Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. За останні десятиріччя якість зовнішнього повітря в індустріально-розвинутих країнах погіршилась, разом з цим погіршилась і якість повітря в приміщеннях. Людина більшу частину свого життя проводить в приміщеннях [23], особливо в житлових. Внутрішнє повітря приміщення забруднене майже в 4 - 6 разів більше, ніж зовнішнє [10].

В умовах енергетичної кризи значна увага приділяється використанню нових інженерно-технічних рішень і технологій будівництва, направлених на збереження енергії. Мікроклімат і енергозбереження - це дві взаємопов'язані проблеми [19]. Одним із заходів енергозбереження є зниження повітрообміну в приміщенні [40]. Зменшення об'єму зовнішнього повітря, що надходить до приміщень, може призвести до негативної зміни середовища перебування людей в житлових і громадських будинках [19, 41]. Природна вентиляція, яка функціонує за рахунок інфільтраційного повітря, не може забезпечити виконання вимог до необхідного повітрообміну, що в результаті призводить до хімічного і біологічного забруднення повітря житлових приміщень. Недостатня увага до вентиляції може призвести до погіршення стану здоров'я людей, що проживають в таких приміщеннях [142]. Підвищення енергоефективності будинків за рахунок зниження повітрообміну не є гігієнічно обґрунтованим рішенням, так як призводить до погіршення якості повітря в приміщенні.

Для комфортного перебування людини в приміщенні необхідно виконувати вимоги як до якості повітря, так і до забезпечення необхідних параметрів мікроклімату [90, 114]. Значне зростання кількості систем кондиціонування (спліт-систем) в житлових будинках є свідченням того, що більшість людей не задоволені параметрами мікроклімату. Дуже часто використання спліт-систем призводить до збільшення скарг людей щодо недостатньої якості повітря в приміщеннях [70]. Якщо гігієнічні вимоги до систем кондиціонування виробничих приміщень знайшли своє втілення в багатьох нормативно-технічних документах, то широке застосування в побуті кондиціонерів не має відповідного санітарно-епідеміологічного забезпечення. Це несе загрозу негативного впливу на здоров'я мешканців житлових будинків [90, 104, 117, 130].

При будівництві «інтелектуальних» будинків використовують автоматизовану систему по забезпеченню мікроклімату приміщення, яка приводить в дію вентиляційну систему в разі потреби [39, 76]. Встановлення автоматичного контролю системи вентиляції дозволяє регулювати витрати повітря. Кратність повітрообміну контролюється за рахунок датчиків в приміщенні (датчики тепла, вологи, концентрації СО2, змішані газові датчики). Визначення місця розміщення припливних та витяжних отворів системи вентиляції як в прифасадному просторі, так і в приміщенні є досить важливим моментом для ефективної роботи вентиляційної системи.

Актуальним залишається питання визначення місця розміщення отвору витяжної вентиляції від підземних гаражів багатоповерхових житлових будинків. В сучасних гаражах передбачається регулювання автоматичної роботи припливно-витяжної вентиляції за рахунок датчиків налаштованих на концентрацію СО. Розміщення витяжних вентиляційних отворів необхідно здійснювати на висоті 2 м над рівнем даху найбільш високої прилеглої будівлі [26]. Але ця вимога не лише з гігієнічної, але і з технічної точки зору не завжди є достатньо науково обґрунтованою.

Враховуючи вище викладене, можна стверджувати, що в багатоповерхових будинках важливою гігієнічною проблемою є оптимальне науково обґрунтоване розміщення приймальних систем для навколишнього і викиду внутрішнього повітря з житлового приміщення та необхідність заміни існуючої вентиляційної системи, для забезпечення комфортного перебування людини в приміщенні. Наукове обґрунтування нових критеріїв гігієнічної оцінки повітря, що викидається в прибудинковий простір, де перебування людини носить невизначений характер, без застосування ризикової методології [66, 98, 111] практично не можливе.

Таким чином, актуальність проблеми полягає у необхідності наукового обґрунтування пропозицій щодо удосконалення нормативно-правової бази з питань ефективного функціонування різних систем вентиляції та кондиціонування житлових будинків для забезпечення відповідної якості повітря та комфортного перебування людини в приміщеннях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних робіт ДУ «Інститут гігієни та медичної екології імені О. М. Марзєєва НАМН України» «Удосконалення санітарно-епідеміологічних критеріїв оцінки використання підземного простору для об'єктів громадського призначення» (шифр теми АМН 07.10.; державний реєстраційний номер 0110U001455); «Удосконалення критеріїв гігієнічної оцінки пріоритетних факторів внутрішнього середовища житлових та громадських приміщень» (шифр теми: АМН 22.12.; державний реєстраційний номер 0112U001043).

Мета роботи: Наукове обґрунтування гігієнічних критеріїв оцінки якості повітря приміщень і прифасадного простору як показника ефективності функціонування систем вентиляції житлових будинків.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- дослідити пріоритетні вентиляційні системи житлових будинків як джерело зміни якості повітря приміщень і прибудинкової території;

- експериментальними і розрахунковими методами вивчити умови розсіювання забруднення повітря в прифасадному просторі будинку;

- в модельних умовах визначити особливості розподілу забруднення повітря приміщення в залежності від роботи системи вентиляції;

- дослідити в модельованих умовах ефективність деяких побутових рециркуляційних фотокаталітичних методів очищення повітря приміщення;

- вивчити особливості повітряних потоків як фактора ризику негативного впливу на комфортність перебування людини в приміщенні при функціонуванні спліт-систем;

- визначити ризики на пріоритетні забруднювачі повітря продуктами згорання палива при умові короткочасного перебування людини в зоні впливу факелу вентиляційного викиду;

- обґрунтувати гігієнічні рекомендації по удосконаленню санітарного нагляду за проектуванням та експлуатацією вентиляційних систем житлових будинків.

