Человеческий фактор и комфортное кондиционирование воздуха в XXI в.

Аннотация

Кондиционирование воздуха в зданиях имеет большое значение для экономического развития в странах с жарким климатом. Не менее важно оно и в летнее время. Имеются многочисленные примеры позитивного влияния кондиционирования воздуха, в частности, в Восточной Азии и Южной Америке. В течение последних 30 лет эти страны пережили быстрый экономический рост, который вряд ли был бы возможен без широкого использования кондиционирования воздуха.

Полный текст

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.