The human factor and comfortable air conditioning in the 21st century.

Abstract

Air conditioning in buildings is of great importance for economic development in countries with hot climates. It is no less important in the summer. There are numerous examples of the positive impact of air conditioning, particularly in East Asia and South America. Over the past 30 years, these countries have experienced rapid economic growth that would hardly have been possible without the widespread use of air conditioning.

Full Text

Сегодня  используется во многих странах мира, нередко в комбинации с в HVAC- системах. В таких системах, однако, не все позитивно. Назначение большинства систем состоит в обеспечении термического комфорта и допустимого качества воздуха для людей. Но многочисленные исследования (Fisk et al., 1993; Mendell, 1993; Bluyssen et al., 1996) документально зафиксировали значительное количество людей, недовольных качеством воздуха во многих зданиях. Одна из основных причин этого - достаточно низкие требования существующих стандартов (ASHRAE, 1989; CEN, 1998) к вентиляции. Согласно этим нормативным документам, качество воздуха внутри помещения можно считать допустимым, если людей, недовольных этим качеством, меньше определенного количества (например, 15,2, или 30%).

Особенно это относится к термическому контролю окружающей среды.

При практическом использовании HVAC-систем находится достаточное количество людей, недовольных их работой, хотя некоторые характеризуют создаваемую ими атмосферу внутри помещения как нормальную.

В одно время были зарегистрированы многочисленные случаи негативного влияния плохого качества внутреннего воздуха (IAQ) на здоровье человека: многие люди страдали от симптомов синдрома усталости (Fisk et al., 1993; Mendell, 1993; Bluyssen et al., 1996), и драматически увеличилось количество проявлений симптомов астмы и аллергии.

Действительно следует признать, что качество воздуха во многих кондиционируемых и вентилируемых помещениях достаточно посредственное, даже при соответствии существующим стандартам.

Тем не менее в новом веке необходимы концепции поиска путей улучшения параметров внутреннего воздуха. Целью должно стать обеспечение в помещении такой комфортной температурно влажностной атмосферы, которая создавала бы приятные ощущения свежести и не оказывала негативного влияния на здоровье. При этом должно быть уделено внимание вопросам эффективности использования энергии и надежности.

Есть ли необходимая информация для осуществления поставленной цели на практике? Да, в области термического комфорта имеется обширная база данных, хотя сведения относительно качества внутреннего воздуха пока еще недостаточно полны. Эти данные должны отражать комплексность взаимодействия между качеством внутреннего воздуха, комфортом и здоровьем человека. Правда, имеющаяся некоторая информация о качестве внутреннего воздуха, дополненная результатами новых исследований, может оказать значительное влияние на разработку будущего кондиционируемого или вентилируемого пространства для людей.

В этой статье приводятся некоторые принципы и результаты новых исследований, существенные для обеспечения будущего высокого качества внутренней атмосферы.

Окупаемость качественного воздуха в помещении

Результаты последних исследований свидетельствуют в первую очередь о том, что качественный воздух в помещении позитивно влияет на продуктивность работников офиса (Wargocki et al., 1999). В хорошо контролируемом офисе путем незаметного для находящихся в нем людей включения и выключения источников сильного загрязнения были созданы разные условия по качеству воздуха. Эти условия (2 варианта) соответствовали примерам низкозагрязненных и высокозагрязненных зданий, которые отражены в новых руководящих принципах Европы по созданию внутренней атмосферы (CEN, 1998).

Люди работали в экспериментальном офисе по 4,5 ч в каждом из вариантов.

Скорость вентиляции и все другие атмосферные факторы при этом не изменялись. Было установлено, что продуктивность работы испытуемых была на 6,5% выше (Р< 0,003) в условиях низко- загрязненного воздуха (рис.1), они делали меньше ошибок и слабее испытывали симптомы синдрома усталости (Wargocki et al., 1999). Этот эксперимент, проведенный в Дании, позже был повторен в Швеции с такими же результатами. Исследования показали, что улучшение качества воздуха положительно влияет на повышение производительности труда. Ее стоимость можно сравнить со стоимостью кондиционирования воздуха, которая для офисных зданий в развитых странах значительно ниже 1% стоимости лабораторных исследований. Поэтому для улучшения качества внутреннего воздуха существует веский экономический побудительный мотив.

Fisk и Rosenfeld (1997) на основании литературного обзора оценили экономические потери от плохого качества внутреннего воздуха, особенно с точки зрения заболеваемости, невыходов на работу и потерь продукции в США, а Seppanen (1999) провел аналогичную оценку для Северной Европы. Выводы в обоих случаях сошлись в том, что оцененные потери высоки по сравнению с текущей стоимостью HVAC-систем.

Хотя информация о негативном влиянии плохого качества внутренней атмосферы на производительность труда достаточно нова, в ней имеется много данных и о негативном влиянии теплового дискомфорта на производительность труда. Wyon (1996) сделал пре красный литературный обзор на данную тему.

