CC BY
39
D01:10.12845/bitp.33.1.2014.8
dr inz. GRZEGORZ CZERSKI1
Przyj^ty/Accepted/Принята: 17.12.2013;
Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 29.01.2014;
Opublikowany/Published/Опубликована: 31.03.2014;
OCENA WPLYWU WYBRANYCH CZYNNIKOW NA RYZYKO ZATRUC PRODUKTAMI SPALANIA Z URZ^DZEN GAZOWYCH2
Impact Assessment of Selected Factors on the Risk of Poisoning with Combustion Products From Gas Appliances Оценка влияния выбранных факторов на риск отравления продуктами сгорания поступающими из газовых устройств
Abstrakt
Cel: Opracowany model symulacyjny umozliwia analiz^ zmian skladu atmosfery gazowej w pomieszczeniach mieszkalnych z urz^dzeniami gazowymi. Na tej podstawie mozna okreslic potencjalne zagrozenia dla bezpieczenstwa uzytkownikow rozpatrywanego pomieszczenia.
Metoda: Do obliczenia skladu atmosfery gazowej w pomieszczeniach mieszkalnych z urz^dzeniami gazowymi wykorzystano model symulacyjny oparty na bilansie masowym. Przedstawiono metodologie prowadzenia obliczen. Dla oceny bezpieczenstwa mieszkancow wybrano: st^zenie tlenku w^gla oraz tlenu w pomieszczeniu. Model umozliwia przeprowadzanie symulacji dla przypadkow najcz^sciej spotykanych nieprawidlowosci w pomieszczeniach z urz^dzeniami gazowymi. Analiz^ przeprowadzono dla lazienki wyposazonej w gazowy przeplywowy ogrzewaczy wody o mocy 20 kW. Obliczenia st^zenia CO i 02 w pomieszczeniu przeprowadzono dla czasu 15 min. Obliczenia wykonano dla roznych: obj^tosci gazowych pomieszczenia, strumieni powietrza wentylacyjnego, st^zen tlenku w^gla w spalinach oraz czasu naplywu spalin do pomieszczenia.
Wyniki: Im mniejsza kubatura pomieszczenia tym wentylacja ogrywa wi^ksz^. rol^ w zapewnieniu bezpieczenstwa. W pomieszczeniu
0 malej kubaturze i braku lub niewystarczaj^cej wentylacji st^zenia tlenku w^gla i tlenu osi^gaj^. wartosci zagrazaj^ce zyciu juz po kilku minutach. Dla pomieszczen o wi^kszej kubaturze i odpowiednio wentylowanych st^zenia CO i O2 rowniez osi^gaj^. niebezpieczne poziomy groz^ce co najmniej ci^zkim zatruciem. Im wyzsze st^zenie CO w spalinach tym zagrozenie wi^ksze. Niezaleznie od czasu naplywu spalin do pomieszczenia, pomimo odpowiedniej wentylacji, wyst^puje przekroczenie dopuszczalnego st^zenia CO w pomieszczeniu (0,008%) a uzytkownikom lazienek z niesprawnymi urz^dzeniami grozi ci^gle podtruwanie. Kluczowym elementem zapewniaj^cym bezpieczenstwo uzytkownikow urz^dzen gazowych jest uklad spalinowy, poniewaz wentylacja nawet funkcjonuj^co prawidlowo nie jest w stanie zapewnic bezpiecznych st^zen CO i O2 w pomieszczeniu.
Wnioski: Uzyskane wyniki pokazuj% ze niesprawnosc ukladu odprowadzania spalin sprawia, iz urz^dzenie gazowe wywiera niekorzystny wplyw na zdrowie mieszkancow. Na st^zenie CO i O2 w pomieszczeniu mieszkalnym wyposazonym w urz^dzenie gazowe najwi^kszy wplyw ma strumien powietrza wentylacyjnego oraz kubatura pomieszczenia. Spadek koncentracji tlenu w pomieszczeniu b^dzie mial miejsce niezaleznie od tego czy w spalinach jest tlenek w^gla czy tez nie. Najskuteczniejszym sposobem, calkowicie eliminuj^cym zagrozenie zatrucia tlenkiem w^gla jest wymiana urz^dzen gazowych z otwart^. komor^. spalania na urz^dzenia z zamkni^ komor^. spalania.
