До недавнего времени в научных статьях и исследованиях уровень СО2 в помещении рассматривался лишь как суррогатный показатель адекватной работы вентиляции, однако исследования ученых, проведенные в последнее время, показывают, что даже при низких концентрациях углекислый газ сам по себе токсичен для человека. Всем знакомо ощущение духоты в помещении и связанные с этим симптомы: усталость, сонливость, раздражительность, сложность с концентрацией внимания.
Такие состояния многие связывают с нехваткой кислорода. Однако расчеты показывают, что появление этих симптомов вызвано с тем, что содержание углекислого газа превысило комфортный и безопасный для человека уровень, в то время как кислород остается еще на уровне, вполне нормальном для дыхания человека. Поэтому добавление кислорода в воздух кислородными генераторами ничего не дает, если не удалять избыток СО2 из воздуха помещения.
Результаты замеров уровня СО2 и О2 в школьном классе показывают, что в конце урока уровень СО2 увеличивался до 1650 ppm (частиц на миллион частиц), а уровень кислорода держался в пределах 15–20 %, что является вполне нормальными условиями, при которых состояние человека никак не меняется. Данные измерения демонстрируют, что, несмотря на достаточное количество кислорода в воздухе помещения, человек начинает ощущать симптомы нехватки свежего воздуха именно из-за избытка углекислого газа.
Основным источником углекислого газа в помещении является человек, кроме того, углекислый газ поступает в помещение с улицы через вентиляционные системы и открытые окна.
Влияние углекислого газа на организм человека
Последние исследования ученых показали, что нахождение в помещении с повышенной концентрацией СО2 в воздухе может привести к негативным изменениям в крови. Под влиянием углекислого газа происходит снижение величины pH в сыворотке крови (ее кислотность увеличивается), что ведет к ацидозу. В этом состоянии организм плохо усваивает такие минералы, как кальций, натрий, калий и магний, которые из-за избыточной кислотности выводятся из организма.
Ацидоз может наносить вред организму незаметно, но постоянно в течение нескольких месяцев и даже лет. Ацидоз может спровоцировать заболевания сердечнососудистой системы, прибавление в весе, диабет, снижение иммунитета, проблемы с опорно-двигательным аппаратом, общую слабость и др. Особенно негативно коварный и незаметный углекислый газ влияет на людей, страдающих аллергией и астмой.
Токсичный уровень СО2
В научных исследования описано, как высокий уровень СО2 влияет на здоровье человека. Когда концентрация углекислого газа в помещении достигала 600 ppm (0,06 %), люди начинали чувствовать ухудшение качества воздуха. Если концентрация СО2 продолжала расти, у некоторых людей появлялись симптомы отравления углекислотой: проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, гипервентиляция, потливость, усталость.
При уровне 1000 ppm (0,1 %) почти все из находившихся в помещении испытывали те или иные симптомы из описанных выше. В научной статье «Производительный офис» были опубликованы исследования финских ученых, проведенные под руководством Сеппянена [1], согласно которым в тех случаях, когда 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, отмечавшиеся у сотрудников при более высокой концентрации СО2, исчезали.
Английский ученый Робертсон считает, что если уровень углекислого газа в помещении не опускается ниже 500 ppm, это может привести к изменениям в метаболизме, в частности, к снижению pH сыворотки крови, что может послужить причиной широкого распространения ацидоза [2, 3, 4]. То же самое подтвердили исследования, проведенные учеными в городе Калькутта.
Изменение pH сыворотки крови в свою очередь приводит к увеличению чувствительности к другим негативным факторам [5]. В таблице приведены данные, показывающие, как меняется состояние людей в зависимости от уровня содержания углекислого газа в помещении офиса.
Уровень углекислого газа в офисном помещении
На рис. 3 приведены результаты замеров уровня СО2, которые были сделаны в течение двух рабочих дней (18–19 марта) при помощи прибора даталоггера в офисном помещении одной из компаний в городе Хельсинки, Финляндия. График показывает, как уровень СО2 в офисном помещении может меняться в течение дня. Так, 18 марта был обычный рабочий день, но некоторые из сотрудников не присутствовали в офисе, а 19 марта, когда в помещении были все сотрудники, уровень углекислого газа вырос до отметки 1600 ррm, что негативно отразилось на работоспособности персонала.
