Методическое пособие 808

¾устройства генерации активных форм кислорода должны найти достойное применение при проектировании новых зданий, строительстве и реконструкции старых зданий общественного и производственного назначения;

¾широкое применение эффективных локальных систем обеспечения оптимальных параметров микроклимата обеспечит качественный состав внутреннего воздуха.

Библиографический список

1.«Качество воздуха в крупных городах России за 10 лет». — СПб.: Гидрометеоиздат, 1999, 120 с.;

2.Денисов В. Н., Половцев И. Н. «Благоустройство жилых территорий». — СПб.:

МАИЭБ, 2004, 95 с.;

3.СанПиН 2.2.4.1294-03 «Гигиенические требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений»;

4.Губернский Ю. Д. «Экологические аспекты кондиционирования воздуха». Журнал СОК, № 7, 2003, с. 64–65.;

5.Губернский Ю. Д., Дмитриев М. Т. «Комплексная характеристика качества воздуха жилых и общественных зданий». // Гигиена и санитария. № 1, 1983, с;

6.МУК.4.3.1675-03. «Общие требования к проведению контроля аэрационного состава воздуха».

References

1."Air quality in major cities of Russia for 10 years." - St. Petersburg.: Gidrometeoizdat, 1999, 120 p.;

2.Denisov V.N., Polovtsev I.N. "Improvement of residential areas." - St. Petersburg.: MAIEB, 2004, 95 p.;

3.SanPiN 2.2.4.1294-03 "Hygienic requirements to air ion formula for industrial and public premises";

4.Gubernskiy Y.D. "Environmental aspects of air conditioning." SOK Magazine, № 7, 2003, p. 64-65.;

5.Gubernskiy Y.D., Dmitriev M.T. "Comprehensive characterization of air quality of residential and public buildings." / / Hygiene and Sanitation. № 1, 1983, p;

6.MUK.4.3.1675-03. "General requirements for the control of the aeration composition of

air."

20

И.И. Полосин, Д.В. Лобанов

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ВНУТРЕННЕГО ВОЗДУХА И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ

Оценку количества вредных веществ воздуха антропогенного происхождения удобнее всего производить по концентрации углекислого газа, так как его токсическое действие перекрывает влияние других вредных веществ. Рассматривается его воздействие на работоспособность и здоровье людей умственного труда. В качестве примера показано изменение содержания двуокиси углерода (СО2) в аудитории одного из ВУЗов.

Ключевые слова: качество внутреннего воздуха, углекислый газ, умственный труд.

I.I. Polosin, D.V. Lobanov

CARBON DIOXIDE AS AN INDICATOR OF THE QUALITY OF INDOOR AIR

AND EFFICIENCY OF VENTILATION SYSTEM

Assessment of air pollutants of human origin is more convenient to produce from the concentration of carbon dioxide, as its toxic effect overrides the influence of other harmful substances. The impact on working capacity and health of mental labor is considered. As an example, the change in carbon dioxide (CO2) in the auditorium of one of the universities is shown.

Keywords: indoor air quality, carbon dioxide, mental labor.

Атмосферный воздух в своем составе содержит (% по объему): азота - 78,08; кислорода - 20,95; аргона, неона и других инертных газов - 0,93; углекислого газа - 0,03; прочих газов - 0,01. Воздух такого состава наиболее благоприятен для дыхания. Сегодня мало кого удивляют телерепортажи с борта космического корабля или из обитаемого подводного аппарата, где люди могут подолгу жить и работать. И мы даже не задумываемся о том, что воздух, которым дышат космонавты или подводники, - искусственный и его состав регулируют технические устройства. Если бы человечество не решило проблему дыхания в герметично замкнутом пространстве, оно не только не смогло бы так уверенно осваивать пространство космическое и морские бездны, но не справилось бы и со многими земными задачами.

В связи с тем, что современный человек проводит до 90% своего времени в замкнутой среде (дом, работа, транспорт и т.д.), являющейся загрязненной, вредным воздействиям подвергается значительное количество людей.

Итак, схематично покажем внешние и внутренние источники загрязнителей (рис.1.)

21

Всем известно, что при дыхании мы потребляем кислород и выдыхаем, в основном, углекислый газ. За сутки мужчина может потребить 920 г кислорода (620 л) и выделить 1000 г углекислого газа (510 л), женщина соответственно может потребить 640 г кислорода и выделить 700 г углекислого газа.

