Современные системы абсорбции

Уровень углекислого газа в атмосфере планеты Земля не поднималась выше 320 ppm за последние 40 тыс. лет. Многие ученые предполагают, что увеличение концентрации СО2 связано с деятельностью человека — вследствие сжигания топлива. Неэкономный расход электроэнергии приводит ко все большему выбросу углекислого газа в атмосферу. Всем знакомо ощущение духоты в помещении и симптомы, связанные с этим, т.е. усталость, сонливость, раздражительность, сложность с концентрацией внимания.

Это состояния многие связывают с нехватки кислорода. Однако расчеты показывают, что появление этих симптомов вызваны тем, что уровень углекислого газа превысил комфортный и безопасный для человека уровень, в то время, как уровень кислорода остается еще на вполне нормальным для дыхания человека уровне. Поэтому добавление кислорода в воздух кислородными генераторами ничего не дает без удаления избытка СО2 из воздуха помещения. Графики роста уровня углекислого газа и падения уровня кислорода в классе во время уроков наглядно демонстрируют это.

Графики замера уровня СО2 и О2 в школьном классе отчетливо показывают, что даже в то время, когда уровень СО2 увеличивался до 1650 ppm (данный пик приходится на конец урока), уровень кислорода держался в пределах 15–20 %, что является вполне нормальным уровнем для человека, при котором его состояние никак не меняется. Данные графики отчетливо демонстрируют, что человек начинает ощущать симптомы нехватки свежего воздуха именно от избытка углекислого газа в воздухе помещения, поскольку кислорода в воздухе помещения еще вполне хватает.

Основным источником углекислого газа в помещении является человек, а также углекислый газ с улицы, который поступает в помещение через вентиляционные системы и открытые окна. Физиологическое влияние углекислого газа на организм человека. Последние исследования ученых показали, что нахождение в помещении с повышенной концентрацией СО2 в воздухе может даже привести к негативным изменениям в крови. Под влиянием углекислого газа происходит снижение величины pH в сыворотке крови (увеличению ее кислотности), что ведет к ацидозу.

В этом состоянии организм плохо усваивает минералы, такие как кальций, натрий, калий и магний, которые, благодаря избыточной кислотности, выводятся из организма. Ацидоз может вредить организму незаметно, но постоянно в течение нескольких месяцев и даже лет. Ацидоз может спровоцировать заболевания сердечно-сосудистой системы, прибавление в весе и диабет, снижение иммунитета, проблемы с опорно-двигательным аппаратом, общую слабость и др. Особенно негативно СО2 влияет на людей, болеющих аллергией и астмой.

Токсичный уровень СО2. В научных исследования описано влияние высокого уровня СО2 в помещении на здоровье человека. Когда концентрация углекислого газа в помещении достигала 600 ppm (0,06 %), люди начинали чувствовать признаки ухудшения качества воздуха. Если концентрация СО2 продолжала расти, некоторые люди начинали испытывать симптомы отравления углекислотой, такие как проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, гипервентиляция, потливость, усталость.

При уровне 1000 ppm (0,1 %) почти все, из находящихся в помещении, испытывали те или иные симптомы, описанные выше. В научной статье «Производительный офис», были опубликованы исследования финских ученых, проведенные под руководством Сеппянена (O.A. Seppa .. nen) [18], в них говориться о том, что, если уровень углекислого газа в офисном помещении был ниже 800 ppm (0,08 %), 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 СО2, значительно снижались.

Английский ученый Робертсон считает, что, если уровень углекислого газа в помещении не опускается ниже 500 ppm, этот может приведет к изменениям в метаболизме, таким как снижению pH сыворотки крови, что приведет к широкому распространению ацидоза [34, 2, 3, 4]. То же самое подтвердили исследования, проведенные учеными в городе Калькутта. Изменение pH сыворотки крови в свою очередь приведет к увеличению чувствительности к другим негативным факторам [1].

Табл. 1 показывает, как состояние людей меняется в зависимости от уровня содержания углекислого газа в помещении офиса. На рис. 1 приведен график замеров уровня СО2 сделанных при помощи прибора даталоггера в офисном помещении одной из компаний в городе Хельсинки (Финляндия). График замеров показывает, как может меняться уровень СО2 в офисном помещении в течение дня. 18 марта в помещении офиса был обычный рабочий день, но часть сотрудников отсутствовала, а 19 марта, когда в помещении были все сотрудники, уровень углекислого газа вырос до отметки 1600 ppm, что негативно сказывается на работоспособности персонала.

