О нормах воздухообмена общественных зданий и последствиях их занижения

Поэтому в любом стандарте нас в первую очередь интересует не то, какие значения тех или иных параметров воздуха заложены в основу стандарта и по какой методике делать расчет, а то какой результат по обеспечению качества воздуха в помещении можно ожидать в процессе эксплуатации климатической системы, если она будет создаваться в соответствии с данным стандартом. Основным критерием любого стандарта является воздухообмен. Давайте попробуем оценить его значение по обеспечению качества воздуха в помещении, и как он может влиять на химические процессы внутри организма человека. В настоящее время при строительстве новых и реконструкции старых зданий все чаще используются современные технологии, которые приводят к повышенной герметичности зданий. Усугубляют положение активная деятельность самого человека и техногенные катастрофы (например, авария на Чернобыльской АЭС, где взрыв был «холодный», не ядерный). Это лет 20–30 назад при создании климатических систем проектировщику было достаточно брать снаружи чистый воздух, транспортировать его в помещение и удалять его из помещения. Сегодня этого уже недостаточно. Загрязнение окружающей среды достигло такого уровня, что уже на этапе проектирования не учитывать происходящие химико-биологические процессы в организме человека, внутри помещений и в самих климатических системах просто нельзя. Поэтому работа проектировщика при создании климатических систем все больше стала напоминать деятельность врача-терапевта. Принципиальное отличие заключается только в том, что цель деятельности врача — привести организм человека в состояние нормы, а у проектировщика — не допустить, чтобы внутренний воздух помещения вывел этот же организм из состояния нормы. Основной инструмент, который использует терапевт — лекарственные препараты (химические соединения). Но организму человека абсолютно без разницы, как он будет получать те или иные химические соединения: через желудок или легкие, поэтому можно предположить, что реакция организма человека на воздействие этих химических соединений должна быть примерно одинаковая. И еслитерапевт имеет возможность провести диагностику состояния организма человека, выбрать курс лечения, используя инструкцию по применению тех или иных лекарственных препаратов, и из этой же инструкции он будет осведомлен о побочных эффектах, то проектировщику еще только предстоит создать такую «таблетку», т.е. воздух с определенными параметрами. Что такое воздух с определенными параметрами? Попробуем продемонстрировать это на простом примере. Моделируем следующим образом: берем организм здорового человека в состоянии нормы, т.е. все химические процессы находятся в равновесии. Это значит, что необходимые нам концентрации ионов мы можем замерить инструментальным методом, и они будут иметь определенное значение. Далее будем менять концентрацию какогонибудь из ионов. Изменять будем до такого значения, при котором система может выйти из равновесия, т.е. попробуем качественно оценить граничные условия выхода системы из равновесия. За основу берем экспериментальный факт: в легких человека обнаружен такой патогенный биоминерал, как кальцит (СаСО₃). Образование кальцита может произойти только в одном случае, когда концентрации кристаллообразующих компонентов превысят произведение растворимости, т.е. при пересышении (формула) , а произведение растворимости для кальцита составляет ПР = 3,8•10^–9. У здорового человека кальцита в легких не наблюдается, т.е. концентрация данных кристаллообразующих компонентов находится или в ненасыщеном, или в равновесном состоянии. Образование кальцита может происходить за счет увеличения концентрации ионов кальция в плазме, увеличения концентрации ионов (формула) или того и другого. Причины изменения концентрации ионов кальция в плазме можно отнести к области медицины, а причины увеличения концентрации (формула) в крови связаны, в т.