Slowa kluczowe: zatrucie tlenkiem w^gla, bezpieczenstwo uzytkownikow urz^dzen gazowych, model symulacyjny Typ artykulu: oryginalny artykul naukowy
Abstract
Purpose: The developed simulation model enables to analyse the changes in air composition in residential rooms with gas appliances. On this basis, one can identify potential threats to the safety of the users of such kind of rooms.
Method: The simulation model based on mass balance was used to calculate the composition of the gas atmosphere in a residential room equipped with a gas appliance. The authors presented the methodology of the calculations. For the assessment of the residents safety the authors analysed the concentrations of carbon monoxide and oxygen in the room. The model enabled the authours to
1 AGH Akademia Gorniczo-Hutnicza; al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow; gczerski@agh.edu.pl / Academy of Mining and Metallurgy, Poland
2 Artykul zostal wyrozniony przez Komitet Redakcyjny / The article was recognised by the Editorial Committee / Эту статью наградил Редакционный Совет
D01:10.12845/bitp.33.1.2014.8
carry out simulations for the cases of the most common abnormalities in rooms with gas appliances. The analysis was performed for a bathroom equipped with a gas-fired instantaneous water heater with the power of 20 kW. Each calculation of CO and O2 concentrations in the room took 15 minutes. Calculations were made for various: gas volumes of the room, flow rates of ventilation, carbon monoxide concentrations in combustion gases and inflow times of combustion gases into the room.
Results: The role of ventilation in ensuring safety increases with a decrease in the gas volume of the room. The carbon monoxide and oxygen concentrations reach life-threatening values after a few minutes in a small room and with the lack of or insufficient ventilation. For rooms with a larger volume, and properly ventilated, the concentrations of CO and O2 also reach dangerous levels which may cause at least a serious poisoning. The higher the concentration of CO in combustion gases is, the greater the risk becomes. The permissible concentration of CO in the room (0.008%) is exceeded regardless of the inflow time of the combustion gases into the room and despite proper ventilation, so bathroom users with malfunctioning gas appliances could be constantly poisoned. A key element for ensuring the safety of the users of gas appliances is a combustion gases evacuation system because the ventilation, even when working properly, is not able to ensure safe concentrations of CO and O2 in the room.
Conclusions: The results show that a failure of the combustion gas evacuation system leads to the gas appliance having a negative impact on the health of the residents. The greatest impact on the concentration of CO and O2 in the residential room equipped with a gas appliance is demonstrated by the air flow rate of ventilation and the room volume. The decrease in the concentration of oxygen in the room will take place regardless of whether carbon monoxide is, or is not present in the combustion gases. The best way to completely eliminate the risk of carbon monoxide poisoning is the exchange of gas appliances with an open combustion chamber for appliances with a closed combustion chamber.
Keywords: carbon monoxide poisoning, safety of gas appliances users, simulation model Type of article: original scientific article
Аннотация
Цель: Разработанная симуляционная модель делает возможным анализировать изменения в составе газовой атмосферы в жилых помещениях с газовым оборудованием. На данной основе можно определить возможные угрозы безопасности пользователей рассматриваемого помещения.
Метод: Для измерения состава газовой атмосферы в жилых помещениях, в которых находится газовое оборудование была использована симуляционная модель основанная на массовом балансе. Была представлена методология проведения измерений. Для проведения оценки безопасности жителей были исследованы: концентрации углерода и кислорода в помещении. Модель позволяет провести симуляцию на примерах наичаще встречаемых неправильностей в помещениях с газовым оборудованием. Проведён анализ для ванной, оснащенной в газовый проточный водонагреватель мощностью 20 киловаттов. Измерения концентрации CO и О2 в помещении были проведены за 15 минут. Измерения сделаны при разных: газовых объёмах, вентиляционных струях, концентрациях углерода в выходах, а также временах притока выходов в помещение.