Рис. 1 наглядно демонстрирует, как меняется уровень СО2 в офисном помещении во время рабочего дня. Из анализа графика ясно, что разовые замеры уровня углекислого газа неэффективны, поскольку зависят от времени дня и загруженности помещения. Наиболее показательными, с этой точки зрения, могут явится показания, снятые непрерывно хотя бы в течение одних суток. В России качество воздуха в офисах и учебных помещениях на уровень содержания СО2 никто не проверяет.

Это происходит потому, что углекислый газ в России никогда не считался токсичным. Работы, на которые ссылаются некоторые авторы, считающие, что углекислый газ вреден для человека только в концентрациях выше 5000 ppm, проводились в 1960-х годах [20]. Исследования проводились для концентраций СО2, ниже 10 тыс. ppm (1 %, такие высокие концентрации пока невозможно встретить в реальных жилых и офисных помещениях).

В результате исследований было выявлено, что нежелательные сдвиги в функции внешнего дыхания отмечаются при действии СО2 в концентрации свыше 5000 ppm. При концентрации 500–1000 ppm никаких отрицательных явлений не отмечается. Эти исследования не проводились для случаев, когда люди подвергаются длительному воздействию повышенного уровня СО2 в помещении, не случайно все западные исследования проводились в школах или в офисах, в этих помещениях люди находятся по несколько часов ежедневно в течение месяцев.

Нужно так же заметить, что уровень углекислого газа в атмосфере даже крупных городов был значительно ниже. Только в 2006 г. в России гигиеническими нормативами была введена максимально разовая среднесменная концентрация (4597 ppm) для воздуха рабочей зоны производственных помещений. Для жилых и офисных, учебных и других помещений в России такая норма до сих пор отсутствует. В 2003-м и 2006-м годах в Венгрии были проведены специальные исследования влияния уровня углекислого газа на производительность труда человека [28, 29].

В двух изолированных камерах ученые поддерживали высокий уровень вентиляции. В первой камере уровень СО2 всегда был 600 ppm (0,06 %), а во вторую постоянно добавляли большое количество чистого углекислого газа, так, чтобы качество воздуха по всем остальным показателям, кроме СО2, было хорошим. Люди, находящиеся в камерах, должны были в течение 70 минут проводить поиск ошибок в текстах, которые им предлагались.

Первый тест проводился при уровне 5000 ppm (0,5 %) СО2. Испытуемые, которые не знали о том, каков уровень углекислого газа в камере, отзывались о качестве воздуха в ней как о крайне низком. Способность концентрировать внимание была значительно хуже, чем у испытуемых в первой камере. Второй тест проводился при уровне СО2, равном 4000 ppm (0,4 %). Количество ошибок, сделанных испытуемыми во второй камере, было значительно выше, чем в камере с уровнем 600 ppm.

Третий тест проводился для уровня 3000 ppm СО2. Концентрация внимания испытуемых в этом тесте была низкой, а количество ошибок на много выше, чем у тех, кто находился в первой камере, с хорошим качеством воздуха. Результаты данного исследований наглядно подтверждают тот факт. Что именно углекислый газ, а не другие антропогенные загрязнители воздуха помещения, в котором находятся люди влияет на их самочувствие и работоспособность.

В свете данных исследований можно с уверенностью сказать, что гигиеническая норма 4597 ppm для воздуха рабочей зоны производственных помещений сильно завышена. Согласно последним исследованиям, проведенным в США, от ухудшения качества воздуха в помещении продуктивность в работе офисного персонала может снизиться на 12 %. При улучшении качества воздуха в помещении сотрудники лучше справляются и делают меньше ошибок в работах, связанных арифметическими вычислениями, написанием и сверкой текстов и другими работами, требующими высокой концентрации внимания [30, 31]. Учеными изучалось влияние уровня СО2 на качество работы сотрудников, работающих на компьютере.

В результате было выявлено, что скорость работы на компьютере падала, а количество ошибок значительно возрастало при уровне СО2 выше 1000 ppm (0,1 %) [32, 33]. Принимая во внимание результаты исследований, описанного выше, можно сделать вывод о том, что уровень углекислого газа подлежит контролю во всех помещениях, где работают люди.

