Методика унификации норм удельного воздухообмена в жилых и общественных зданиях

В настоящее время мы наблюдаем повышенный интерес к упорядочению норм воздухообмена в зданиях, что связанно с решением важнейших государственных проблем, к числу которых относятся: ❏ повышение уровня безопасности жизни или здоровья граждан при эксплуатации зданий с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; ❏ снижение энергопотребления при эксплуатации зданий, исходя из того, что на подогрев холодного инфильтрующегося воздуха расходуется не менее ⅓ тепловой энергии за один отопительный период. В стандарте ≪АВОК≫ предлагаются (п. 1.7) две методики для расчета минимальных норм воздухообмена в помещении. Первая из них основана на удельных нормах воздухообмена (1.7.1), вторая— на расчете предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ. Для помещений жилых зданий стандарт устанавливает (табл. 1) нормы минимального воздухообмена помещений. В это общее понятие объединены: ❏ удельные нормы воздухообмена (L₁,L₂,L₃) для жилой зоны; ❏ нормы общего воздухообмена,м³/ч, для кухни, ванной комнаты и туалета; ❏ нормы кратности воздухообмена (L₁) для подсобных помещений, где пропущен показатель общего воздухообмена,м³. Непонятно, почему для разных помещений одной квартиры нельзя обойтись удельными нормами воздухообмена, вычисляя расчетную величину общего воздухообмена,м³/ч. В табл. 1 удельные нормы воздухообмена (L₁,L₂,L₃) перемешаны с нормами общего воздухообмена помещения, м³/ч. Известно, что удельные нормы предназначены исключительно для расчета общего воздухообмена помещения, м³/ч. Почему-то этот принцип не соблюден: независимо от удельных норм приведены неизвестно каким образом полученные значения общего воздухообмена для помещений кухни, ванной комнаты, туалета. Приводимые рекомендации по применению удельных норм воздухообмена невразумительны, о чем свидетельствуют следующие примеры. ❏ ≪Для расчета расхода воздуха по кратности (L₁, м³/ч) объем помещений следует определять по общей площади квартиры≫. Трудно понять, почему наряду с этой удельной нормой нельзя применять две другие нормы (L₂,L₃) для определения общего воздухообмена помещений. Ответ на этот вопрос удалось обнаружить в примечании 2 кп. 5.13: ≪Когда нормы удельного воздухообмена (L₃) представлены в м³/ч•м² помещения, и известно, что число людей в помещении отличается от ≪стандартной≫ величины, следует использовать нормы воздухопотребления на одного человека (L₂) для ожидаемого числа людей в помещении≫. Вряд ли это пояснение доступно для понимания. ❏ Также невозможно разгадать, чем отличается методика расчета (п. 1.7) минимальных норм воздухообмена от методики (п. 1.7.1) на основе удельных норм воздухообмена. Нельзя согласиться и с трактовкой, содержащейся в п. 5: ≪Нормы удельного воздухообмена (табл. 2.1 и 2.2) определяют потребности в наружном воздухе в занимаемых людьми помещениях…≫. Удельные нормы для этого не предназначены! Из приведенных примеров видна полная несостоятельность методики применения удельных норм воздухообмена. Разработчики приняли в качестве признака альтернативности различные значения и размерности удельных норм воздухообмена, что является ключевой методической ошибкой стандарта, при наличии которой дальнейший разбор ошибок, допущенных в табл. 2.1, излишен. Проблему ≪гармонизации≫ отечественных норм воздухообмена следует решать на иной концептуальной основе. Прежде всего выясним, почему удельные нормы воздухообмена обладают различными численными значениями. В целях сравнения численных значений приведем размерности удельных норм воздухообмена в сопоставимые условия. Они достигаются на основе использования удельных норм воздухообмена L_i при расчете общего воздухообмена помещения V_i, имеющего в итоге единую размерность, м³/ч. Рассмотрим пример по сравнению численных значений удельных норм воздухообмена в сопоставимых условиях. В качестве исходных данных будем использовать проектные объемнопланировочные характеристики жилых зданий в двух вариантах (табл. 2) и значения удельных норм воздухообмена (табл. 1). При