Таким образом, потребление кислорода одним человеком в состоянии покоя в час составляет 20-30 л, а выделение углекислого газа – 18-25 л. В среднем человек за сутки выдыхает 0,5 м3 углекислого газа. При выполнении физической работы потребление кислорода и выделение углекислого газа значительно возрастают.

Ориентировочно принимается, что в выдыхаемом воздухе углекислого газа содержится в 100 раз больше, чем в чистом атмосферном воздухе. Процентное содержание компонентов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе приведено в таблице 2.

Таблица 2

Процентное содержание вдыхаемых и выдыхаемых компонентов воздуха

При этом не учитывается влажность воздуха. Кроме того, в выдыхаемом воздухе содержатся и другие постоянные компоненты: окись углерода (до 25 мг/м3), ацетон (от следов до 100 мг/м3), органические кислоты, углеводороды, метиловый и этиловый спирты. Всего в выдыхаемом воздухе идентифицировано до 250 различных химических веществ.

Состав и интенсивность выделения из организма большинства газообразных продуктов метаболизма возрастают при увеличении температуры воздуха, ограничении двигательной активности, а также зависят от характера питания.

Оценку количества вредных веществ воздуха антропогенного происхождения (т.е. от человека) удобнее всего производить по концентрации углекислого газа, так как его токсическое действие перекрывает влияние других вредных веществ.

Внекоторых случаях для этих целей подходит такой суммарный показатель чистоты воздуха, как окисляемость, измеряемая массой кислорода (в мг), необходимой для окисления органических веществ, содержащихся в 1 м3 воздуха. Верхним пределом допустимой концентрации углекислого газа в помещениях является 0,1% (или 1,96 мг/м3 его массовой концентрации), а окисляемости воздуха – не более 65 мг/О2. Чаще всего содержание углекислого газа измеряют в ppm (миллионная доля) - сокращение от англ. parts per million - «частей на миллион». 1 ppm = 0,001 ‰ = 0,0001 %.

Взакрытом помещении объемом 6 м3 человек может при отсутствии вентиляции продержаться без риска для жизни не более 12 часов. Всякое физическое напряжение, прием пищи, повышение температуры обойдутся дополнительным потреблением кислорода и могут сократить время выживания до 3 - 4 часов. За этот срок концентрация углекислого газа возрастет с 0,3 до 2,5%. Основная причина, ограничивающая пребывание человека в духоте,

-не недостаток кислорода, а именно накопление углекислоты и токсинов. Уже при концентрации СО2 в 3% увеличивается частота дыхания, при 5% наступает смерть. В крови в это время развивается декомпенсированный газовый ацидоз - несовместимое с жизнью закисление крови. А вот при вдыхании даже 8% кислорода (вместо обычных 20%) в отсутствие углекислого газа в дыхательной смеси частота и глубина дыхания существенно не меняются! Стоит, однако, к этой смеси добавить 6% СО2, как сразу же наступает одышка и человек теряет сознание.

23

Влияние концентрации углекислого газа в помещении на здоровье человека представлено в таблицах 3, 4.

Таблица 3 Влияние концентрации углекислого газа в помещении на работоспособность человека

Для примера рассмотрим изменение содержания двуокиси углерода (СО2) в аудитории одного из ВУЗов. Измерения будем производить прибором оценки качества воздуха в помещении PCE-GA 70 (рис. 2).

24

Как видно из графика, содержание СО2 в начале занятия составило 2250 ppm, а к его окончанию – 4150 ppm. Рост концентрации СО2 увеличился в 1,85 раза. Из табл. 3,4 следует, что содержание СО2 в аудитории в течение всего учебного занятия негативно влияет не только на работоспособность студентов, но и на состояние здоровья в общем. Данный факт подтверждается и субъективными ощущениями студентов. Сразу отметим следующие важный момент: в помещении отсутствовала механическая система вентиляции (как и в большинстве зданий подобного назначения). После окончания занятия помещение проветрили (студенты вышли, дверь и форточку открыли), содержание СО2 в помещении стало убывать

(см. рис.3, время 10:20).

Аналогичные результаты мы получили при исследовании изменения содержания углекислого газа в течение рабочего дня в помещениях умственного труда, в том числе офисных (снабженных системами механической приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха). Снижение работоспособности негативно сказывается на качественной производительности труда, усвоении различной информации. Вытекает важность создания и обеспечения «здорового» микроклимата на рабочих местах.