Особенно это касается тех мест, где необходима высокая концентрация внимания персонала, таких, например, как диспетчерские аэропортов и атомных станций, помещения, где работает персонал, деятельность которого связана с различными расчетами или длительным набором или сверкой текстов и др. Академик Ю.Д. Губернский и к.т.н. Е.О. Шилькрот [23] пишут о том, что измерения в офисах и на улицах Москвы показали, что в ряде офисов уровень СО2 достигал 2000 ppm и выше.

Уровень углекислого газа на улицах колебался в показателях до 1000 ррm, но измерения были сделаны не в самые неблагополучные дни, с точки зрения климатической обстановки. В России с 1 октября 2008 г. был введен ГОСТ Р ЕН 13779–2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к вентиляции и кондиционированию» в основу которого положен Европейский стандарт 2004 г. по качеству воздуха в помещениях с пребыванием людей [24].

В европейском стандарте сказано, что воздух высокого качества в помещении должен отличаться от наружного воздуха населенного пункта всего на 350 ppm СО2. Затруднение заключается в том, что мониторинг за атмосферным уровнем СО2 в городах службами Центра по гидрометеорологии не ведется, а за рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, является типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету.

Возникает законный вопрос, если никто не замеряет в России уровень СО2 в различных районах городов, на что следует ориентироваться, чтоб правильно рассчитать необходимый уровень подачи воздуха вентиляцией в помещение. Если, в центре Москвы, например, концентрация углекислого газа может быть 800 ppm и выше, что в сумме дает 800 + 350 = 1150 ppm, такое качество воздуха в помещении даже хорошим назвать сложно, а по расчетам, согласно вводимым нормам это должно считаться отличным качеством воздуха.

В большинстве европейских стран, для которых был принять европейский стандарт ’2004 по качеству воздуха, углекислого газа в воздухе городов значительно меньше, чем в крупных городах России. Это происходит потому, что в Европе нормы по уровню содержания СО2 в выхлопных газах автомобилей значительно строже. Если взять для примера Москву, где автомобильный парк насчитывает уже около 3 млн автомобилей, то только третья часть из них по уровню содержания СО2 в выхлопных газах отвечает европейскому стандарту.

А именно автотранспорт является основным источником углекислого газа на улицах городов. Поэтому применение нового ГОСТа к расчету необходимого воздухообмена для помещений, находящихся в крупных российских городах представляется мало возможным. Одним из ресурсов сбережения «вентиляционного» тепла является более рациональный подход к нормам воздухообмена.

Когда проектируется система вентиляции, предполагается, что воздух, который подается с улицы содержит в себе уровень СО2, соответствующий нормальному атмосферному, который теперь уже составляет 370 ppm (0,037 %). Но в реальности этот уровень можно встретить только в экологически чистых местах. Как отмечалось в статье Ю.Д. Губернского и Е.О. Шилькрота [23] уровень углекислого газа на улицах может колебаться в показателях до 1000 ррm.

Ясно, что увеличение кратности воздухообмена при таких условиях ничего не дает. Более того, как показывает расчет, для чистоты воздуха в помещении при некоторых условиях кратности воздухообмена не является существенным фактором. Пример. Человек в спокойном состоянии выдыхает около 2 м3/ч воздуха. Если представить такой человек находится в комнате площадью 20 м2 с высотой потолков 3 м (объем комнаты составляет 60 м3), то понятно, что при однократном воздухообмене он будет дышать воздухом, состоящим на 2/60 = 3,3 % из старого и 96,7 % нового внешнего воздуха.

При двукратном воздухообмене во вдыхаемом воздухе будет 2/120 = 1,6 % старого воздуха и 98,4 % нового. Чистота внутреннего воздуха, таким образом, изменится незначительно, но затраты на его нагрев вырастут вдвое. При расчете необходимого воздухообмена необходимо учитывать то, что увеличение потребляемой вентиляционными системами электроэнергии, в свою очередь приводит к увеличению выброса углекислого газа в атмосферу.