Из графика ясно, что разовые замеры уровня углекислого газа неэффективны, поскольку зависят от времени дня и загруженности помещения. Поэтому более объективными являются показания, снятые непрерывно хотя бы в течение одних суток.
Состояние проблемы в России
В России нет исследований влияния углекислого газа в невысоких концентрациях на здоровье человека, а также нет организаций, контролирующих уровень СО2 в помещениях. По такому показателю, как содержание СО2, качество воздуха в офисах и учебных помещениях в нашей стране 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, превышающих 5000 ррm, были проведены в 1960-е годы [6].
Исследования проводились для концентраций СО2 ниже 10000 ppm (1 %), однако столь высокие концентрации пока невозможно встретить в имеющихся в настоящее время жилых и офисных помещениях. 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. Неслучайно все западные исследования проводились в школах или в офисах — в этих помещениях люди находятся по нескольку часов ежедневно в течение нескольких месяцев. Нужно также 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 норма — 4597 ppm для воздуха рабочей зоны производственных помещений. Для жилых, офисных, учебных и других помещений в России такая норма до сих пор отсутствует. В 2003 и 2006 гг. в Венгрии были проведены специальные исследования влияния уровня углекислого газа на производительность труда человека [7, 8]. В двух изолированных камерах ученые поддерживали высокий уровень вентиляции.
В первой камере уровень СО2 всегда был равен 600 ррm (0,06 %), а во вторую камеру постоянно добавляли большое количество чистого углекислого газа так, чтобы качество воздуха по всем остальным показателям, кроме содержания СО2, было хорошим. Люди, находившиеся в камерах, должны были в течение 70 мин. проводить поиск ошибок в текстах, которые им предлагались. Первый тест проводился при уровне СО2, равном 5000 ррm (0,5 %). Испытуемые, которые не знали о том, каков уровень углекислого газа в камере, крайне низко оценивали качество воздуха в помещении.
Способность концентрировать внимание была значительно хуже, чем у испытуемых в первой камере. Второй тест проводился при уровне СО2, равном 4000 ррm (0,4 %). Количество ошибок, сделанных испытуемыми во второй камере, было значительно выше, чем у испытуемых в первой камере. Третий тест проводился для уровня 3000 ррm СО2. Концентрация внимания испытуемых в этом тесте была низкой, а количество ошибок намного выше, чем у тех, кто находился в первой камере с воздухом хорошего качества.
Результаты данного исследований наглядно подтверждают тот факт, что именно углекислый газ, а не какие-либо 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, из-за ухудшения качества воздуха в помещении продуктивность работы 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 видами деятельности, требующими высокой концентрации внимания [9, 10]. Ученые исследовали влияние уровня СО2 на качество работы сотрудников, работающих на компьютере. В результате было выявлено, что скорость работы на компьютере снижалась, а количество ошибок значительно возрастало, если уровень СО2 превышал 1000 ррm (0,1 %) [11, 12].
Принимая во внимание результаты исследования, описанного выше, можно сделать вывод о том, что необходимо контролировать уровень углекислого газа во всех помещениях, где работают люди. Особенно это касается тех мест, где работает персонал, от которого требуется высокая концентрация внимания, таких, например, как диспетчерские аэропортов и атомных станций. Относится это и к помещениям, в которых работает персонал, по роду своей деятельности занимающийся расчетами, а также набором или сверкой текстов и др.
Как пишут академик Ю.Д. Губернский и к.т.н. Е.О. Шилькрот, измерения в офисах и на улицах Москвы показали, что в ряде офисов уровень СО2 достигал 2000 ppm и выше [13]. Уровень углекислого газа на улицах доходил до 1000 ррm, причем измерения были сделаны в дни, не самые неблагополучные с точки зрения метеорологической обстановки. В России с 1 октября 2008 г. действует новый 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 [14].
В этом стандарте сказано, что по содержанию СО2 воздух высокого качества в помещении должен отличаться от наружного воздуха населенного пункта всего на 350 ррm. Трудности заключаются в том, что службы Центра по гидрометеорологии не ведут мониторинг атмосферного уровня СО2 в городах, а за рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, признан типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету.
