В работе [1] был проведён анализ публикаций, посвящённых исследованиям в области качества воздуха в учебных кабинетах школ. Результаты анализа показывают мировую тенденцию к увеличению публикаций и рост темпов исследований в данной области. В рассмотренных работах наибольшее внимание уделяется вопросам влияния загрязнителей (углекислого газа, угарного газа, летучих органических соединений, твёрдых частиц, спор грибов и бактерий) и теплового комфорта на здоровье и успеваемость учащихся, а также вопросу потребления энергии.

Одно из немногочисленных исследований [2] в области социально-экономического влияния качества воздуха в учебных кабинетах школ показало, что увеличение величины воздухообмена на одного человека с 21,6 м³/ч (нормативное требование в Дании) до 30,2 м³/ч (нормативное требование в Швеции) в датских школах приведёт к среднегодовому увеличению валового внутреннего продукта на €173 млн и среднегодовому увеличению государственного бюджета на €37 млн в последующие 20 лет.

В работах [3, 4] авторами рассмотрен вопрос определения величины воздухообмена в учебных кабинетах из условия выполнения требований ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» по допустимому содержанию углекислого газа (далее CO2). Полученные в результате расчётов величины воздухообменов превышают воздухообмены, как правило, принимаемые при проектировании школ (кратность 2 ч-1 или 20 м³/ч наружного воздуха на одно место).

Закономерно, что увеличение расчётных воздухообменов в учебных кабинетах до значений, определённых по расчёту на обеспечение допустимых концентраций CO2, будет влиять на величину капитальных и эксплуатационных затрат на системы общеобменной вентиляции. Однако, несмотря на важность вопроса минимизации потребления тепловой и электрической энергии, ограничение потребления ресурсов не должно приводить к ухудшению качества воздуха внутри зданий, так как «результаты экологических исследований показывают, что проблема энергосбережения при всей своей значимости не обладает тем угрожающим влиянием на качество жизни и здоровье людей, которое присуще проблеме качества микроклимата» [5].

Таким образом, с одной стороны, для обеспечения нормируемого качества воздуха в учебных кабинетах необходимо обеспечивать величину воздухообмена, определённую по расчёту на обеспечение допустимых концентраций CO2 (при перемешивающей вентиляции), с целью повышения успеваемости, посещаемости, охраны здоровья учащихся и получения в будущем социально-экономического эффекта. Но, с другой стороны, проектные решения должны обеспечивать рациональное потребление энергии, что обуславливается как требованием к ограничению затрат, так и необходимостью снижения выбросов парниковых газов.

Основная часть

В рамках настоящей работы авторами был выполнен расчёт мощности потребителей тепловой энергии для существующего здания общеобразовательной организации для двух вариантов определения расчётного воздухообмена в учебных кабинетах. В первом варианте воздухообмен определялся согласно проектной документации по минимальным требованиям (20 м³/ч наружного воздуха на одно место), а во втором варианте — по расчёту на обеспечение допустимых концентраций CO2 [4]. Воздухообмены для помещений другого функционального назначения, тепловая мощность систем отопления и горячего водоснабжения были приняты согласно данным проектной документации одинаковыми для обоих вариантов.

Здание общеобразовательной организации на 550 мест расположено в городе Екатеринбурге (расчётная температура наружного воздуха в холодный период года составляет −32°C). В здании четыре наземных этажа и технический подвал, общая площадь здания равна 13881 м². В составе здания предусмотрены следующие функциональные группы помещений: учебные кабинеты, актовый зал на 170 мест, два спортивных зала, помещения общественного питания с обеденным залом на 286 мест, справочно-информационный центр, медицинский пункт, вестибюли и рекреации, административно-хозяйственные и технические помещения.

Для первого варианта расчётный воздухообмен составил 520 м³/ч для одного учебного кабинета на 25 мест независимо от уровня образования. Для второго варианта воздухообмены были определены на основании данных [4] и составили: для одного учебного кабинета начального образования — 790 м³/ч, для одного учебного кабинета основного и среднего образования — 1090 м³/ч. Суммарная производительность трёх приточных систем вентиляции, обслуживающих учебные кабинеты, для первого варианта составила 21860 м³/ч, а для второго варианта — 38610 м³/ч (суммарный воздухообмен увеличился почти в 1,8 раза).

Проектным решением предусмотрено применение приточно-вытяжных установок с энтальпийными пластинчатыми рекуператорами тепла и подача в кабинеты приточного воздуха с температурой +18°C. При расчёте требуемой тепловой мощности водяных воздухонагревателей, предназначенных для нагрева приточного воздуха после рекуператоров, для первого и второго вариантов принята одинаковая температурная эффективность рекуператоров (70–77%).

Как видно из табл. 1, для второго варианта требуемая тепловая мощность систем приточной вентиляции учебных кабинетов увеличилась на 67,92 кВт, что составляет 11,3% от проектной тепловой мощности всех систем вентиляции и 4,1% от проектной тепловой мощности всех потребителей тепловой энергии в здании.

Стоит отметить, что проектной документацией предусмотрены системы вентиляции технического подполья (воздухообмен 4005 м³/ч) без утилизации теплоты удаляемого воздуха, а тепловая мощность воздухонагревателя приточной установки составляет 64,4 кВт. Такое решение можно отнести к неэнергоэффективным.

Потребление тепловой энергии системами приточной общеобменной вентиляции зданий образовательных организаций зависит от заданного режима работы систем и применяемых алгоритмов автоматического управления. При определении расчётных воздухообменов по допустимым концентрациям CO2 и переменном количестве обучающихся в учебных кабинетах перспективным выглядит регулирование расхода воздуха для каждого учебного кабинета в зависимости от текущего значения концентрации CO2 в воздухе данного кабинета. Применение систем вентиляции, регулируемых по уровню потребности, может уменьшить потребление тепловой и электрической энергии при обеспечении требуемого качества воздуха в учебных кабинетах.

Выводы

1. Расчёт тепловой мощности потребителей для существующего здания школы показал, что при увеличении суммарного воздухообмена в учебных кабинетах почти в 1,8 раза тепловая мощность потребителей здания увеличится на 4,1% (67,92 кВт).

2. Автоматическое управление производительностью систем вентиляции учебных кабинетов в зависимости от текущей потребности может обеспечить экономию энергии и требуемое качество воздуха. Проведение исследований в области применения таких систем в образовательных организациях — актуальная задача.