ч. с воздухообменом в помещении. (1) (в водной среде) (1). Учитывая, что различные газы растворяются в воде неодинаково, и степень их растворимости пропорциональна парциальному давлению газа в растворе, то растворимость СО₂ в плазме можно записать в следующем виде К_раств•РСО₂ = [СО₂]_раств, (2) где К_раств — константа растворимости СО₂ в плазме; РСО₂ — парциальное давление СО₂; [СО₂]_раств — концентрация СО₂, растворенного в плазме. Для гидратации СО₂ и диссоциации угольной кислоты (1) закон действующих масс выглядит следующим образом (3) где [H⁺]— концентрация ионов водорода в плазме, (формула) — концентрация бикарбоната в плазме, (формула) — концентрация кристаллообразующей компоненты; К_а1, К_а2 — константы диссоциации угольной кислоты. Используя уравнения (2) и (3), получаем (4), тогда условие пересыщения будет выглядеть следующим образом [Са²⁺]•Р_СО2•(К_раств•К_а1•К_а2)/[H⁺]² > 3,8•10^–9. (5) Учитываем, что кислотность крови — величина практически постоянная, рН = 7,3–7,5. Кроме того, у человека концентрация кальция в сыворотке крови поддерживается на постоянном уровне 2,25–2,5 ммоль/л. Это значение усредняем (2,25 + 2,5)/2 = 2,375 ммоль/л. Около 50 % кальция сыворотки крови ионизировано и 10 % находится в виде комплексных соединений, образованных цитратом, фосфатами, бикарбонатами и лактатом. Остальные 40 % связаны с белком, главным образом с альбумином. [Са²⁺]+ [протеинат]+ [белковосвязанный кальций]= 2,375. Связь между ионизированным кальцием Са²⁺ и концентрацией белков в крови может быть представлена следующим образом: [Са²⁺]•[протеинат]/[белковосвязанный кальций]= К, где (протеинат) — соответствует концентрации белка в плазме крови; К — константа равновесия, т.е. концентрация ионизированного кальция в данном случае постоянна. То есть [Са²⁺]= К_Ca. Обозначим все константы и постоянные величины, характеризующие состояние организма в норме, одним символом К_общ = (C_Cа•К_раств•К_а1•К_а2)/[H⁺]² и данное выражение подставим в уравнение (5): Р_СО2•К_общ > 3,8•10^–9, или Р_СО2 > 3,8•10^–9/К_общ. Парциальное давление СО₂ в артериальной крови человека находится в равновесии с парциальным давлением СО₂ в альвеолярном воздухе и составляет примерно 40 мм рт. ст. при 37 °С. И эта величина является нормой для организма, но при повышении парциального давления в легких до определенной величины Р_СО2 > 3,8•10^–9/К_общ в легких может образоваться патогенный биоминерал кальцит. Но изменение парциального давления СО₂ в легких зависит от концентрации углекислого газа в помещении, т.е. от воздухообмена. Следовательно, от величины воздухообмена может зависеть состояние организма человека, т.е. интервал состояния может быть от нормы и в плоть до образования патогенных биоминералов в организме человека. Усложняем задачу. Предположим, что воздухообмен в помещении обеспечивает поддержание бикарбоната в крови в норме. Пусть приточный воздух поступает без очистки (естественная вентиляция). В воздухе помещения присутствуют различные соединения стронция (табл. 1), и их концентрация не превышает ПДК, т.е. все в соответствии с установленными нормами. Но, попадая в легкие, эти соединения в той или иной степени будут являться поставщиками ионов стронция в кровь. При каких условиях в организме может образоваться такой патогенный биоминерал, как стронцианит (SrCO₃ с ПР = 1,1•10^–10)?. Стронцианит может образоваться, если будет выполняться условие пересышения (формула) При концентрации бикарбоната в крови в норме концентрация ионов (формула) также будет в норме, т.е. (формула) Тогда условие образования стронцианита будет выглядеть следующим образом: [Sr²⁺]•1,1•10^–10/С_норм. Но поставщиком ионов стронция в кровь могут, являются не только химические соединения, представленные в табл. 1, но и питьевая вода и пища. Следовательно, даже действуя строго в соответствии с установленными нормами, нельзя исключать, что мы можем получить в организме человека патогенный биоминерал стронцианит, т.к. концентрация ионов стронция определяется суммированием от всех источников, в т.ч. с пищей и водой. Предположим, мы не учли концентрацию ионов стронция от всех источников и в организме человека образовался данный патогенный биоминерал. Далее начинаем уменьшать воздухообмен (естественная вентиляция не обеспечивает стабильного воздухообмена), тем самым увеличиваем концентрацию углекислого газа в помещении. В результате уменьшения воздухообмена концентрация ионов (формула) будет увеличиваться, т.е. тем самым мы искусственно будем выводить систему кристалл – окружающая его среда из равновесия. Кристалл начнет расти. Итак, в результате неправильно выбранной нами системы вентиляции и при неправильном расчете расхода наружного воздуха мы можем вырастить в организме человека хороший источник стронция (стронцианит) на много лет вперед. Обращаем ваше внимание, что по условию задачи изначально в воздухе помещения карбоната стронция (SrCO₃) не было. Вывод: Хотя созданная система вентиляции полностьюи соответствовала нормативной базе, но из-за нашей ошибки (проектировщика) при выборе системы вентиляции и расчете воздухообмена в организме человека мы получили именно это химическое соединение, благо, что на бумаге, а не в практической деятельности .