Об'єкт дослідження: формування забруднення повітря в приміщенні та прифасадному просторі в залежності від джерела забруднення та типу системи вентиляції; вплив повітряних потоків при функціонуванні спліт-систем на деякі функції терморегуляції людини; ефективність роботи побутових рециркуляційних фотокаталітичних очисників повітря.

Предмет досліджень: вентиляційна система, спліт-система, фотокаталітичний очисник повітря, фактори ризику впливу на здоров'я людини фізичної і хімічної природи.

Методи досліджень: фізичні методи - вимірювання параметрів мікроклімату приміщення (температури, відносної вологості, швидкості руху повітря, температури огороджувальних конструкцій); хімічні методи (визначення концентрацій забруднюючих речовин у повітрі), натурний експеримент (інструментальні вимірювання: розподілення повітряних потоків в приміщенні; розсіювання концентрацій шкідливих речовин у повітрі прифасадного простору будинку; ефективність роботи фотокаталітичних очисників повітря); аналітичний - аналіз та порівняння національних та міжнародних законодавчих, нормативно-методичних документів; математичні - розрахунок розсіювання шкідливих речовин в прифасадному просторі; розрахунок зміни швидкості руху повітря з висотою; розрахунок інтенсивності турбулентності; оцінка локального температурного дискомфорту; статистична обробка результатів; оцінка ризику для здоров'я населення від хімічного забруднення повітря.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у встановленні пріоритетних факторів ризику для здоров'я та умов проживання населення, обумовлених забрудненням повітря приміщень та прифасадного простору багатоповерхових житлових будинків та зміною параметрів мікроклімату під час функціонування систем вентиляції та кондиціонування.

Вперше встановлено, що функціонування спліт-систем створює в обслуговуємому просторі приміщення нерівномірність параметрів мікроклімату (швидкість руху повітря, ступінь турбулентності, вертикальна стратифікація температури, температура огороджувальних конструкцій), які являються потенційним джерелом теплового дискомфорту людини.

Доведено, що в якості критерію гігієнічної оцінки побутових приладів, що використовують технології фотокаталітичного очищення повітря на поверхні TiO2 під дією ультрафіолетового випромінювання, з джерелом коронного розряду, необхідно використовувати середньодобові ГДК озону та діоксиду азоту для атмосферного повітря.

Вперше були визначені величини неканцерогенного та канцерогенного ризиків для здоров'я населення від експозиції в очікуваних концентраціях шкідливих речовин у відпрацьованому повітрі системи вентиляції, що можуть утворюватись в місцях потенційного епізодичного не тривалого перебування населення.

Встановлено, що вентиляційні системи з відведенням відпрацьованого повітря за рахунок турбовикиду дозволяють зменшити негативний вплив на якість повітря, що використовується для вентиляції будинку.

Теоретичне значення отриманих результатів. Встановлені умови формування гігієнічно значимих пріоритетних факторів ризику для здоров'я населення, обумовлених забрудненням повітря приміщень та прифасадного простору багатоповерхових житлових будинків та зміною параметрів мікроклімату під час функціонування систем вентиляції і спліт-систем; науково обґрунтовані гігієнічні критерії оцінки умов розміщення забору та викиду відпрацьованого забрудненого повітря вентиляційними системами з використанням методики оцінки ризику для здоров'я.

Практичне значення отриманих результатів. Одержані результати використані для розробки пропозицій щодо внесення змін до діючої нормативної документації: санітарних норм та правил, державних будівельних норм.

За участю автора підготовлено та впроваджено наступні нормативні нормативно-технічні документи (в частині санітарно-гігієнічних вимог): ДСанПіН 2.3.177-2012 «Гігієнічні вимоги до розміщення, облаштування, обладнання та експлуатації перинатальних центрів» (Наказ МОЗ України 14.11.2011 р. № 784), ДСанПіН 8.2.1-181-2012 «Полімерні та полімервмісні матеріали, вироби і конструкції, що застосовуються у будівництві та виробництві меблів. Гігієнічні вимоги» (Наказ МОЗ України № 1139 від 29.12.2012р.), ДСТУ Б EN 13779:2011 «Вентиляція громадських будівель. Вимоги до виконання систем вентиляції та кондиціонування повітря (EN 13779:2007, IDT)», ДБН В.2.5-67:2013 «Опалення, вентиляція та кондиціонування», Зміна №2 до ДБН В.2.2-10-2001 «Будинки і споруди. Заклади охорони здоров'я», проект ДБН В.2.2-Х-20ХХ «Житлові будинки. Основні положення».

Вище згадані документи використовуються на загальнодержавному рівні при проектуванні, будівництві та експлуатації житлових і громадських будинків проектантами, будівельниками і лікарями гігієнічного фаху.

Особистий внесок здобувача. Матеріали дисертаційного дослідження отримані автором особисто у межах науково-дослідних робіт. Особистий внесок здобувача становить понад 90 % від загального обсягу роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації було оприлюднено на міжнародному, державному та регіональному рівнях, зокрема на: Міжнародному симпозіумі «Информационные технологии и общество» (Туреччина, 2010); науково-практичній конференції «Гігієна атмосферного повітря», присвяченій 110-й річниці з дня народження Д. М. Калюжного (Київ, 2010); першій міжнародній науково-практичній конференції «Енергоінтеграція-2011» (Київ, 2011); науково-практичних конференціях: «Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України» (Київ, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015); міжнародному форумі «Информационные технологии и общество» (Туреччина, 2012); на XV з'їзді гігієністів України «Гігієнічна наука та практика: сучасні реалії» (Львів, 2012); «75-тій науково-практичній конференції Київського національного університету будівництва та архітектури» (Київ, 2014); науковій конференції з міжнародною участю «Запровадження національного плану дій щодо неінфекційних захворювань на період до 2020 року відповідно до Європейської стратегії «Здоров'я - 2020: основи Європейської політики в підтримку дій держави і суспільства в інтересах здоров'я і благополуччя» (Київ, 2015).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 робіт в наукових журналах та збірниках, серед них 4 статті у наукових фахових виданнях України, 1 - у наукових фахових виданнях інших держав або наукометричних виданнях України, 3 - в інших виданнях, 11 - тез доповідей до науково-практичних конференцій.