Вспомнив то, что писал Робертсон о достижении критического уровня СО2 в атмосферном воздухе [34], можно понять, почему необходимо подходить к расчету норм воздухообмена очень рационально. В своей статье «Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате и о необходимости приточной и вытяжной вентиляции» П. Оле Фангер писал, что «Очистка внутреннего воздуха от газообразных загрязняющих веществ представляет собой многообещающий метод повышения качества воздуха и частичного замещения вентиляции».

В настоящее время наиболее безопасными для очистки воздуха в помещениях, где находятся люди, можно считать очистители воздуха, основанные на методе абсорбции ЛОС и других загрязняющих воздух помещения веществ. Правильное сочетание очистителей воздуха с разумным уровнем вентиляции может дать очень хороший результат и хороший уровень энергосбережения. До недавнего времени рекомендации по борьбе с углекислым газом в помещении сводились к усилению воздухообмена.

Все это помогает в условиях экологически благополучных городов и деревень. В условиях мегаполисов для достижения низкого уровня единственно возможным представляется искусственное удаление избытка СО2 из воздуха внутреннего помещения. До недавнего времени такая возможность не представлялась реальной, т.к. на рынке не существовало устройств очистки воздуха такого типа. Финские ученые нашли способ решения этой проблемы.

Изобретенное им бытовое устройство Uniqfresh удаляет из воздуха помещений избыток углекислого газа. Принцип действиях прибора основан на абсорбции (поглощении) избытка СО2 из воздуха помещения в период, когда там находятся люди, и регенерации фильтра-абсорбера в момент, когда помещение не используется. Это единственное в мире бытовое устройства очистки воздуха подобного рода.

С помощью угольного фильтра и фильтра HEPA Uniqfresh так же очищает воздух от других опасных для здоровья загрязнений, таких как пыль, перхоть домашних животных, пыльца, споры плесени и микроскопические частицы. Выпускаются две модели Uniqfresh 100 и Uniqfresh 400, производительностью 72 и 180 м3/ч, соответственно. Экономия электроэнергии с помощью прибора Uniqfresh. Устройство Uniqfresh 400 очищает в час 180 м3 воздуха от СО2 и других загрязнений.

Одного устройства достаточно для помещения около 40 м2. За 10 ч работы устройство потребляет 40 Вт × 10 = 400 Вт. За весь процесс регенерации он потребляет около 3 кВт. Итого за весь процесс работы в сутки 3,4 кВт. Если вентиляционная система работает так, чтоб подавать 180 м3 воздуха в час в помещение 10 ч при температуре на улице 0 °C, то расходы электроэнергии только на подогрев воздуха составят минимум 1,25 кВт × 10 = 12,5 кВт.

Установив в такой комнате устройство Uniqfresh, можно уменьшить воздухообмен в таком помещении, что существенно сэкономит затраты на обогрев или охлаждение поступающего с улицы воздуха. Абсорбер углекислого газа может существенно улучшить качество воздуха в помещениях, где нет вентиляции. Он также может явиться разумным дополнением к уже существующим или устанавливаемым вновь вентиляционным системам.

Выводы

1. Углекислый газ является токсичны для человека даже в низких концентрациях. Наилучшим для человека в помещении является уровень углекислого газа максимально приближенный к нормальному атмосферному.
2. Концентрация СО2 в помещении требует повсеместного контроля. Особенно это важно для промышленных городов и крупных мегаполисов, где промышленность и транспорт постоянно загрязняют атмосферный воздух углекислым газом. Необходимо делать замеры уровня углекислого газа во всех помещениях, где находятся люди, особенно это касается детских учреждений. Но нужно помнить, что уровень углекислого газа есть смысл замерять только тогда, когда помещение используется более всего и не ранее, чем в середине рабочего дня. Замеры уровня СО2 при сдачи вентиляции в эксплуатацию в новых зданиях не имеют никакого смысла.
3. Неэкономное расходование электроэнергии вентиляционными системами ведет к дополнительным выбросам СО2 в атмосферу. Из-за постоянного роста СО2 в атмосфере, высокого уровня СО2 в городах из-за промышленности и автотранспорта, поддержание безопасного и комфортного для человека уровня углекислого газа в помещении при помощи вентиляционных систем с каждым годом становится все менее вероятным и энергозатратным без принудительного удаления его из помещения. Представляется очевидным, что необходимо найти компромиссное решение этой проблемы путем сочетания разумного количества воздуха, подаваемого вентиляцией и принудительной его очисткой в помещении.