Результаты: Чем меньше объём комнаты тем большую роль играет вентиляция для обеспечения безопасности. В маленькой комнате при отсутствии или недостаточной вентиляции, конвертации оксида углерода (коварного газа) и кислорода достигают уровня угрожающего жизни человека за несколько минут. Для больших помещений и правильно вентилированных, костентрации CO и CO2 также достигают опасных величин угражющих отравлением, эффектом которого, в самом лучшем случае, есть тяжелее отравление. Чем выше концентрация CO в выходах, тем выше уровень угрозы. Независимо от времени притока вредных газов в помещение, помимо правильной вентиляции, выступает превышение допустимого уровня концентрации CO в комнате (0,008%), a пользователям ванных угрожает постоянное отравление. Ключевым элементом обеспечивающим безопасность пользователей газовых устройств является система сгорания, потому что вентиляция, даже работающая правильно не в состоянии обеспечить безопасных концентраций CO и CO2 в помещении.
Выводы: Полученгіьіе результаты указывают, что неэффективность системы удаления выхлопных газов следует тем, что газовое устройство нарушает здоровье жителей. На концентрацию CO и CO2 в помещении оборудованным в газовое устройство самое большое влияние играют струя вентиляционного воздуха и объем помещения. Падение концентрации кислорода в помещении будет зависеть от того, есть ли в выхлопных газах монооксид углерода или нет. Самым эффективным способом, который в целости ликвидирует угрозу отравления монооксидом углерода есть изменение газовых устройств с открытой камерой сгорания на устройства с закрытой камерой сгорания.
Ключевые слова: отравление окисью углерода, безопасность пользователей газового оборудования, симуляционная модель Вид статьи: оригинальная научная работа
1. Wprowadzenie
W Polsce i wielu innych krajach w mieszkaniach wy-posazonych w urz^dzenia gazowe dochodzi do duzej licz-by wypadków zatruc produktami spalania, w tym niestety takze smiertelnych. S^. to wypadki spowodowane toksycz-nym oddzialywaniem tlenku wçgla, ale takze spadkiem zawartosci tlenu w atmosferze pomieszczen. Do zatruc szczególnie czçsto dochodzi w trakcie sezonu grzewcze-go. Korporacja Kominiarzy Polskich, która zbiera dane z mediów, komend strazy pozarnych i policji szacuje cal-kowit^. liczbç wypadków zatruc CO w Polsce na kilka ty-siçcy rocznie, a zatruc ze skutkiem smiertelnym na kilka-
set. Z kolei wg [і] zatrucia CO powoduj^. 300-400 zgo-nów rocznie. Wedlug analizy przeprowadzonej w publi-kacji [2] smiertelnych zatruc tlenkiem wçgla pochodz^-cym z urz^dzen gazowych bylo ok. 120 rocznie w latach 1991-1997, a ich liczba spadla w latach 1998-2002 do ok. 70, ale sam autor tej analizy ma w^tpliwosci, czy uzyska-ne liczby nie s^. zanizone. Znacznie trudniej jest oszaco-wac liczbç wypadków niekoncz^cych siç smierci^. Wedlug doswiadczen zebranych w Walbrzychu przez Stacjç Sanitarno-Epidemiologiczn^ na jeden wypadek smiertel-ny przypada piçc niekoncz^cych siç zgonem [3]. Liczba przyjçc do szpitali z powodu zatruc tlenkiem wçgla w la-
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
tach 2005-2011 wahala siç w przedziale od 2,5 do 5 tys. rocznie [1]. Nie sposób jest natomiast oszacowac licz-bç osób, które ulegaj^ podtruwaniu, doznaj^ uszczerbku na zdrowiu, lecz nie s^ hospitalizowane. Dla porównania w Stanach Zjednoczonych dochodzi corocznie do okolo 4 tys. wypadków smiertelnych zwi^zanych z samobójczy-mi i przypadkowymi zatruciami CO, z tym ze wiçkszosc z nich spowodowana jest prac^ silników benzynowych na-pçdzaj^cych róznego rodzaju maszyny [4]. Z kolei w wiel-kiej Brytanii zanotowano rocznie 1000 smiertelnych ofiar zatruc CO, we Francji z tego powodu 5000-8000 osób po-dano hospitalizacji, a we Wloszech odnotowano ok. 6000 ofiar zatruc i ponad 300 przypadków zgonu. Smiertelnosc dla jednej populacji badan obejmuj^cych zatrucia CO wy-nosila 3і%, a dla innej tylko 1-2% [5].