1. Гігієнічні проблеми використання систем вентиляції та кондиціонування в житлових будинках (аналітичний огляд літератури)

В сучасному суспільстві людина майже 90 % часу знаходиться в приміщенні. Значну частину часу - в житлових будинках. У приміщеннях на організм людини токсичні речовини діють комплексно у поєднанні з іншими факторами: вологість, температура повітря та ін. Лише в 2012 році, 99 тис. смертей в Європі пов'язано з забрудненням повітря приміщень [100]. Не задовільна якість повітря приміщення значно впливає на розвиток бронхіальної астми, алергічних захворювань [14]. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я забруднення повітря приміщень є причиною 1,6 мільйонів смертей в рік та 2,7 % хронічних захворювань [151]. В існуючих стандартах та керівництвах по якості повітря вважається прийнятним, якщо лише 15 - 30 % найбільш чутливих людей незадоволені якістю повітря [92].

Якість повітря в приміщенні формується за рахунок взаємодії наступних факторів: внутрішні джерела забруднення та зовнішнє повітря. Внутрішніми джерелами забруднення можуть бути діяльність людей, продукти деструкції полімерних матеріалів, засоби побутової хімії, продукти спалювання газу та ін. В процесі життєдіяльності людина виділяє близько 400 хімічних речовин [20]. Ступінь забруднення повітря леткими органічними речовинами напряму залежить від насиченості приміщення полімерними матеріалами та параметрів мікроклімату (температура, вологість та ін.) [20]. Інтенсивність виділення хімічних речовин з полімерних матеріалів значно залежить від температури поверхні [52]. Концентрації хімічних речовин в повітрі приміщення прямопропорційно залежить від кратності повітрообміну в приміщенні [143].

Проведеними дослідженнями [22] показано, що якість повітря в невентильованих приміщеннях знижується пропорційно кількості присутніх в них людей. Безумовно, що рівень забруднення повітря приміщення в значній мірі залежить від ефективності роботи системи вентиляції. Відомо, що вентиляційна система використовується для підтримання чистоти повітря та теплового комфорту в приміщенні. Проектування та експлуатація системи вентиляції з недотриманням гігієнічних вимог (наприклад, шум при роботі вентиляційної системи, відчуття протягу та ін.) може негативно впливати на здоров'я людей.

1.1 Характеристика типів вентиляційних систем в житлових будинках

Важливим етапом забезпечення ефективної роботи вентиляційної системи є дотримання вимог до необхідного повітрообміну в приміщенні [24, 27]. З проведеного аналізу [6, 27, 81, 85, 112] видно, що вимоги до необхідних питомих витрат вентиляційного повітря в житлових будинках значно відрізняються.

В останні роки в світовій будівельній практиці дуже популярним стає будівництво енергозберігаючих будинків: енергоефективні, з низьким енергоспоживанням, з нульовим енергоспоживанням, пасивні, будинки високих технологій, «розумні» будинки та ін.[83]. Дуже часто виконання вимог по забезпеченню якості повітря та енергоефективності, вступають в протиріччя.

Структура теплових витрат у житлових багатоповерхових будинках Російської Федерації після введення вимог до підвищення теплозахисних характеристик огороджувальних поверхонь дещо змінилась [83]. Наприклад, ці заходи дозволили зменшити витрати теплової енергії через огороджувальні конструкції (стіни, вікна та ін.), але збільшили витрати на систему вентиляції. Часто зниження енерговитрат будинку компенсують за рахунок зниження рівня інфільтраційних тепловитрат. За умови використання вентиляційної системи на природному спонуканні відсутність інфільтрації призведе до погіршення якості повітря в приміщенні [58]. Як результат в приміщеннях з герметичними вікнами спостерігається накопичення водяного пару, збільшення концентрації СО2, радону та ін. [8].

Житлово-громадське будівництво в Україні за останні 10 років зазнало істотних змін. В умовах енергетичної кризи значна увага приділяється використанню нових інженерно-технічних рішень та технологій будівництва, направлених на збереження енергії. Витрати енергії на вентиляцію будинків є найбільшими та становлять приблизно 70 % від загальних витрат [55]. Не зважаючи на те, що об'єми житлового будівництва на 2010 р. в Україні знизились майже вдвічі порівняно з 1985 р. [93], вимоги до якості житла підвищились. Особливо це стосується вимог до енергоефективності. Підвищення енергоефективності будинків за рахунок зниження повітрообміну не є гігієнічно обґрунтованим рішенням, так як призводить до погіршення якості повітря в приміщенні. Як наслідок таких заходів енергозбереження (герметизація приміщень, утеплення фасадів, застосування склопластикових вікон та ін.) та різкого зниження повітрообміну є збільшення кількості алергічних захворювань та астми [92].

У країнах Західної Європи давно занепокоєні проблемою збереження енергії. В залежності від кліматичних умов на зміну природної вентиляції приходить механічна (припливна, витяжна, припливно-витяжна). Наприклад, у Фінляндії механічна вентиляція у багатоквартирних будинках становить приблизно 70 %, у Франції - 35 %, а в Німеччині приблизно 20 % [6]. Для забезпечення необхідного повітрообміну в приміщеннях з герметичними вікнами застосовуються вентиляційні клапани для припливного повітря, які монтуються в зовнішніх огороджувальних конструкціях [78].

Проведений аналіз літератури [87] показує, що до 1980 року у всіх Європейських країнах переважала природна вентиляція. Наприклад, у Фінляндії всі житлові будинки збудовані після 2004 року обладнані тільки механічною вентиляцією. В Бельгії будинки збудовані після 2008 року на 75 % обладнані механічної вентиляцією. Єдиним пояснення переважання природної вентиляції в житлових будинках країн Європейського Союзу є те, що переважна більшість житлового фонду давно побудована.