Возникает законный вопрос: если в различных районах городов России никто не замеряет уровень СО2, то чем следует руководствоваться, чтобы правильно рассчитать необходимый уровень подачи воздуха в помещение посредством вентиляции? Если в центре Москвы, например, концентрация углекислого газа может быть 800 ррm и выше, что в сумме дает 800 + 350 = 1150 ррm, то качество такого воздуха в помещении даже хорошим назвать сложно, а по расчетам в соответствии с вводимым нормам качество этого воздуха должно считаться отличным.
В большинстве стран, принявших Европейский стандарт 2004 г., 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 три миллиона автомобилей, то только треть из них по уровню содержания СО2 в выхлопных газах отвечает Европейскому стандарту.
А ведь именно автотранспорт является основным источником углекислого газа на улицах городов. Поэтому применение нового ГОСТ к расчету необходимого воздухообмена для помещений, находящихся в крупных российских городах, представляется мало возможным.
Как сберечь «вентиляционное» тепло
Одним из ресурсов сбережения «вентиляционного» тепла является более рациональный подход к нормам воздухообмена. Когда проектируется система вентиляции, предполагается, что содержание СО2 в воздухе, который подается с улицы, соответствует нормальному атмосферному уровню, который теперь уже составляет 370 ppm (0,037 %). Но в действительности такой уровень можно встретить только в экологически чистых местах. Как отмечалось в статье Ю.Д. Губернского и Е.О. Шилькрота, колебания показателей уровня углекислого газа на улицах могут достигать 1000 ррm [13].
Ясно, что увеличение кратности воздухообмена при таких условиях ничего не дает. Более того, как показывает расчет, для чистоты воздуха в помещении при некоторых условиях кратность воздухообмена не является существенным фактором. Рассмотрим пример. Человек в спокойном состоянии выдыхает около 2 м3/ч. Если представить, что 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 следует учитывать, что рост энергопотребления вентиляционными системами в свою очередь приводит к увеличению выброса углекислого газа в атмосферу.
Вспомнив то, что писал Робертсон о достижении критического уровня СО2 в атмосферном воздухе [2], 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: «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 соответствующего 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 то время, когда там находятся люди, и регенерации фильтра абсорбера в периоды, когда помещение не используется. Это единственное в мире бытовое устройства очистки воздуха подобного рода.
Кроме того, Uniqfresh с помощью угольного фильтра и фильтра HEPA 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 400, имеющие производительность 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 × 10 = 400 Вт. За весь процесс регенерации оно потребляет около 3 кВт электроэнергии. Итого за весь цикл работы в сутки — 3,4 кВт. Если вентиляционная система работает так, что обеспечивается подача воздуха в помещение на уровне 180 м3/ч в течение 10 ч при температуре на улице 0 °C, то расходы электроэнергии только на подогрев воздуха составят минимум 1,25 × 10 = 12,5 кВт.
Установив в такой комнате устройство Uniqfresh, можно уменьшить воздухообмен в помещении и сократить затраты на обогрев/охлаждение воздуха, поступающего с улицы. Абсорбер углекислого газа может существенно улучшить качество воздуха в помещениях, где нет вентиляции. Он также может явиться разумным дополнением к существующим или устанавливаемым вновь вентиляционным системам.
Выводы
- Углекислый газ даже в низких концентрациях токсичен. Условия для человека будут наилучшими, если в помещении уровень углекислого газа максимально приближен к атмосферному.
- Концентрация СО2 в помещении требует повсеместного контроля. Особенно это важно для промышленных городов и 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 есть смысл замерять уровень углекислого газа только в то время, когда помещение используется максимально и не ранее, чем в середине рабочего дня. Замеры уровня СО2 при сдачи вентиляции в эксплуатацию в новых зданиях не имеют никакого смысла.
- Неэкономное расходование электроэнергии вентиляционными системами ведет к дополнительным выбросам СО2 в атмосферу. По причине постоянного роста содержания СО2 в атмосфере городов поддержание безопасного и комфортного для человека уровня углекислого газа в помещении при помощи вентиляционных систем с каждым годом становится все менее возможным и более энергозатратным без принудительного удаления его из помещения. Необходимо найти компромиссное решение этой проблемы путем сочетания разумного количества воздуха, подаваемого вентиляцией, и принудительной его очисткой в помещении.
