:Но в отличие от традиционного разбавления, когда объем V после смешивания равен V = Va + Vb, у нас объем помещения фиксирован и имеет значение Vпом = 54 м3, т.е. Vпом = V = Va. Поэтому мы будем разбавлять воздух в помещении небольшими порциями. Для этого требуется, чтобы выполнялось условие:Vпом >> ΔVнар.Пусть объем поступающего с улицы воздуха ΔVнар, м3:Тогда:Учитывая, что: Спом = кCПДК, к0 = 5, наше выражение примет вид:где Другими словами, для того, чтобы определить какой объем атмосферного воздуха ΔVнар, нам необходимо подать в помещение, в котором требуется понизить концентрацию сероводорода с уровня Спом = 5СПДК до уровня Спом = СПДК, мы на первом шаге в помещение объемом Vпом = 54 м3 подаем наружный воздух объемом ΔVнар = 0,33 м3. При этом предполагаем, что перемешивание в объеме помещения происходит тщательно по всему объему помещения и практически моментально. Далее из помещения в атмосферу удаляем аналогичный объем воздуха V = 0,33 м3, тем самым показывая, что объем помещения у нас всегда постоянный. После первого шага концентрация сероводорода в помещении станет равной С1 или С1 < Спом. Данную процедуру мы будем проделывать n раз, пока концентрация сероводорода в помещении не достигнет уровня ПДК, т.е. уровня Сn = СПДК.В соответствии с P 2.1.10.1920–04:Таким образом, мы получаем, что пошаговый коэффициент опасности воздействия сероводорода, содержащегося в воздухе помещения, имеет вид: Результаты расчетов приведены в табл. 1 и на рис. 1. Решением данного уравнения является выражение:где i изменяется в интервале [1, n]. Наша задача заключается в том, чтобы разбавить концентрацию сероводорода в воздухе помещения до такого уровня, при которой коэффициент опасности воздействия сероводорода был бы равен единице, т.е. HQi = 1 при i = n. Тогда выражение (2) примет вид: Прологарифмируем выражение:Из этого выражения находим n:или в нашем случае:Сравним его с табличным значением (табл. 1). Табличное значение составляет n = 262. Два данных значения хорошо согласуются между собой.Далее переформулируем нашу задачу: какой объем атмосферного воздуха Vнар [м3] потребуется подать гражданину М. в свое помещение объемом Vпом = 54 м3 для того, чтобы понизить коэффициент опасности воздействия сероводорода, в начальный момент времени t0 = 0 составляющий HQ0 = 5 до уровня HQ = 1 и сколько времени на это потребуется?Тогда объем атмосферного воздуха Vнар, который нам необходимо подать в помещение, будет определяться как Vнар = ∑ΔVi.нар, где величина i изменяется в интервале [1, n], илиVнар = ΔVнарn. (5)Подставляем в (5) расчетные значения и получаем Vнар [м3]:Vнар = 0,33 × 264 = 87,12.Полученное расчетное значение объема воздуха сопоставляем с табличным значением (табл. 1), которое равно Vнар.табл = 86,79 м3. В выражение (5) подставляем n из (4): Следовательно, гражданину М. в свое помещение объемом Vпом = 54 м3 для понижения опасности воздействия сероводорода до уровня HQ = 1 потребуется подать атмосферного воздуха в объеме не менее Vнар = 87 м3. Чтобы процедура разбавления была ограничена по времени, каждый шаг будем делать за одну минуту. Умножим и разделим n на время и подставим полученное выражение в (5). Тогда расход наружного воздуха [м3/мин.] будет Величина tконц = n × 1 мин. — это время, которое необходимо для снижения значения коэффициента опасности воздействия сероводорода, содержащегося в воздухе помещения, на организм человека с уровня HQ0 = 5 до уровня HQ = 1. Тогда: Vнар = Lнарtконц. Переведем время в часы, а расход наружного воздуха — в м3/ч. Тогда объем атмосферного воздуха Vнар, который нам необходимо подать в помещение, можно будет определить как:Vнар = Lt. (7)Из выражения (7) можно определить зависимость времени экспозиции t [ч] в зависимости от расхода наружного воздуха (рис. 2):Подставляем в (8) расчетные значения Vнар = 87,12 м3 и L = 20 м3/ч и получаем, что t = 4,36 ч. Табличное значение (табл. 1) tтабл = 4,37 ч хорошо согласуется с расчетным значением. Подставляем в (8) выражение (6) и получаем: Итак, в отсутствии внутри помещения источника загрязнения, если, независимо от химического состава воздуха, известен самый высокий коэффициент опасности воздействия отдельно взятого вещества в воздухе помещения, обеспечить качество воздуха в помещении можно с течением времени