Заради зниження енергетичних витрат широкого застосування набуває система адаптивної вентиляції - регулювання вентиляції за потребою (інтенсивності використання приміщення) [76, 126]. Встановлення автоматичного контролю системи вентиляції дозволяє регулювати витрати повітря. Кратність повітрообміну контролюється за рахунок датчиків в приміщенні (датчики тепла, вологи, СО2, змішані газові датчики та ін.). Не вирішеною проблемою є вибір гігієнічних показників якості повітря для автоматизованих систем регулювання повітрообміну в приміщенні [125].

Основним засобом боротьби з забрудненням повітря приміщення є збільшення кратності повітрообміну, що, в свою чергу, призводить до зміни повітряних потоків. Швидкість повітряного потоку та його турбулентність в значній мірі визначають комфортність перебування людини в приміщенні, тому і використовуються, поряд з іншими, як критерії гігієнічної оцінки роботи систем вентиляції [73, 118, 130, 146].

Визначення необхідного повітрообміну в приміщеннях є досить складним завданням [91, 99]. Змінились не тільки вимоги до норм повітрообміну, а й методи визначення необхідних витрат вентиляційного повітря [27, 71, 82, 106]. Більш детальний аналіз нормативних документів з вентиляції представлений в розділі 3.

Важливим показником, що визначає ефективність роботи вентиляційної системи є місце встановлення подачі та витяжки повітря в приміщенні. Приплив повітря не повинен приводити до виникнення застійних зон та протягів у приміщенні [15]. Місце витяжки має бути розміщене так, щоб не допустити потрапляння припливного потоку повітря у витяжний отвір. В закордонних нормативних документах використовується поняття ефективність вентиляційної системи [148]. І як раз коефіцієнт ефективності залежить від розміщення припливних та витяжних отворів системи вентиляції. Існуючі в Україні системи організації вентиляції в багатоповерхових житлових будинках (ДБН В.2.2-15-2005 [24], ДБН В.2.3-15:2007 [26], ДБН В.2.2-10-2001 [25]) не забезпечують необхідної якості повітря в приміщенні, а також можуть негативно впливати на повітря прифасадного простору.

Особливу увагу необхідно приділяти місцю розміщення забору, та викиду повітря, в прибудинковому просторі [106, 122]. Викиди від систем витяжної вентиляції об'єктів різного призначення та від пристроїв автономного опалення і гарячого водопостачання є основними джерела забруднення повітря, що використовується для вентиляції приміщень. Наразі в Україні опалення в багатоповерхових житлових будинках на 80 % здійснюється від централізованих джерел. Останнім часом поряд з централізованим застосовується поквартирне (індивідуальне) опалення. Як показує аналіз проектів будівництва житлових будинків з поквартирними системами опалення та гарячого водопостачання, газовий котел частіше всього встановлюється на кухні. Таке рішення не суперечить вимогам ДБН В. 2.5-20-2001 [25]. В той же час ДСТУ Б В.Б 2.5-33:2007 [64] вимагає проектувати системи відведення шкідливих речовин в спеціально облаштовані димохідні системи. Мухаметкулов В.А. і Наумов А.Л. [54], стверджують, що газові котли призначені для опалення та гарячого водопостачання поряд із суттєвими перевагами, мають і ряд недоліків.

Асоціація інженерів АВОК Росії рекомендує [65] для автономного опалення багатоповерхових будинків газові котли лише з закритою камерою згорання і лише з виведенням продуктів згорання газу через колективні димоходи вище даху будинку.

При проектуванні системи поквартирного теплопостачання необхідно забезпечити умови, за яких рівні концентрацій шкідливих викидів у повітряному середовищі житлових приміщень не перевищуватимуть гранично допустимих концентрацій у припливному повітрі при повітрообміні згідно з ДБН В.2.2-67:2013 [27].

Для санітарно-гігієнічної оцінки таких проектних рішень необхідно мати дані про формування середньодобових концентрацій забруднюючих речовин у повітрі квартир і в місцях можливого тривалого перебування людей (балкони, лоджії і т.п.), в залежності від типу, потужності і кількості газових котлів, конфігурації будинку, місця знаходження джерел відведення продуктів згорання та ін.

Для вирішення питання розміщення припливних та витяжних отворів вентиляційної системи ще на етапі проектування використовують розрахунки розсіювання шкідливих речовин у повітрі прифасадного простору будинку, яке використовується для вентиляції приміщення. Існує багато різних підходів та методів розрахунку розподілення шкідливих речовин в прибудинковому просторі [11, 27, 49, 74, 101, 106, 135]. Більш детальний аналіз методів розрахунку розсіювання забруднюючих речовин представлений в розділі 3.

Оскільки якість зовнішнього повітря не завжди дозволяє використовувати його для вентиляції приміщення, то необхідно застосовувати різні інженерні рішення для його очищення [77]. В залежності від виду забруднення, запроваджуються різноманітні методи очищення повітря. Одним із методів очистки повітря є фотокаталітичний метод. Ефективне очищення повітря приміщення в житлових та громадських будівлях можуть дозволити зменшити норми повітрообміну, при забезпеченні відповідної якості повітря.

За твердженням розробників основними побічними продуктами фотокаталітичної очистки повітря є двоокис вуглецю та вода. Дослідження [138] показують, що в проміжних продуктах реакції окислення органічних сполук можуть міститись більш токсичні хімічні речовини. Тому не можна стверджувати, що застосування приладів фотокаталітичного очищення повітря в присутності людей є безпечним для їхнього здоров'я.