сопоставлении результатов расчета (табл. 3) обнаруживаются важные особенности: ❏ по отношению к V₁ = 1 м³/ч, общий воздухообмен V₂ и V₃, м³/ч, оказался больше в 1,8–2 раза для обоих вариантов зданий, несмотря на различные объемно-планировочные характеристики; примерно во столько же раз различаются характеристики кратности удельных норм воздухообмена, 1 м³/ч; ❏ идентичность полученных значений кратности n общего воздухообмена (1; 1,8; 2) и кратности L₁ удельных норм воздухообмена (0,35; 0,63; 0,69) показывает, что они почти не зависят от изменения объемно-планировочных характеристик зданий вариантов 1 и 2; ❏ для приведения удельной нормы кратности воздухообмена L₁ в сопоставимый вид с удельными нормами L₂ и L₃ показатель кратности должен быть повышен с 0,35/ч соответственно до 0,62–0,69/ч; ❏ несогласованность значений удельных норм воздухообмена L₁, L₂ и L₃ не дает оснований для их использования в качестве кажущихся альтернативных показателей. Выявленные особенности подсказывают простое концептуальное решение по унификации значений удельных норм воздухообмена: сохраняя триаду удельных норм воздухообмена L₁, L₂, L₃ в существующих размерностях, следует откорректировать их значения таким образом, чтобы при расчете общего воздухообмена здания, м³/ч, обеспечивалось равенство их расчетных объемов. В целях реализации этой концепции, исходя из условий обеспечения безопасности здоровья и жизни людей выберем из удельных норм воздухообмена базисную величину. В смежных областях техники, например, при разработке скафандров водолазов или космонавтов минимально допустимая норма расхода приточного воздуха— 0,5–1,5 м³/(ч•чел) [2]. Использованный воздух удаляется из скафандров принудительно, в то время как в помещениях зданий при естественной вентиляции могут возникать застойные зоны. Поэтому для помещений необходимо в несколько раз повысить удельную норму воздухообмена, дабы исключить фактор риска по избыточному содержанию вредных веществ, в т.ч. метана, окиси углерода, ацетона, азота, радона и различных запахов. В нашем случае, при эксплуатации зданий, в качестве базисной величины удельных норм воздухообмена следует принять существующую удельную норму на одного человека, L₂ = 30 м³/ (ч•чел). Норма L₂ превышает норму для скафандров в 20 раз, что вполне объяснимо и может быть подтверждено расчетом, например, исходя из требований обеспечения (ПДК) по содержанию углекислого газа. В чистом природном воздухе содержится 0,037% СО₂.При положительной температуре 20°С количество СО₂ должно составить С_нВ = 1205•103•0,037•10–3 = 446 мг/м³ — такова концентрация СО₂ в наружном воздухе. С учетом этого допустимое количество СО₂ в воздухе помещения может достигать величины ΣС = С_нВ + С_ПДК = 446 + 1250 = 1696 мг/м³. ПДК некоторых загрязняющих веществ в воздухе обслуживаемой зоны помещений жилых и общественных зданий приведены в табл. 3 стандарта по содержанию углекислого газа, хлора, озона, радона. При этом в качестве критерия комфортности (включая запах) с некоторыми оговорками воздухообмен считается достаточным, если концентрация СО₂ удовлетворяет норме ≤ 1250 мг/м³ ПДК углекислого газа, т.е. превышает природное содержание в наружном воздухе (446 мг/м³). Проверим, удовлетворяется ли это требование при удельной норме L₂ ≤ 30 м³/( ч•чел) по формуле прил. 17 СНиП 2.04.05. Принимая в этой формуле L_мо = 0, получим L₄ = mро/ПДК = 30•103/1250 = 24, где mро = 25•1,2•103 = 30•103 мг/(ч•чел), т.к. 24 < L₂ можно считать, что требования обеспечены с избытком, здесь 25 л/(ч•чел) — количество СО₂ во выдыхаемом человеком воздухе. В основу методики унификации следует принять равенство расчетных объемов общего воздухообмена помещения с одинаковой размерностью,м³/ч: V₁ = V₂ = V₃ или L_1kV_от = L₂N_чел = L_3kF_жил. (1) В тождестве (2) в качестве базиса принята удельная норма L₂; индекс k присвоен корректируемым удельным нормам воздухообмена. Рассмотрим пример (табл. 4) корректировки значений удельных норм воздухообмена, попарно группируя искомые значения унифицированных удельных норм при разных базисных значениях L₂ и L₃ и разных объемно-планировочных характеристиках вариантов зданий. Из табл. 4 видно, что замена базиса (L₂ на L₃) привела к незначительному увеличению кратности воздухообмена L₁ (0,63→0,68) и повышению L2 (30→33). Подтверждено, что унифицированные значения фактически не зависят от объемно-планировочных характеристик вариантов зданий (№1 и 2). Пример расчета воздухообмена (прил. 3, фрагмент из которого опубликован на стр. ??) основан на использовании удельных норм воздухообмена (L₁, L₂ и L₃), имеющих различные значения и размерности. Указанные различия приняты в качестве признаков альтернативности величин удельных норм воздухообмена, что в корне неверно и стало ключевой ошибкой при расчете значений общего воздухообмена, м³/ч, помещения. Поочередное использование трех удельных норм воздухообмена в расчетах приводит к абсурду— получают три разных значения общего воздухообмена и разные объемы притока и вытяжки, из которых невозможно вычленить достоверное. Так возникает еще одно неверное требование (п. 6) о том, что ≪расчетной величиной воздухообмена является большая величина между притоком и вытяжкой≫. Разработчики не замечают, что это противоречит требованиям (п. 1.7) о минимизации воздухообмена и физике явлений, забывая, что при естественной вентиляции объем притока должен быть равен объему вытяжки. Они словно блуждают среди массы цифр и не задумываются о том, что двойная разница в объемах притока и вытяжки вызвана не кажущейся альтернативностью удельных норм воздухообмена (L₁, L₂ и L₃), а элементарной несогласованностью их значений. Дополнительную путаницу вносят варианты расчета при разной степени заселенности квартиры (5; 4 и 2 чел), в чем нет необходимости, т.к.можно сразу принять этот показатель максимальным. Пример Используя исходные данные стандарта (из прил. 3) для квартиры — F_общ = 100 м², F_жил = 60 м², V_от = 280 м³, N_чел = 5 чел, определить расчетные значения притока воздуха при естественной вентиляции. a) На основе тождества (1), принимая за базис L₂ = 30 м³/(ч•чел) и группируя величины попарно, вычисляем значения удельной нормы L_3k и L_1k: N_челL₂ = F_жилL_3k,N_челL₂ = V_отL_1k. Из этого следует, что L_3k =N_челL₂/N_жил = 5•30/60 = 2,5 м³/(м²•ч); L_1k =N_челL₂/V_от = 530/280 = 0,536 1/ч. Поверка: L_1kV_от = L₂N_чел = L_3kF_жил, 0,536•280 = 5•30 = 2,5•60 = 150 м³/ч; V_пр = L_1kV_от = 0,536•280 = 150 м³/ч; V_пр = F_жилL_3k = 60•2,5 = 150 м³/ч. (2) Из равенства результатов можно сделать вывод, что объем притока равен объему вытяжки через кухню, ванную и туалет. Для общественных зданий стандарт устанавливает нормы минимального удельного воздухообмена, учитывая более 70 типов помещений различного функционального назначения. Приведем фрагмент табл. 2.2 стандарта — табл. 5. Значения удельных норм воздухообмена (в целом для табл. 2.2) находятся в диапазонах: ❏ z_пл = (0,3–18) м²/чел— максимальная плотность (аналог заселенности); ❏ L₁*= 1/ч — норма кратности воздухообмена опущена; ❏ L₂* = (20–100) м³/(ч•чел) — нормы удельного воздухообмена (аналог L₂); ❏ L₃* = (0,9–130) м³/(ч•м²) — нормы удельного воздухообмена (аналог L₃). По содержанию табл. 2.2 можно высказать следующие замечания. Принципы организации общего воздухообмена для жилых и общественных зданий, как известно, отличаются. Для жилых зданий, как правило, применяются системы естественной вентиляции, а для общественных — механические или в комбинации с естественной. Однако, эти существенные отличия не являются препятствием для использования в расчетах воздухообмена общественных зданий тех же удельных норм, что и для жилых домов (табл. 2.1). В табл. 2.2 предпринят еще один, нелогичный на наш взгляд, ход: без изменений осталась только одна удельная норма L₂*, м²/(ч•чел), а удельная норма L₃* потеряла свой числовой коэффициент — 3, что существенно ее изменило. Странно выглядит замена ≪заселенности≫ на ≪максимальную плотность≫ при их одинаковой размерности, м²/чел. Не обосновано и снижение минимально допустимой удельной нормы L₂ с 30 до 20 м³/(ч•м²) при одновременном повышении максимума до 100 м³/(ч•м²). Требует исправления