Контроль источников загрязнения и вентиляции

Удаление из помещений источников загрязнения воздуха - наиболее эффективный путь для повышения его качества. Контролирование источников загрязнения внешней окружающей среды способствует улучшению качества воздуха во многих городах развитых стран, о чем свидетельствуют сравни тельные данные.

В новых европейских принципах развития в отношении внутренней атмосферы (CR 1752; CEN, 1998) значительную поддержку нашла разработка зданий с низким загрязнением и даны рекомендации по строительным материалам с низкой степенью загрязняющего эффекта. Систематический отбор загрязняющих материалов для устранения случаев возникновения симптомов синдрома усталости стал практикой во многих странах, в частности в Скандинавских. Источники загрязнения в системе HVAC являются серьезным недостатком, поскольку портят воздух даже перед началом процесса кондиционирования (Fangeretal., 1988). Контроль источников загрязнения - путь к обеспечению качества внутреннего воздуха при одновременном уменьшении рас хода электроэнергии.

Улучшению качества внутреннего воз духа и снижению проявлений симптомов синдрома усталости способствует в значительной степени увеличение скорости вентиляции, о чем свидетельствуют приведенные на рис. 1 результаты, полученные при исследовании 160 офисных зданий в Швеции (Sundell, 1994). Стоимость энергии при усилении вентиляции может быть минимизирована посредством эффективного тепло обмена.

Подача подсушенного и прохладного воздуха

Согласно стандартам на вентиляцию решение о влажности внутреннего воз духа в помещении принимается только после соответствующего обследования. Itiias допускает, что относительная влажность практически не влияет на человека, пока она остается на уровне 30- 70% (ASHRAE, 1989; CEN, 1998). Это мнение обусловлено тем, что влажность в комфортном для людей диапазоне снижает термические ощущения тела человека (ASHRAE, 1992; ISO, 1993).

Действующие стандарты на вентиляцию основаны на следующих принципах.

В окружающей атмосфере существуют определенные источники загрязнения, для снижения содержания которых до допустимого уровня требуется применение вентиляции. Известно также, что воздух воспринимается исключительно обонятельными и химическими рецепторами и что восприятие определяется только химическим составом воздуха.

Таким образом, требования к вентиляции не зависят от температуры и влажности. Однако Berglund и Cain (1989) по казали, что температура и влажность оказывают влияние на восприятие чистоты воздуха в помещении.

Новые всесторонние исследования, проведенные специалистами Датского технического университета, подтверди ли, что на восприятие качества вдыхаемого воздуха сильно влияют влажность и температура. Люди предпочитают до статочно сухой и прохладный воздух.

Рис. 1. Влияние скорости вентиляции на возникновение симптомов синдрома усталости (SBS.) SBS — вспомогательный коэффициент для определения количества случаев проявлений симптомов синдрома усталости

Эффект сильного влияния влажности и температуры на воспринимаемое качество воздуха был доказан с помощью экспериментов, в которых 36 испытуемых оценивали пригодность воздуха в помещении с различными строительными материалами (Fangetal., 1997).

Рис.2. Влияние энтальпии воздуха в помещении на восприятие качества воздуха человеком

Этот эффект влияния влажности и температуры в комбинации называется теплосодержанием (энтальпией), кото рое и является сущностью воспринимаемого качества воздуха, как это показано на рис. 2. Энтальпия в комнате была изменена, в то время как химический состав воздуха оставался постоянным.

Термические ощущения тел всех испытуемых были сохранены нейтральными (ни жарко, ни холодно) путем смены их одежды. С течением времени отношение к атмосфере у испытуемых не изменилось, т.е. адаптации не произошло.

Два других независимых испытания, проведенных специалистами Датского технического университета, в которых около 70 человек было подвергнуто влиянию энтальпий на лицо, также показа ли хорошую корреляцию с перевесом в сторону энтальпии (Fangetal., 1998; Toftumetal., 1998).

Людям явно нравится чувствовать прохладу при вдыхании. Это обусловлено ощущением свежести. Если должного охлаждения не происходит, то воздух кажется несвежим, спертым и непригодным для дыхания. Высокая энтальпия означает низкую охлаждающую способность вдыхаемого воздуха и, следовательно, недостаточность охлаждающего испарения на влажной слизистой оболочке дыхательных путей и частично носа.

Потери тепла посредством дыхания составляют только около 10% общих тепловых потерь тела, поэтому влажность и температура вдыхаемого воздуха имеют очень небольшое влияние на термические ощущения тела человека в целом. Это объясняет, почему влажность должна быть предварительно обследована. Новые исследования показали, что локальное влияние влажности и температуры на дыхательные пути и, следовательно, на восприятие качества воздуха на порядок выше, чем влияние этих факторов на все тело человека в целом. Отсутствие учета этих свидетельств влияния может привести к весьма драматическим последствиям.