1.2 Двоокис вуглецю як критерій гігієнічної оцінки ефективності роботи вентиляційної системи

Результатом зниження витрат енергоспоживання будинків є зменшення повітрообміну в приміщеннях, що призводить до підвищення забруднення повітря. Одним із ключових показників ефективної роботи вентиляційної системи є вміст концентрації вуглекислого газу в повітрі приміщення [23, 56, 97]. Ще в 50-ті роки було запропоновано використовувати двоокис вуглецю для визначення об'єму інфільтраційного повітря в приміщенні [7].

Використання адаптивної системи вентиляції дозволяє знизити енерговитрати [76]. Функціонування такої вентиляційної системи здійснюється за допомогою регулювання необхідного рівня повітрообміну в залежності від наповненості приміщення. Для регулювання такої системи вентиляції використовують датчики налаштовані на відповідні рівні концентрації СО2, відносної вологості, температури повітря та ін. [56, 76]. Беззаперечно, регулювання по концентрації СО2 в приміщенні є хорошим індикатором роботи вентиляційної системи, так як різниця між вмістом вуглекислого газу в зовнішньому повітрі та в приміщенні, при перебуванні людей, може відрізнятися на декілька тисяч мг/м3 [132]. Хоча використання вмісту концентрації вуглекислого газу для характеристики якості повітря приміщення можливе лише тоді, коли основним джерелом забруднення є людина [134].

В статті Губернського Ю.Д. [21] представлена порівняльна характеристика рекомендованих значень ГДК СО2 в повітрі приміщення, які використовується при здійсненні розрахунків необхідного об'єму вентиляції приміщенні (табл. 1.1)

Таблиця 1.1. Нормативні показники якості повітря приміщень за вмістом СО2

Аналізуючи представлені дані в табл. 1.1, можна сказати, що рекомендована концентрація вмісту СО2 в повітрі приміщення країн ЄС та США в основному відповідає значенням 1830 мг/м3. В Україні ГДК діоксиду вуглецю регламентовано в повітрі житлових будинків [51] на рівні 1830 мг/м3.

Варто відмітити, що люди починають відчувати нестачу свіжого повітря в приміщенні при концентрації вуглекислого газу на рівні 1464 мг/м3 [23]. Хоча, за твердженням автора [139], частина людей починає відчувати класичні симптоми отруєння СО2, такі як затруднення дихання, збільшення частоти пульсу, головний біль, зниження слуху, збільшення потовиділення та відчуття втоми, уже при концентрації СО2 1098 мг/м3 в повітрі приміщення. При концентрації СО2 в повітрі 1830 мг/м3 ці відчуття спостерігаються майже у всіх присутніх. Всі ці симптоми зникають при концентраціях СО2 близьких до тих, що відповідають рівням у зовнішньому повітрі. При цьому треба враховувати, що розрахунковий рівень СО2 в атмосферному повітрі, котрий не впливає на організм людини, становить 780 мг/м3 [140].

Проведені дослідження [141] показують, що для внутрішнього повітря характерні концентрації СО2 коливаються в межах від 915 до 2745 мг/м3, за умови, що житловий будинок обладнаний механічною вентиляцією. Звичайно такі результати досліджень можуть бути лише тоді, коли рівень СО2 в зовнішньому повітрі є не високим.

Від рівня забруднення атмосферного повітря залежить необхідний рівень повітрообміну для забезпечення відповідної якості повітря. Наприклад, норма повітрообміну 25,5 м3/год на людину, в американському стандарті, була встановлена за умови, що концентрація СО2 в зовнішньому повітрі не перевищує 549 мг/м3 [136]. Тоді як, в центрі Москви при інтенсивному русі автотранспорту концентрація СО2 в зовнішньому повітрі сягає 1830 мг/м3 [77], що відповідає значенню ГДК для житлових приміщень. Тому при розрахунках норм повітрообміну необхідно враховувати, що атмосферне повітря, особливо в великих містах, вже значно забруднене.

В стандарті ГОСТ Р ЕН 13779-2007 [57] вміст СО2 вибрано як один із показників якості повітря приміщень. За рахунок різниці між концентраціями вуглекислого газу в зовнішньому та внутрішньому повітрі можна визначити відповідність «якості повітря приміщення» (табл. 1.2) згідно з класифікацією стандарту [57]. В проекті prEN 16798-1 [115] вказано, що розрахункове перевищення концентрації СО2 в повітрі приміщення над концентрацією в зовнішньому повітрі, в спальних кімнатах може становить 695 мг/м3, для забезпечення високої якості повітря, або 1006 мг/м3 - для середньої якості.

Таблиця 1.2. Класифікація повітря в приміщенні за вмістом концентрації СО2 згідно з ГОСТ Р ЕН 13779-2007

Враховуючи те, що концентрація СО2 в атмосферному повітрі поступово зростає, то в наших приміщеннях забезпечення середньої якості повітря згідно з таблицею 1.2, призведе до перевищення ГДК СО2 для житла.

Таким чином, в результаті проведеного аналізу літератури та нормативних документів встановлено, що при визначенні необхідних витрат вентиляційного повітря потрібно враховувати рівень забруднення атмосферного повітря, на прикладі вмісту концентрації СО2.

1.3 Гігієнічна оцінка параметрів мікроклімату при роботі спліт-систем у житлових приміщеннях

Зростання кількості побутових кондиціонерів у житлових будинках є свідченням того, що параметри мікроклімату в приміщеннях не задовольняють вимогам населення. В сучасному суспільстві все більше уваги приділяють не технічним питанням систем опалення та кондиціонування, а побажанням мешканців (споживачів). Підтвердженням цьому є проведена в квітні 2014 року конференція Windsor «Подсчет стоимости комфорта в меняющемся мире», де прийшли до висновку, що вченим, інженерам та архітекторам не вистачає знань про взаємодію людини та оточуючого середовища [84].

За твердженням [119] тепловий комфорт визначається як суб'єктивна реакція задоволення (чи не задоволення) тепловим середовищем у приміщенні.