Praca urz^dzen gazowych znajduj^cych siç w pomieszczeniach mieszkalnych moze wywierac istotny wplyw na sklad atmosfery gazowej tych pomieszczen, tj. obnizenie koncentracji tlenu oraz pojawienie siç tok-sycznego tlenku wçgla, a nawet tlenku azotu [6]. Doty-czy to urz^dzen z otwart^. komorç. spalania, czyli np. ku-chenek gazowych czy gazowych przeplywowych ogrze-waczy wody. Szczególnie niebezpieczne s^. gazowe prze-plywowe ogrzewacze wody usytuowane zazwyczaj w po-mieszczeniach (najczçsciej lazienkach) o malej kubaturze i czçsto niedostatecznym naplywie powietrza, a najwiçk-sza liczba wypadków ma miejsce w wielokondygnacyj-nych budynkach mieszkalnych. Dla bezpieczenstwa uzyt-kowników takich pomieszczen szczególne znaczenie ma prawidlowe funkcjonowanie ukladu odprowadzania spalin oraz ukladu wentylacyjnego. Ich sprawne dzialanie win-no skutecznie chronic przed zagrozeniami wynikaj^cymi z uzytkowania urz^dzeh gazowych i zapewniac odpowied-ni, bezpieczny sklad atmosfery gazowej [7]. Realizowa-ny na szerok^ skalç proces termomodernizacji budynków przyczynil siç w znacznym stopniu do ograniczenia naplywu powietrza do pomieszczen mieszkalnych [8]. Sytuacja ta skutkuje brakiem dostatecznej ilosci powietrza gwaran-tuj^cej bezpieczne, zupelne spalanie w urz^dzeniach gazowych. Badania wykazaly, ze gazowe przeplywowe ogrze-wacze wody s^ bardzo wrazliwe na niedostateczny naplyw powietrza W przypadku braku dostatecznej ilosci powietrza w spalinach pojawia siç tlenek wçgla [9-10]. Zdarza siç tez, ze wentylacja czy tez uklad odprowadzania spalin s^ zaprojektowane i wykonane prawidlowo jednak eksplo-atowane s^ w sposób niewlasciwy, poniewaz uzytkownicy urz^dzen gazowych nie posiadaj^ wiedzy odnosnie dziala-nia tych zapewniaj^cych im bezpieczenstwo ukladów.
Pojawienie siç nawet niewielkich stçzen tlenku wçgla w atmosferze wskutek naplywu do pomieszczenia spalin z niesprawnego urz^dzenia gazowego (niezupelne spala-nie paliwa gazowego) stwarza niebezpieczenstwo zatru-cia. Wg [11] dopuszczalne stçzenie tlenku wçgla w po-mieszczeniach mieszkalnych wynosi 10 mg/m3 dla cza-su ekspozycji 30 minut i 3 mg/m3 dla 24-godzinnej eks-pozycji, czyli odpowiednio 0,008% vol. i 0,0027% vol., jednak ww. wartosci w Polsce s^. nieaktualne. Zarz^dze-nie Ministra Zdrowia i Opieki Spolecznej od chwili wej-scia w zycie konstytucji RP stracilo moc prawn^. (nie jest Ustaw^. ani Rozporz^dzeniem), a odpowiedzialny Minister nie wydal (i nie prowadzi prac nad wydaniem) no-
D01:10.12845/bitp.33.1.2014.8
wej regulacji w tej dziedzinie. Stopien zatrucia CO za-lezny jest od: jego stçzenia w atmosferze, czasu dziala-nia, aktywnosci, jak równiez wieku i stanu zdrowia oso-by narazonej na jego dzialanie. Wplyw zawartosci tlenku wçgla na organizm czlowieka przedstawiono w tablicy і. Warto w tym miejscu wspomniec, iz wedlug [12, 13] od-dzialywanie niskich stçzen CO w dlugim okresie czasu jest nawet bardziej szkodliwe niz krótkotrwale przebywa-nie czlowieka w pomieszczeniach z wysok^. zawartosci^ tlenku wçgla. Niedocenianym problemem jest wiçc na-razenie na chroniczne podtruwanie, dla którego objawy przybieraj^. postac grypopodobn^, a zatrucie to jest czç-sto mylone z zespolem chronicznego zmçczenia. W trak-cie wdychania tlenek wçgla jest wchlaniany przez plu-ca do krwiobiegu, gdzie wi^ze siç trwale z hemoglobin^, tworz^c tzw. karboksyhemoglobinç (COHb). Zawartosc COHb ponizej 10% przebiega zazwyczaj bezobjawowo; dla 10-30% mog^. pojawic siç objawy zatrucia CO takie jak: ból i zawroty glowy, oslabienie, nudnosci, dezorien-tacja i zaburzenia widzenia; dla 30-50% wystçpuj^. dusz-nosci, wzrost tçtna i oddechów, omdlenia; a powyzej 50% mog^. wyst^pic utrata przytomnosci, drgawki i zatrzy-manie kr^zenia [14]. Jako poziom smiertelny przyjmuje siç 60% COHb we krwi. Do oceny zawartosci COHb we krwi mozna wykorzystac np. równanie Coburn-Forster-Kane’a [15], które jest zaawansowanym podejsciem do modelowania COHb we krwi, a do jego wad zaliczyc na-lezy uzycie duzej liczby zmiennych, z których wiele musi byc obliczona z dodatkowych równan.