явный промах, допущенный в табл. 2.2 (см. табл. 5). Значения числового коэффициента удельной нормы L₃* находятся в диапазоне 0,9–130 м³/(ч•м²). Разработчики не учли, что значение числового коэффициента в удельной норме L₃ на 1 м² площади пола физически не может быть более высоты этажа h_эт, м. В целях предупреждения подобных ошибок в расчетах общего воздухообмена зданий целесообразно в этой удельной норме заменить числовой коэффициент высотой помещения L₃ = h_эт м²/(м²/ч), где h_эт, м,— высота помещения от пола до потолка (объективна и для жилых, и для общественных зданий). Для устранения выявленных недостатков представляется целесообразным внести коррективы в удельные нормы и для общественных зданий, используя принятую для жилых зданий методику унификации. По аналогии с тождеством (1),примем: L_1kV_от =N_челL₂ = F_полаL_3k, (2) где F_пол = F_жил, м² — аналог для общественных зданий; V_от = F_полh_эт — отапливаемый (вентилируемый) объем помещения, м³; (здесь h_эт — высота помещения, м); N_чел = F_полаz_пл (здесь z_пл — плотность/заселенность помещений,м²/чел). Результаты вычислений унифицированных значений удельных норм воздухообмена для общественных зданий приведены в табл. 6. Замечаем, что с уменьшением показателя заселенности (плотности), z_пл с 20 до 3 м²/чел, при одинаковой высоте помещения и при прочих равных условиях, значения удельных норм L_1k и L_3k возрастают. При z_пл = 6 расчетное значение удельной нормы L_3k достигло значения высоты помещения h_эт – 5 м и далее его превысило. При естественной вентиляции помещения, как отмечено выше, значение x числового коэффициента в удельной норме L_3k при x > h_эт физически нереализуем, также как удельная норма кратности воздухообмена не может быть более единицы (L_1k ≤ 1). При превышении указанных условий должна применяться принудительная механическая вентиляция. Полученные результаты расчета обобщены в сводной табл.7. Резюме ❏ В содержании стандарта обнаружены серьезные методические неувязки, порожденные механическим объединением несогласованных значений удельных норм воздухообмена с нормой общего воздухообмена для жилых зданий (табл. 2.1). Им противопоставлены удельные нормы воздухообмена для общественных зданий (табл. 2.2). Усугубило положение неправильное использование значений удельных норм воздухообмена при определении общего воздухообмена помещений. ❏ При использовании удельных норм воздухообмена стандарта в расчете общего воздухообмена помещений, м³/ч, полученные результаты значительно расходятся. Неоднозначность результатов и различные размерности не дают оснований для использования удельных норм в качестве альтернативных показателей, т.к. кажущаяся альтернативность искусственно вызвана несогласованностью их значений. ❏ Структура расчетных формул и результаты вычислений искомых значений общего воздухообмена при использовании удельных норм указывают на линейность зависимостей, исключающую их оптимизацию по нахождению экстремума. ❏ Разработана на новой концептуальной основе для жилых и общественных зданий единая методика унификации значений удельных норм воздухообмена, обеспечивающая их полную взаимозаменяемость при расчете общего воздухообмена. Унификация исключает надуманное варьирование значениями притока и вытяжки и позволяет упростить расчет общего воздухообменапри обеспечении высокой достоверности результатов. ❏ Методика, положенная в основу табл. 2.1 и 2.2 стандарта, подлежат коренной переработке при обязательном устранении выявленных ключевых ошибок (ложная альтернативность удельных норм; их несогласованность), а также множества других некорректностей. В качестве альтернативы предлагается принять за основу сводную табл. 7, созданную по единой методике при использовании унифицированных удельных норм воздухообмена для жилых и общественных зданий.

1. СНиП 2.04.05–91*(98).Отопление, вентиляция и кондиционирование. 2. Никитин Ю.Ф.Патент №2208743.Устройство для дыхания атмосферным воздухом, находящегося в помещении человека. М.: 2003. 3. АВОК СТАНДАРТ. Здания жилые и общественные.Нормы воздухообмена, М.: 2002.