Звернемо увагу, що включає в себе поняття кондиціонування повітря. Ще в 1952 р. Романенком П. Н. [72] було запропоноване визначення: «кондиціонування повітря включає в себе комплекс заходів, в результаті чого в приміщенні підтримується наперед заданий режим температури, вологості, складу, швидкості руху та чистоти повітря незалежно від внутрішніх джерел (наявність людей, виробничі процеси та ін.) та зовнішніх (температура, вологість, сонячна радіація) факторів». Це поняття практично співпадає з визначенням в п. 3.26 ДБН В.2.5-67:2013 [27], де говориться, що системи кондиціонування повітря повинні автоматично підтримувати параметри повітря (температура, відносна вологість, швидкість руху, чистота) в зачинених приміщеннях.

Згідно з визначенням ГОСТ 30494-2011 [31] оптимальні параметри мікроклімату повинні забезпечувати нормальний тепловий стан організму та відчуття теплового комфорту не менше ніж у 80 % людей, що знаходяться в приміщенні.

Для комфортного перебування в приміщенні необхідно виконувати вимоги, як до якості повітря, так і до забезпечення необхідних параметрів мікроклімату [90, 114]. Робота спліт-систем призводить до зміни термодинамічних та гігієнічних параметрів повітряного середовища приміщення (температури, вологості, швидкості руху і газового складу внутрішнього повітря) [13].

Основними факторами, що впливають на комфортне перебування людини в приміщенні є температура, відносна вологість, швидкість руху повітря, температура огороджувальних конструкцій та ін. [108, 119]. Температурне середовище в приміщенні залежить від температури повітря та температури внутрішніх поверхонь, яка визначає конвективний і радіаційний теплообмін людини та навколишнього середовища. Швидкість руху повітря в приміщенні, в свою чергу, залежить від локальної температури та інтенсивності турбулентності.

Сприйняття людиною параметрів мікроклімату відрізняється в залежності від типу одягу, рівня фізичної активності, ваги, віку, статі, стану здоровя та ін. [127].

Автори [86] стверджують, що найбільший зв'язок між параметрами мікроклімату та відчуттям теплового комфорту спостерігається, коли людина знаходиться в спокої або виконує легкі фізичні навантаження.

В роботі [45] показано, що відмінність у сприйнятті швидкості руху повітря коливається в 4 рази, а в перевазі значення температури повітря може відрізнятися на 10 °С. Проведені дослідження [144] показують, що немає суттєвої різниці щодо вимог до теплового комфорту між жінками та чоловіками.

Прийнятий в Україні національний стандарт ДСТУ Б EN ISO 7730:2011 [29] дозволяє визначити відсоток незадоволених людей температурною стратифікацією в приміщенні. В залежності від кількості незадоволених різницею температур повітря по вертикалі, визначається категорія теплового середовища приміщення.

Американський стандарт [145] встановлює вертикальну стратифікацію температури в 3 °С. відсоток незадоволених локальним тепловим дискомфортом, що викликаний вертикальною стратифікацією температури, представлений на рис. 1.1.

Рис. 1.1 - Локальний тепловий дискомфорт, викликаний вертикальною стратифікацією температури

Аналізуючи криву представлену на рис. 1.1 можна стверджувати, що при різниці температури по вертикалі між головою та ногами від 2 ч 6 °С відсоток незадоволених людей буде збільшуватися від 2 до 40 %.

Проведені дослідження авторів [128] показують, що комфортне перебування в приміщенні з певною стратифікацією температури в основному залежить від робочої температури. Якщо ж температура знаходиться на межі зони комфорту, тоді різниця температур може викликати або переохолодження ніг, або нагрів голови. Результати дослідження [130] показують, що температурна стратифікація в 6 °С призведе до дискомфорту близько 40 % присутніх.

Ще один важливий показник при роботі спліт-системи в приміщенні є швидкість руху повітря. Дуже часто збільшення швидкості руху повітря може викликати відчуття протягу [146]. Відсоток незадоволених через наявність протягів у приміщенні визначається за емпіричним рівнянням Фангера [104].

Результати експерименту Фангера показали [118], що при збільшенні температури повітря в приміщенні та при однаковій швидкості руху повітря кількість людей, що відчувають дискомфорт від протягу зменшується майже в 2 рази.

В табл. 1.3 представлені результати досліджень [108] суб'єктивної реакції людини на швидкість руху повітря в приміщенні.

Таблиця 1.3. Реакція людини в залежності від швидкості руху повітря

При проведенні досліджень температури та швидкості руху повітря, при наявності людини в місці спостереження, необхідно враховувати конвективні потоки від тіла людини. За твердженням авторів [116], температуру повітря приміщення треба визначати на відстані 0,15 м від людини. Так як на такій відстані на температуру не впливають конвективні потоки від тіла людини. За даними [55], максимальна швидкість конвективного потоку від дорослої людини, яка виконує легку фізичну роботу, становить 0,1 м/с.

Дуже часто при використані спліт-систем відбувається зменшення повітрообміну в приміщенні та збільшення скарг людей щодо недостатньої якості повітря [70]. Дослідження [137] показали, що в приміщеннях з системою кондиціонування повітря виникає більше скарг пов'язаних із симптомами «хворого будинку», ніж в будинках з природною вентиляцією.

Незважаючи на те, що спліт-системи дозволяють регулювати температуру, швидкість, напрямок руху повітряного потоку, але не завжди їх функціонування забезпечує комфортне перебування людини в приміщенні. Залежність температури від відносної вологості, середньої швидкості руху повітря, середньої температури випромінювання відіграє важливу роль у формуванні комфортного перебування людини в приміщеннях.

Гігієнічні вимоги до розміщення систем кондиціонування в житлових будинках не мають відповідного санітарно-епідеміологічного забезпечення, що призводить до того, що неконтрольоване розміщення спліт-систем може негативно впливати на здоров'я людини.