Как же нормируется содержание углекислого газа в помещениях? Европейский стандарт 2004 года [2] предлагает разделять воздух в помещениях с пребыванием людей на категории качества от IDA 4 – низкое, IDA 2 и 3 – среднее, до IDA 1 – высокое. Предполагается несколько способов определения категории качества. Один из них оценивает превышение уровня СО2, как индикатора, в воздухе помещений над наружным воздухом (таблица 6).

Отметим, что по представлению ассоциации АСИНКОМ европейский стандарт [3] принят без изменений как отечественный ГОСТ Р ЕН 13779-2007 [4]. ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ объявило о том, что он вводится в действие с 1 октября 2008 года.

Исследование качества воздуха помещений показывает, что традиционные методы обеспечения нормируемых параметров микроклимата, используемые в индустриальной гигиене и теплоснабжении, вентиляции и кондиционировании воздуха, в настоящее время не всегда приводят к удовлетворительным результатам при попытке решения как никогда более актуальных проблем качества воздуха внутри помещений. Для решения проблем качества воздуха помещений чаще всего в дополнение к экспертам в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также промышленной гигиены требуется участие специалистов других областей знаний, а именно в области контроля качества воздуха помещений, аналитической химии, токсикологии, гигиены окружающей среды, микробиологии, а также эпидемиологии и психологии.

Выводы:

1. Углекислый газ является токсичным для человека. Его необходимо рассматривать как один из важнейших индикаторов эффективности работы системы вентиляции. При проектировании вентиляции следует учитывать все источники выделения СО2. Изменение кон-

26

центрации СО2 требует постоянного контроля в помещениях с пребыванием людей. Особенно это касается детских учреждений и других общественных зданий.

2.Натурные исследования динамики концентрации углекислого газа в помещении показывает, что содержание углекислого газа без устройства механической приточновытяжной системы вентиляции возрастает в 1,85 раза за период времени учебного занятия. Данный факт указывает на необходимость проектирования регулируемых систем вентиляции

икондиционирования воздуха, учитывающих характер изменения концентрации углекислого газа во времени

3.Рост углекислого газа в приземном слое атмосфере, особенно в крупных городах изза выбросов автотранспорта, предприятий энергетики и промышленности, вызывает необходимость установки определенных классов фильтров (как правило, не менее двух ступеней) для достижения необходимой чистоты воздуха в соответствии с требуемой категорией каче-

ства IDA [4].

Библиографический список

1. П. Оле Фангер. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате, и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей // АВОК. – 2006. – № 2.

2.ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»;

3.Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

4.ГОСТ Р ЕН 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к вентиляции и кондиционированию»

5.СНиП 41-01-2003. «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

References

1.P. Ole Fanger. The quality of indoor air in buildings constructed in a cold climate and its impact on health, education and productivity of people / / AVOK. - 2006. - № 2.

2.GOST 30494-96, "Residential and public buildings. The parameters of the microclimate in the premises ";

3.Standard EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings - Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

4.GOST R EN 13779-2007 "Ventilation in non-residential buildings. Technical requirements for ventilation and air conditioning "

5.SNIP 41-01-2003. "Heating, ventilation and air conditioning."

27

А.С. Попов, Д.В. Лиховидов, К.С. Бирюков

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В статье рассмотрены факторы, определяющие выброс основных токсичных веществ двигателями внутреннего сгорания с точки зрения возможного воздействия на них в эксплуатационных условиях с применением системы фильтрации и нейтрализации продуктов сгорания в выпускном тракте двигателя для уменьшения вредных выбросов.

Ключевые слова: загрязняющие вещества, выброс токсичных веществ, двигатель внутреннего сгорания, снижение токсичности.

A.S. Popov, D.V. Likhovidov, K.S. Birykov.

WAYS OF DECREASE IN HARMFUL EMISSIONS

FROM INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Тhe factors defining emission of the main toxic substances by internal combustion engines from the point of view possible impact on them in operational conditions with application system of a filtration and neutralization products of combustion in a final path of the engine for reduction harmful emissions are considered.

Keywords: polluting substances, emission of toxic substances, internal combustion engine, decrease in toxicity.

В общем случае различают пять искусственных источников загрязнения атмосферы: дымовые газы неподвижных источников энергии, работающих на топливах органического происхождения; отработавшие газы автомобилей и других транспортных средств; выбросы промышленных предприятий, радиация и не поддающиеся биологическому распаду органохлористые пестициды и синтетические инсектициды. В отличии от названных источников автомобильный транспорт в основном сосредоточен в местах наиболее вероятного пребывания людей, по этому рассмотрим этот источник загрязнения подробнее [1].