W swietle obowi^zuj^cych norm jako kryterium sprawnosci urz^dzenia gazowego przyjmuje siç granicz-ne stçzenie CO w suchych, nierozcienczonych spalinach na poziomie 0,1% vol. Spadek koncentracji tlenu jest po-wodowany zuzywaniem go w procesie spalania, jak tez ewentualnym naplywem spalin do pomieszczenia. Zakla-da siç, ze koncentracja tlenu w pomieszczeniu nie powin-na spadac ponizej 19,5%, a jako tzw. stçzenie smiertel-ne przyjmuje siç poziom 16% [17]. Nierzadko dopuszczalne stçzenia tlenku wçgla dla przeplywowych ogrze-waczy wody s^. przekraczane, a zawartosc CO w spalinach nie musi byc skorelowana z dzialaniem systemu wentylacyjnego. Jak pokazuj^. wyniki pomiarów przed-stawionych m.in. w publikacji [18], stçzenia CO w spalinach dla niesprawnych urz^dzen przy wymaganej ilo-sci powietrza do spalania mog^. osi^gac bardzo wysokie poziomy. W ww. publikacji w przypadku 7 z 11 przeba-danych urz^dzen zostal przekroczony dopuszczalny poziom stçzenia tlenku wçgla w suchych nierozcienczonych spalinach (1000 ppm), a wartosci stçzenia CO wahaly siç w granicach 5 750-43 950 ppm. Naplyw spalin do pomieszczenia ma najczçsciej miejsce przy ci^gu wstecz-nym w przewodzie spalinowym i w takiej sytuacji nawet sprawne urz^dzenia staj^. siç wytwornicami tlenku wçgla, a stçzenia CO mog^. siçgac kilku procent [19].
Wartosc strumienia powietrza przeplywaj^cego przez lazienkç z wentylacja grawitacyjn^. uzalezniona jest od szeregu czynników takich jak: szczelnosc przegród ze-wnçtrznych oraz ich ilosc i wielkosc, droznosc i wyso-kosc kanalu wentylacyjnego, temperatura powietrza we-wn^trz i na zewn^trz, opory przeplywu powietrza na ca-lej jego drodze, polozenie budynku, wplyw wiatru itd.
W literaturze dost^pne s^. modele opracowane w celu oce-ny efektywnosci wentylacji dla budynkow przemyslo-wych czy tez garazy oraz tuneli [20-22]. Modelowanie pracy wentylacji naturalnej pomieszczen opisano w cy-klu publikacji A. Bzowskiej [23-25]. Do oceny ilosci po-wietrza wentylacyjnego mozna wykorzystac rowniez model zaprezentowany w pracy [26]. Natomiast stosunkowo malo jest informacji na temat dyspersji CO w zamkni§-tych pomieszczeniach. Warto przytoczyc publikacji [27], w ktorej autorzy wykorzysftj numeryczny model CFD do oceny st^zenia CO w pomieszczeniu s^siaduj^cym z urz^dzaniem gazowym.
Tabela 1.
Wplyw zawartosci tlenku w^gla na organizm czlowieka [16]
Table 1.