Очевидно, что энтальпия сильно влияет на требования к вентиляции, а, следовательно, и на энергопотребление.

Fangetal. (1999) продемонстрировали в своем последнем исследовании, что люди лучше воспринимают качество внутреннего воздуха при температуре 20 °C, относительной влажности 40% и низкой скорости вентиляции (3,5 л/с на человека), чем при температуре 23 °C, относительной влажности 50% и скорости вентиляции 10 л/с на человека.

Полезно поддерживать умеренно низкие значения влажности и температуры, лежащие на нижнем конце диапазона требований для термически нейтральных ощущений всего тела. Это повышает восприятие качества воздуха и понижает требования к вентиляции.

Удивительно, но даже в жарком и влажном климате это поможет экономить электроэнергию, необходимую для поддержания умеренных температуры и влажности. Конечно, соблюдение подобного режима требует больше затрат энергии на 1 м3 для охлаждения и подсушивания внутреннего воздуха в дальнейшем, но это часто может быть компенсировано с помощью уменьшения объема внутреннего воздуха, требующего вентиляции.

Исследования (Anderssonetal., 1975; Krogstadetal., 1991) показали, что умеренность температуры и влажности так же понижает количество проявлений симптомов синдрома усталости. На основании вышеизложенного можно сделать вывод: воздух должен подаваться в помещение прохладным и подсушенным.

Подача воздуха в зону потребления

Во многих помещениях воздух подается в количестве 10 л/с на человека. Из этого количества только 0,1 л/с на человека, или 1%, вдыхается. Остаток, т.е. 99% всего поданного воздуха, не используется. Какая огромная трата! К тому же этот 1% вдыхаемого людьми воздуха не является достаточно чистым.

Он загрязняется перед вдыханием из-за биологические выделения человека, строительных материалов, а также и от табачного дыма.

Что же получается? Мы не пьем воду из плавательного бассейна, загрязненного продуктами биологических выделений людей. Однако допускаем вдыхание воздуха, который уже побывал в легких других людей и загрязнен их биологическими выделениями и другими веществами. Почему бы не подавать не большие порции очень чистого воздуха непосредственно каждому человеку, вместо того чтобы он дышал посредственным общим воздухом? В офисе этот персонализированный воздух (РА) может быть обеспечен устройством, находящимся за персональным компьютером на рабочем столе. Человек вдыхает чистый, прохладный и подсушенный воздух из центра струи воздуха, не смешанного с загрязненным воздухом комнаты. Очевидно, что воздух должен подаваться "мягко”, т.е. с низкой скоростью и турбулентностью, чтобы не создавать сквозняков.

С учетом сказанного можно предвидеть, что будущее за системами, которые обеспечат подачу достаточно небольшого количества чистого воздуха непосредственно в зону дыхания каждого человека.

Надо, однако, учесть, что персонализированный воздух ничего не делает для индивидуального термического контроля всего тела, который должен обеспечиваться другими мерами.

Индивидуальный термический контроль

В строениях, где много людей обитает в одном и том же пространстве, труд но обеспечить термический комфорт одновременно для каждого человека.

Существует хорошо известная разница в предпочитаемой температуре между людьми. Поэтому индивидуальный термический контроль должен помочь в разрешении этой проблемы.

Если в офисе существует традиционное смешивание вентилируемого воз духа, то полезнее поддерживать умеренно низкую температуру, соответствующую самому низкому значению, предпочитаемому находящимися в нем людьми. Это может быть, например, 20 или 21 °C для обеспечения прохладности вдыхаемого воздуха. В других случаях требуется умеренный локальный подогрев, который можно регулировать для получения предпочитаемой температуры. Очевидно, что эти слабые тепло потоки будут обеспечиваться с помощью излучения или проводимости, так что воздух будет оставаться прохладным и приятным для дыхания. Если принципы персонализированного воз духа и индивидуального термического контроля используются одновременно, то система индивидуального термического контроля не должна смешиваться с высокочувствительным потоком чистого воздуха, поступающего в зону дыхания.

Новаторская комбинация этих двух принципов бросает вызов разработчикам HVAC-систем будущего.

Достаточно низкое качество воздуха во многих зданиях даже при соответствии стандартам вызывает большое количество жалоб. В связи с этим выдвинута концепция поиска путей улучшения параметров кондиционируемого воздуха.

Успешными шагами в области реализации новой философии могут быть следующие принципы:

• Повышение окупаемости качества воздуха в результате увеличения производительности труда и снижения количества проявлений симптомов синдрома усталости.

• Воздух должен подаваться в помещение прохладным и подсушенным.

• Небольшое количество чистого воз духа должно подаваться как "персонализированный воздух” в зону дыхания каждого человека.

• Лишние источники загрязнения должны быть удалены.

• Индивидуальный термический контроль должен быть установлен в зависимости от термических предпочтений каждого человека.

Изложенные выше принципы пре красно сочетаются с требованиями к эффективности расхода энергии и надежности.