1.4 Система вентиляції підземних гаражів багатоповерхових житлових будинків

В останній час кількість автомобілів значно збільшилась. За даними Ходикіної І. Ю. [95] щорічний приріст автомобілів в Україні становить 8 %. Якщо в 1990 р. в Україні було зареєстровано менше 3 млн. автомобілів, то в 2010 році їх кількість збільшилась більш ніж в 2 рази [ 43]. За даними Державної служби статистики України [88] за останні 10 років кількість автомобілів в деяких регіонах збільшилась майже в 2 рази, особливо ця тенденція прослідковується в найбільш промислово та економічно розвинутих областях.

Станом на 2011 р. парк автомобілів України на 1000 жителів, за даними різних авторів, коливається від 143 автомобілів [88] до 185 [43]. Найбільший рівень автомобілізації в світі спостерігається в Монако - 908 автомобілів на 1000 населення, друге місце посідають США - 802 автомобіля, в Росії ця величина становить 293 авто [79]. Ці показники значно відрізняються на території України, найбільші значення рівня автомобілізації регіонів у м. Києві та Київській області, 343 та 255 відповідно [9].

Значне зростання кількості автомобілів зумовлює необхідність створення належної кількості місць для паркування. Особливо це стосується великих міст, де поширення набувають закриті місця для зберігання автомобілів - підземні гаражі, які обладнуються механічною вентиляцією. Загальнообмінна вентиляція підземних гаражів повинна забезпечити нормовану якість повітря в приміщенні у відповідності з вимогами ГОСТ 12.1.005-88 [80]. Однак це є також дискусійним питанням, оскільки там перебувають не тільки працюючі, а й населення (діти, вагітні і т.п.), хоч і короткочасно. Автори [2] пропонують застосовувати інші критерії оцінки хімічного забруднення повітря приміщень громадського призначення в залежності від контингенту (працівники або населення) та тривалості експозиції.

Регулювання повітрообміну в гаражах здійснюється по концентрації СО [26] або по встановленій нормі повітрообміну на одне машино-місце [53]. Більш детальний аналіз вимог стосовно необхідного повітрообміну для таких об'єктів представлений в розділі 6.

Аналіз методик розрахунку розсіювання шкідливих речовин як на території гаража, так і на території населених пунктів [12, 48, 69] свідчить, що питомі викиди продуктів згорання палива автомобілів суттєво відрізняються в залежності від того, як в методиках враховують тип двигуна (бензиновий, дизельний), його робочий об'єм та режим роботи, швидкість руху автомобіля, активізацію каталізатору, технічний стан, вік автомобіля та багато інших моментів. Детальний аналіз значень питомих викидів продуктів згорання палива автомобілів представлений в розділі 6.

Аргучінцева А.В. та ін. [3], зазначають, що у відпрацьованих газах автомобільного транспорту виявляють більше ніж 200 різних речовин.

За даними Редзюка А.М. [89], у 2006 році в Україні введені екологічні норми Євро-2 згідно з Законом України “Про деякі питання ввезення на митну територію України транспортних засобів” вiд 06.07.2005 № 2739-IV [67]. По цьому закону транспортні засоби, які ввозяться або виготовлені в Україні, повинні відповідати екологічним нормам не нижче рівня «ЄВРО-2», а з 1 січня 2013 р. - «ЄВРО-3». В той же час ДБН В.2.3-15:2007 [26] вимагає використовувати значення питомих викидів продуктів згорання палива згідно з ВНТП-СГіП-46-16.96 [12].

Проведений аналіз Редзюком А.М. та ін. [89] відповідності легкових автомобілів України екологічним характеристикам показав, що станом на кінець 2010 р. 66 - 72 % від загальної кількості автомобілів відповідають класу Євро-0; 18 - 20 % - класу Євро-2; 5 - 7% - класу Євро-3; автомобілі класу Євро-1, Євро-4, Євро-5 складають менше 4 %.

Марковим О.Д. та ін. [43] проведений аналіз вікової структури легкових автомобілів в Україні та зокрема в м. Києві. Згідно з наведеними автором даними основну частку автомобільного парку становлять автомобілі, вік яких більше 10 років (52 % від загальної кількості) та 21 % віком до 3-х років. В м. Києві ця ситуація є дещо іншою, кількість автомобілів віком більше 10 років та до 3-х років є майже однаковою та становить 42 % і 43 % відповідно.

Важливими факторами при визначенні забруднення повітря підземного гаража є тривалість руху автомобілів у приміщенні. За даними Bernerа A. [4] тривалість руху автомобілів на території таких об'єктів значно відрізняється, в середньому складає від 60 до 180 с, хоча досвід США показує, що ця величина може коливатись від 60 до 600 с.

Наступним фактором, який значно впливає на формування забруднення повітря приміщення, є інтенсивність руху автомобілів на території гаражу. За даними Bernera A. [4], для гаражів під житловими будинками та торговими центрами приймається інтенсивність руху автомобілів від 3 до 5 % від загальної кількості машино-місць, в кіноконцертних залах, спортивних об'єктах ця величина збільшується до 15-20 % . Хоча можна погодитись з твердженням Тарабанова М.Г., 2013 [68], що ця величина є дуже сумнівна, наприклад, коли при організації якось спортивного або концертного заходу автомобілі до об'єкту будуть приїжджати в гараж приблизно за декілька годин до початку заходу. В нормах [53] запропоновано використовувати інтенсивність руху автомобілів (загальна кількість заїздів-виїздів) при розміщенні гаражів під житловими будинками 35 % за годину від загальної кількості машино-місць, якщо ж гаражі короткотривалого зберігання автомобілів під офісами - 40 %, в місцях загального призначення - 25 %.