при любом выбранном расходе наружного воздуха (рис. 3). А расход наружного воздуха, или воздухообмен, влияет только на время экспозиции (рис. 4 и 5). В свою очередь, время экспозиции влияет на вероятность возникновения вредных эффектов у человека. Вредные эффекты возрастают пропорционально увеличению HQ. Понижая расход наружного воздуха, проектировщик может увеличить количество вредных эффектов. Другими словами, проектировщик, определяя воздухообмен в помещении, может управлять рисками отрицательного воздействия воздуха в помещении на организм конечного пользователя климатических систем, варьируя через расход наружного воздуха время экспозиции (рис. 5 и 6). Для того, чтобы в дальнейшем не повышать погрешность вычислений, будем различать: 1. Кратность смены воздуха в помещении как отношение объема атмосферного воздуха, поступившего в помещение, к объему самого помещения, т.е.: 2. Кратность воздухообмена как отношения расхода наружного воздуха [м3/ч]к объему помещения, т.е.:Правую и левую часть выражения (7) разделим на Vпом, тогда: При объеме помещения Vпом = 54 м3 и расходе наружного воздуха L = 20 м3/ч расчетное значение коэффициента опасности воздействия вещества HQ = 1 будет обеспечено: ❏ при однократной смене воздуха в помещении — через t = 2,7 ч (tтабл = 2,75 ч, табл. 2); ❏ при двукратной смене воздуха в помещении — через t = 5,4 ч (tтабл = 5,47 ч); ❏ при трехкратной смене воздуха в помещении через t = 8,1 ч (tтабл = 8,18 ч).При значении расхода наружного воздуха L = 54 м3/ч и объеме помещения Vпом = 54 м3, т.е. при однократном воздухообмене и однократной смене воздуха в помещении время экспозиции t [ч] равно одному часу: Определим, с какого начального коэффициента опасности воздействия вещества HQ0 используемый однократный воздухообмен в помещении к = 1 или L = 54 м3/ч может привести к допустимому воздействию химических веществ на организм человека, т.е. к HQ = 1.Мы получили, что при однократном воздухообмене и однократной смене воздуха в помещении время экспозиции равно t = 1 ч, т.е. в данном случае n = 60 шагов. Очевидно, что на 60м шаге HQ = 1, а i = n. Тогда выражение (2) принимает вид: Учитывая, что:получаем:Таким образом, при однократном воздухообмене, равном однократной смене воздуха в помещении (ксм = 1, n = 1) получаем, что HQ0 = 2,7.Итак, при однократном воздухообмене, равном однократной смене воздуха в помещении, от начального коэффициента опасности воздействия вещества, равного HQ0 = 2,7 (HQ0.табл = 2,75, табл. 2) можно придти к допустимому значению HQ = 1 за один час. При достижении двукратной смены воздуха в помещении и однократном воздухообмене время экспозиции t составит два часа: t = 2, т.е. n = 120 шагов. Тогда коэффициент опасности воздействия вещества будет равен:HQ0 = 7,3, HQ0.табл = 7,5.В случае, если в помещении происходит трехкратная смена воздуха: t = 3, HQ0 = 19,6, HQ0.табл = 20,5.При четырехкратной смене воздуха в помещении: t = 4, HQ0 = 52,8.При пятикратной смене воздуха в помещении: t = 5, HQ0 = 142,4.Например, при объеме помещения Vпом = 54 м3 и начальном коэффициенте HQ0 = 20,5, для которого требуется трехкратная смена воздуха в помещении (табл. 3): ❏ при однократном воздухообмене, равном L = 54 м3/ч, коэффициент опасности HQ будет равен HQ = 1 через t [ч]: t = 3, tтабл = 3,05; ❏ при двукратном воздухообмене, равном L = 108 м3/ч, коэффициент опасности HQ будет равен HQ = 1 через t [ч]: t = 1,5, tтабл = 1,58;❏ при трехкратном воздухообмене, равном L = 162 м3/ч коэффициент опасности воздействия вещества HQ будет равен HQ = 1 через t [ч]:t = 1, tтабл = 1,03 ч. Вывод Возможно, что одной из причин, которая приводит к т.н. «синдрому больного здания», являются химические соединения, находящиеся в воздухе помещения в особо малых концентрациях, т.е. при концентрациях в воздухе помещения, близких к нулю, коэффициент опасности воздействия вещества уже может достигать значений HQ = 1, а при высокой скорости их выделения в воздух помещения они способны повышать коэффициент опасности воздействия вещества в десятки и сотни раз. ❏ 1. «Москвичи пережили самую грязную ночь лета» // www.gzt.ru/topnews/weather/256917.html 2. P 2.1.10.1920–04. Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. — М.: ФC по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2004.