Следует отметить, что данный пример мы рассматривали только качественно, а количественную оценку можно получить, проведя целенаправленные научные исследования. Из этого примера можно сделать вывод, что если самой природой наложены ограничения на концентрацию углекислого газа и другие химические соединения, то изменение нормативного воздухообмена допустимо только в одном случае, если эта норма научно обоснована. При этом надо учитывать, что образование патогенных биоминералов и их рост происходят при участии высокоразвитой поверхности на уровне наносистем, а это уже органоминеральные агрегаты (ОМА), поэтому последствия могут быть самыми непредсказуемыми. А что понимать под определенными параметрами воздуха и как эти параметры могут влиять на организм человека, на наш взгляд, для этой цели должен существовать Стандарт. В идеале Стандарт необходим проектировщику для того, чтобы он уже на этапе проектирования мог объяснить заказчику, как может повлиять воздух, обработанный в создаваемой климатической системе, на организм человека, если проектировщик будет строго следовать этому Стандарту. Давайте попытаемся рассмотреть существующие стандарты исходя из вышеприведенного примера на основе статьи В.И. Ливчака «О нормах воздухообмена общественных зданий и последствиях их завышения. Предложение к дискуссии» (АВОК, №6/2007). В этой статье дается анализ изменения воздухообмена в стандарте ASHRAE 62-1–2004 по отношению к стандарту ASHRAE 62-1–1999, «Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality» и отмечается, что норма воздухообмена в офисных помещениях уменьшилась в полтора раза. За период времени между введением в действие этих стандартов: законы природы не изменились; новых основополагающих законов открыто не было; экологическая обстановка продолжала ухудшаться; была вспышка атипичной пневмонии; в Америке Киотский договор так и остался не ратифицированным; в 2004 г. на международной конференции по архитектуре и качеству окружающей среды в Китае П. Оле Фангер привел данные, что ежедневно около 5000 человек умирают от плохого качества внутреннего воздуха и причины этого процесса до сих пор не установлены; стоимость энергоносителей продолжала расти; научно-обоснованная концентрация углекислого газа в помещении не определена. То есть каких-то веских оснований для снижения нормативного воздухообмена, кроме снижения энергопотребления в зданиях вроде как и не было. Почему нормативный воздухообмен снизился в полтора раза, а почему не в два или почему не увеличился? Суть вопроса не в том, какие значения положены в основу расчета и как делать расчет, а в том, какой результат будет получен на практике: 1. Если у конечного пользователя к концу рабочего дня бикарбонат в крови будет в норме, то с такой нормированной величиной воздухообмена необходимо согласиться и можно рассматривать данный стандарт дальше. 2. Если у конечного пользователя к концу рабочего дня бикарбонат в крови будет выше нормы, то тогда данный стандарт должен содержать информацию о побочных эффектах, времени восстановления кислотно-основного баланса в организме человека и при каких условиях это восстановление можно реализовать и только после этого данный стандарт можно рассматривать дальше. 3. Если у конечного пользователя к концу рабочего дня бикарбонат в крови будет достигать такого уровня, что появляется риск образования тех или иных патогенных биоминералов, тогда данный стандарт уже можно не рассматривать. Основным аргументом разработчиков стандарта ASHRAE 62-1–2004 являются исследования, проведенные, в т.ч. П. Оле Фангером. Но сам П. Оле Фангер дает совершенно другую оценку [1]: «Часто встречаются высказывания о том, что сенсорные измерения более предпочтительны, чем химические измерения. В течение нескольких десятилетий эти измерения сформировали базу для стандартов и предписаний по системам вентиляции (CEN, 1998, ASHRAE, 2004). Эти стандарты и предписания обычно определяют воздух с приемлемым качеством как воздух, вызывающий неудовлетворение у 15, 20 или 30 % людей. Кроме того, эти стандарты задают соответствующие необходимыепараметры вентиляции. На практике эта «философия» стандартов определяет посредственное качество воздуха, которым недовольно большее количество людей, чем ожидалось, что документально зафиксировано в результатах многих исследований в реальных условиях, в зданиях по всему миру, построенных согласно этих стандартов ». Кроме того, П. Оле Фангер подчеркивает: «Недавние исследования показали, что повышение качества внутреннего воздуха в 2–7 раз, по сравнению с существующими стандартами, значительно повышает производительность труда сотрудников офисов, эффективность учебного процесса в школах и снижает число астматических и аллергических заболеваний. Чтобы сделать воздух приемлемым даже для наиболее чувствительных людей, необходимо повышение его качества на один-два порядка» . Следовательно, из тех данных, что приводит П. Оле Фангер, напрашивается вывод, что в стандарте ASHRAE 62-1– 2004 не все так гладко. В.