В сучасних багатофункціональних комплексах в гаражах передбачається встановлення датчиків для вимірювання концентрації СО та автоматичного включення припливно-витяжної вентиляції від цих сигналізаторів у відповідності з вимогами ДБН В.2.3-15:2007 [26]. Також ДБН В.2.3-15:2007 вимагає розміщувати витяжні вентиляційні шахти із підземних гаражів на даху будинку, але не менше ніж на 2 м вище від найбільш високого будинку прилеглої забудови. Гігієнічні рекомендації по забору та викиду відпрацьованого повітря системами (п. 8.39 ДБН В.2.3-15:2007 [26]) не мають часто ні інженерно-технічного, ні медико-біологічного наукового обґрунтування.

Наукове обґрунтування нових критеріїв гігієнічної оцінки повітря, що викидається в прибудинковий простір, де перебування людини носить невизначений характер, без застосування ризикової методології [66, 98] практично не можливе.

В результаті аналізу літератури та нормативних документів щодо впливу роботи системи вентиляції на зміну якості повітря приміщення і прифасадного простору житлових будинків та впливу фунціонування спліт-систем на комфортне перебування людини в приміщенні, визначені основні не вирішені питання:

- вивчення критеріїв оцінки роботи вентиляційної системи житлових будинків;

- експериментальне та розрахункове вивчення розподілу забруднюючих речовин у повітрі прифасадного простору будинку залежно від типу вентиляційної системи;

- вивчити особливості розподілу забруднення в повітрі приміщення для визначення місця розміщення датчиків регулювання автоматизованої системи вентиляції;

- науково обґрунтувати критерії оцінки приладів, які працюють по технології фотокаталітичного очищення повітря під дією ультрафіолетового випромінювання;

- вивчити вплив повітряних потоків на комфортне перебування людини в приміщенні при роботі систем кондиціонування повітря;

- науково обґрунтувати критерії гігієнічної оцінки роботи вентиляційної системи підземних гаражів багатоповерхових житлових будинків та визначити місце розміщення отвору витяжної вентиляції із застосуванням ризикової методології.

2. Методи та обсяг досліджень

Під час виконання даної роботи були використані наступні методи дослідження: фізичні методи - вимірювання параметрів мікроклімату приміщення (температури, відносної вологості, швидкості руху повітря, температури огороджувальних конструкцій); хімічні методи (визначення концентрацій забруднюючих речовин в повітрі); натурний експеримент (інструментальні вимірювання: розподілення повітряних потоків в приміщенні; розсіювання концентрацій шкідливих речовин у повітрі прифасадного простору будинку; ефективність роботи фотокаталітичних очисників повітря); аналітичний - аналіз та порівняння національних і міжнародних законодавчих, нормативно-методичних документів; математичні - розрахунок розсіювання шкідливих речовин у прифасадному просторі; розрахунок зміни швидкості руху повітря з висотою; розрахунок інтенсивності турбулентності; експериментальне моделювання (розсіювання шкідливих речовин у прифасадному просторі); оцінка локального температурного дискомфорту; статистична обробка результатів; оцінка ризику для здоров'я населення від хімічного забруднення повітря.

Для вирішення поставлених у роботі завдань провели комплекс теоретичних та інструментальних досліджень (табл. 2.1).

Таблиця 2.1. Етапи та обсяги досліджень

При виконанні експериментальних досліджень було використано відповідне обладнання: газовий аналізатор pSеnse, газовий аналізатор testo 350 XL, газовий аналізатор APOA-370, газовий аналізатор «Колион-1В-04». Для визначення параметрів мікроклімату використовували: анемометр KIMO VT 50, інфрачервоний термометр MicroRay PRO, регістратори температури KIMO KT 110, психрометр.

2.1 Визначення вмісту концентрацій хімічних речовин у повітрі прифасадного простору будинку

Для експериментального визначення забруднення прифасадного простору повітря ми використали модельну установку на прикладі газового котла з закритою камерою згорання DEMRAD, серія Aden, ВК/НК В 120, призначеного для опалення та гарячого водопостачання. Відведення продуктів згорання здійснюється через зовнішню стінку будинку.

Котел встановлений в приміщенні об'ємом 54 м3 на восьмому поверсі чотирнадцятиповерхового будинку громадського призначення в м. Києві. Технічні характеристики котла: максимальна потужність контуру гарячого водопостачання - 20 кВт, мінімальна - 9 кВт, діаметр витяжного отвору 0,06 м. За допомогою термоанемометра Mini Air Pro визначили швидкість відведення продуктів згорання на виході з витяжного отвору.

За допомогою газоаналізатора TESTO нами був проведений експеримент по визначенню вмісту концентрацій шкідливих речовин та температури газоповітряної суміші на виході з коаксіальної труби котла.

Дослідження вмісту концентрації СО2 в повітрі прифасадного простору будинку проводились в 7-ми точках на різній відстані від труби викиду та на вході до отвору припливної вентиляції, що знаходиться на відстані 0,3 м від труби відведення продуктів згорання. Площа вентиляційного отвору 0,04 м2. Середня швидкість руху повітря у отворі припливної вентиляції становить 0,35 м/с. Визначення концентрації СО2 проводилось після 1 години роботи котла. Котел працював у режимі гарячого водопостачання.

Наступним етапом роботи було, перевірити, чи впливає на зміну якості повітря прифасадного простору встановлення витяжного отвору на природному спонуканні. В якості джерела забруднення повітря приміщення була використана газова плита, при працюючому одному пальнику. Для визначення концентрації СО2 було вибрано 50 точок, рівномірно розподілених у вертикальній та горизонтальній площинах присадного простору з кроком 0,5 м, в безпосередній близькості біля стіни будинку. Вміст концентрації СО2 визначали газоаналізатором pSense з осередненням за 1 хвилину. Визначення концентрації СО2 проводили після 20-ти хвилинної роботи газової плити. Відведення продуктів згорання здійснювалось через витяжний отвір площею 0,15 м2. Середня швидкість руху повітря у витяжному отворі 0,2 м/с.