С ростом парка легковых автомобилей увеличивается и выброс токсичных компонентов отработанных газов в атмосферный воздух. В настоящее время в Воронежской области зарегистрировано 352,5 тыс. тонн выбросов, что в 1,3 раза больше количества выбросов в 2009 году. Основная масса токсичных веществ, выбрасываемых автомобильным транспортом, выделяется с отра-

28

ботавшими газами, состав которых очень сложный [2].

Наряду с нетоксичными компонентами (азотом, кислородом, водородом, водяными парами) отработавшие газы автомобильных двигателей содержат вещества, вредно действующие на окружающую среду и человека. К ним относят оксид углерода (СО), углероды (Cm Hn ), оксид и диоксид азота (NO и NO2 ), альдегиды, диоксид серы, сажа, канцерогенные вещества ( бензо-α-пирен ). Оксид углерода – наиболее массовый токсичный компонент, который снижает работоспособность человека, вызываетголовные боли и приводитк потерисознания.

Рассмотрим факторы, определяющие выброс основных токсичных веществ двигателями внутреннего сгорания с точки зрения возможного воздействия на них в эксплуатационных условиях для уменьшения вредных выбросов.

Оксид углерода образуется в ходе холоднопламенных реакций на промежуточных стадиях горения углеводородного топлива. Содержание CO в отработавших газах дизеля зависит от состава смеси. Поскольку в дизелях применяется качественное регулирование мощности, состав смеси определяется нагрузкой на двигатель. При малых нагрузках и холостом ходу возможен значительный избыток воздуха, температура газов низкая, окислительные реакции протекают медленно, что приводит к повышенному выбросу CO. При увеличении нагрузки, несмотря на снижение избытка воздуха, скорость окислитель-реакций увеличивается и содержание CO в отработавших газах дизеля уменьшается [3]. При полной нагрузке из-за значительного уменьшения избытка воздуха наблюдается повышенный выброс CO с отработавшими газами. Значит, уменьшить выбросы CO с отработавшими газами дизелей можно при работе дизеля преимущественно на средних нагрузочных режимах. Особенно это относится к неустановившимися режимам разгона дизелей в эксплуатационных условиях. Значительное снижение дымности и токсичности дизелей может быть достигнуто путем оптимизации конструктивных и регулировочных параметров двигателя и его топливной аппаратуры. При этом основное внимание должно уделяться подбору скорости и давления впрыска топлива, угла опережения впрыска, параметров распылителя, размерности цилиндра и степени сжатия, а также конструкции плунжерной пары. Существенное сокращение выбросов СН может быть достигнуто путем уменьшения объема подъигольного пространства в распылителе. Дизели с раздельной камерой сгорания имеют значительно меньше выброс NO при меньшем содержании СО, СН и сажи, однако имеют повышенный расход топлива и меньшую мощность. Применение неразделенной камеры сгорания улучшает топливную экономичность примерно на 15%.

Образование оксидов азота в цилиндре двигателя внутреннего сгорания подчиняется теории, основы которой разработаны советским ученым Я.Б.Зельдовичем. Согласно этой теории окисление азота в цилиндре двигателя происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, при этом интенсивность образования оксидов азота определяется только температурой и наличием азота и кислорода. Основную массу (для бензинового двигателя – 99%, для дизеля – 90%) составляет оксид азота, который в выпускной системе и в атмосфере окисляется в диоксид. Количество оксидов азота в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания зависит от конструктивных факторов, наибольшее влияние оказывают нагрузочный режим, состав смеси и угол опережения зажигания. При неизменных значениях остальных факторов увеличения нагрузочного режима всегда приводит к повышению выбросов оксидов азота. Поэтому в эксплуатационных условиях любое отклонение от оптимальных значений параметров автомобиля, вызывающее повышение нагрузки на двигатель, приводит к повышенным выбросам оксидов азота [4].

С точки зрения экономической целесообразности улучшить экологические качества дизелей, находящихся в эксплуатации, можно на основе мероприятий, не связанных с серьезными изменениями базовой конструкции двигателя, то есть применением систем фильтрации и нейтрализации продуктов сгорания в выпускном тракте двигателя. Наибольшее распространение среди них получили пламенные, каталитические (высокотемпературные) и жидкостные нейтрализаторы. Все указанные типы нейтрализаторов обладают селективным, избирательным воздействием на состав отработавших газов и всеони недостаточно эффективны по отношению к окислам азота.

Каталитический нейтрализатор представляет собой встроенный в систему выпуска отрабо-

29