И. Ливчак, сравнивая нормы воздухообмена ASHRAE 62-1–1999, ASHRAE 62-1–2004 и АВОК Стандарт «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена», приходит к выводу, что в обеспечении человека определенным количеством свежего воздуха для дыхания не может быть «национальных особенностей» и следует ориентироваться на американские нормы как более обоснованные. Безусловно «национальных особенностей» быть не может, т.к. воздухообмен должен быть определен в полном соответствии с законами природы, т.е. под определенным количеством свежего воздуха для дыхания наверно все-таки следует понимать нормируемую величину воздухообмена, которая поддерживает параметры организма человека в норме. Тем более эти параметры хорошо известны. А вот будет ли эта величина нормируемого воздухообмена по ASHRAE 62-1–2004 обеспечивать поддержание в частности концентрацию бикарбоната в крови человека в норме? Ни из статьи, ни из ответов разработчиков стандарта ASHRAE 62-1– 2004 это не следует. Заполним этот пробел, воспользовавшись данными российских ученых [2]. «В костях человека примерно 70 % приходится на гидроксил-апатит Са₅(РО₄)₃(ОН). Это в среднем составляет 6 кг веса. Особенностью кристаллической структуры апатита является положение кальция в двух структурных позициях, обусловливающих возможность его замещения примерно 20-ю элементами: Sr, U, Th, Ba, Na, Mn и др. Именно эти замещения традиционно исследуются медиками и биологами при возникновении многих заболеваний костно-суставной системы (артрозы, артриты, остеопорозы, остеохондроартрозы и пр.)» . Отмечается, что наиболее известным эндемическим (заболевание, характерное для конкретной местности) заболеванием костной системы, связанным с дисбалансом поступления в организм человека элементов, является так называемая Уровская болезнь, или болезнь Кашина-Бека. Основными симптомами болезни являются поражения костно-суставной системы, выражающиеся в утолщении суставов кистей, короткопалости, ограничения движений суставов, атрофии мышц, искривления позвоночника и утолщении его позвонков, низкорослости. В отличие от невнятной аргументации разработчиков стандарта ASHRAE 62-1–2004 наши ученые дают конкретные и обоснованные предложения. М.В. Барвиш и А.А. Шварц предложили ввести термин «биологически значимая концентрация» (БЗК) для того, чтобы определить содержание, начиная с которого элементы, входящие в состав воды, необходимо учитывать при ее характеристике. БЗК — это концентрация, при которой поступление элемента в организм человека с водой может сказываться на общем микроэлементном балансе человека. В основу одного из возможных подходов к определению БЗК предлагается положить результаты статистических исследований среднесуточного потребления человеком различных элементов с пищей, водой и воздухом. За нижний предел биологически значимой концентрации (НПБЗК) предлагается принимать величину, при которой поступление элемента в организм с питьевой водой составляет 5 % от общего среднестатистического поступления. Ежесуточное потребление питьевой воды принято 2 л. Кроме того, отмечается, что НПБЗК по стронцию для питьевой воды составляет 0,05 мг/л. При среднесуточном потреблении стронция свыше 2 мг (сравните с ПДК) у человека повышается риск развития заболеваний костно-суставной системы. А в основе этого заложена биогеохимическая теория происхождения Уровской эндемии, которая в настоящее время является признанной теорией. Согласно этой теории, причиной возникновения болезни является дисбаланс экзогенно(из вне) поступающих в организм макро- и микроэлементов. Следует отметить, повышенная концентрация углекислого газа в помещении приводит именно к дисбалансу в организме человека. Нам остается только применить данную теорию на упрощенном примере к внутреннему воздуху помещения. Если предположить, что в одном помещении два постоянных рабочих места. У одного человека среднесуточное потребление стронция с пищей и водой составляет 2,0 мг, а у другого 1,0, и с воздухом они получают дополнительно по 0,5 мг. Далее действуем строго по определению [3]: «Вентиляция — организованный обмен воздуха в помещениях для обеспечения параметров микроклимата и чистоты воздуха в обслуживаемой зоне помещений в пределах допустимых норм». Тогда возникает вопрос: Каким должен быть воздухообмен в данном помещении и что понимать под «определенным количеством свежего воздуха для дыхания»? Если следовать в строгом соответствии со стандартом ASHRAE 62-1–2004 — это 30 м³/ч на человека. Но что из этого может получиться? Для того чтобы выйти из сложившейся ситуации, на наш взгляд, необходимо обычные вредности, концентрация которых регламентируется ПДК, и которые не диссоциируют в воде (молекулярный уровень), классифицировать как вредности первого порядка. А концентрации элементов, которые поступают в организм человека экзогенно (извне) и диссоциируют в воде (ионный уровень) отнести к вредностям второго порядка и регламентировать как биологически значимые концентрации (БЗК). Тогда мы получим уже два параметра, которые могут характеризовать качество воздуха в помещении. Благодаря этому в дальнейшем может появиться реальный механизм управления химикобиологическими процессами в организме человека через внутренний воздух помещения. Далее нам никто не мешает попробовать дать оценку качеству воздуха. Пусть Сiбзк концентрация i-го элемента в воздухе помещения, которая обеспечивает баланс поступления этого элемента в организм человека. И если ввести такое понятие, как верхний предел биологически значимой концентрации (ВПБЗК), начиная с которого элементы, поступающие в организм человека, могут приводить к необратимымпоследствиям в нем, тогда появляется критерий оценки качества воздуха. Если концентрацию элементов в пище и воде можно как-то регулировать, используя в пищу экологически чистые продукты питания и качественную воду, то атмосферный воздух — какой он есть, такой и есть. С него и начнем. При концентрации i-го элемента в атмосферном воздухе С_iбзк = С_iатмос атмосферный воздух можно считать качественным по данному элементу. Будем считать, что такие концентрации экзогенно поступающих в организм макрои микроэлементов еще могут поддерживать баланс в организме человека. При концентрации элементов в атмосферном воздухе С_iбзк < С_iатмос < С_iвпбзк атмосферный воздух можно считать приемлемого качества. Будем считать, что такие концентрации макро- и микроэлементов хотя и влияют на баланс в организме человека, но не приводят к необратимым процессам. При С_iатмос = С_iвпбзк (например по СО₂) такая физическая система как организм человека — атмосферный воздух может перейти в новое качество, и этот переход в новое качество можно характеризовать как экологическая катастрофа. Если ввести коэффициент качества внутреннего воздуха (К_кач), тогда, используя уравнение К_кач = (С_iпомещ – С_iатмос)/С_iпомещ, получаем, что в отсутствии вентиляции С_iатмос = 0, т.е. при К_кач = 1 концентрация элементов С_iпомещ с течением времени будет увеличиваться за счет выделения различных вредностей внутри помещения и в момент времени Т достигнет уровня С_iпомещ = С_iвпбзк, т.е. воздух в помещении с момента времени Т становится опасным для здоровья человека. При использовании системы вентиляции для разбавления вредностей в помещениях коэффициентом качества внутреннего воздуха можно варьировать в интервале 0 < К_кач < 1, изменяя расход наружного воздуха (L, м³/ч) в пределах 0 < L < L_атмос, где L_атмос — расход наружного воздуха, обеспечивающий поддержание качество внутреннего воздуха на уровне атмосферного, т.е., используя зависимость К_кач ~ f(1/L). Следовательно, основным инструментом по обеспечению приемлемого качества воздуха в помещении является расход наружного воздуха (воздухообмен). Поэтому, что послужило основанием для уменьшения норм воздухообмена в стандарте ASHRAE 62-1–2004, так и остается неясным. А вот стоит ли без оглядки на фундаментальную науку ориентироваться на американские нормы как более «обоснованные»? Наверное нельзя, т.к. это может привести к грубым ошибкам, особенно в разделе энергосбережения, и нанести непоправимый вред здоровью конечного пользователя. Выводы На сегодняшний день ни один существующий стандарт в полной мере не учитывает тех процессов, которые происходят в организме человека. Поэтому, так же как и с лекарственнымми препаратами: «знаешь меру — лечат, не знаешь меры — калечат», на климатическом рынке: на одном и том же оборудовании можно обеспечить приемлемое качество воздуха в помещении, а можно нанести непоправимый вред здоровью конечного пользователя. Все дело в Мере. А вот эту Меру, на наш взгляд, должен определить новый Стандарт.

1. Оле Фангер П. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате // АВОК. №2/2006. 2. Полякова Е.В. Стронций в подземных водах и его влияние на организм человека // Минералогия и жизнь: Материалы IV Международного семинара. Сыктывкар: Геопринт, 2007. 3. Стандарт АВОК-1–2004. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена // М.: АВОКПресс, 2004.