Influence of carbon monoxide concentration on human body [16]
Zawartosc CO w powie-trzu w % obj. / Percentage of CO concentration in the air Czas wchlaniania / Time of absorbtion Objawy zatrucia / Symptoms of poisoning
0,02 2 r 3 godziny / 2 r 3 hours lekki bol glowy / slight headache
0,04 1 r 2 godziny / 1 r 2 hours czolowy bol glowy/ forehead pain
2,5 r 3,5 godziny / 1 r 2 hours rozlegly bol glowy / extensive headache
0,08 45 minut / 45 minutes zawroty glowy, nudnosci i konwulsje / faitness, sickness, convulsions
2 godziny / 2 hours utrata przytomnosci / syncope
0,16 20 minut / 20 minutes bole i zawroty glo-wy, mdlosci / headaches, faitness, nausea
2 godziny / 2 hours smierc / death
0,32 5 r 10 minut / 5 r 10 minutes bole i zawroty glo-wy, mdlosci /pains, faitness, nausea
30 minut / 30 minutes smierc / death
0,64 1 r 2 minuty / 1 r 2 minutes bole i zawroty glowy / pains and faintess
10 r 15 minut / 10 r 15 minutes smierc / death
1,28 1 r 3 minuty / 1 r 3 minutes smierc / death
Opracowany model symulacyjny oparty na bilansie masowym umozliwia analizç zmian skladu atmosfery ga-zowej w pomieszczeniach mieszkalnych z urz^dzeniami gazowymi. Na tej podstawie mozna okreslic potencjal-ne zagrozenia dla bezpieczenstwa uzytkownikow rozpa-trywanego pomieszczenia. Symulacjç mozna przeprowa-dzac dla roznych sytuacji, a wyniki uzyskane dziçki takiej
D01:10.12845/bitp.33.1.2014.8
symulacji umozliwiaj^. okreslenie okolicznosci, w jakich w danym pomieszczeniu moze wyst^pic niebezpieczen-stwo dla lokatorow [28].
2. Metoda
Poziom zagrozenia stwarzanego przez urz^dzenia ga-zowe determinowany jest przez nastçpuj^ce czynniki:
• moc urz^dzenia gazowego,
• sprawnosc techniczna urz^dzenia (zawartosc CO w spalinach),
• kubatura pomieszczenia, w ktorym urz^dzenie siç znajduje,
• wielkosc przeplywu powietrza przez pomieszczenie (wentylacja),
• funkcjonowanie ukladu odprowadzania spalin.
W celu oszacowania wplywu tych czynnikow na ryzy-ko zatruc CO, autor opracowal model symulacyjny oparty na bilansie masowym. Umozliwia on analizç zmian skla-du atmosfery gazowej w pomieszczeniach mieszkalnych z urz^dzeniami gazowymi. Dla oceny bezpieczenstwa mieszkancow wybrano: stçzenie tlenku wçgla oraz tle-nu w pomieszczeniu. Model umozliwia przeprowadzanie symulacji dla przypadkow najczçsciej spotykanych nie-prawidlowosci w pomieszczeniach z urz^dzeniami gazowymi. Analizç przeprowadzono dla lazienki wyposazonej w gazowy przeplywowy ogrzewacz wody, poniewaz naj-wiçksza liczba wypadkow zatruc produktami spalania ma wlasnie miejsce w takich warunkach. Ogrzewacz wody wyposazony jest w przerywacz ci^gu i przewod spalino-wy, ktorym spaliny odprowadzane s^ do kanalu spalinowe-go (urz^dzenie typu Bjj). Pomieszczenie posiada wentyla-cjç grawitacyjn^ i jest wyposazone w kratkç wentylacyj-n^ oraz otwor nawiewu posredniego, umieszczony w dol-nej czçsci drzwi. Przebieg oslony kontrolnej bilansowane-go ukladu w sposob pogl^dowy przedstawiono na ryc. 1.
m2 m7
4-4.......-,
.2
Ryc. 1. Schemat analizowanego ukladu:
(1 - kratka wentylacyjna; 2 - otwory i nieszczelnosci w drzwiach; mt-m9 - poszczegolne strumienie bilansu masowego; linia przerywana - oslona kontrolna bilansowanego ukladu) Fig. 1. A schema of the analyzed system :
(1 - ventilation, 2 - holes and leakiness in the door, mt-m9 - particular flow rates of mass balance; dashed line - border of balance system)
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
W bilansie uwzgl^dniono nast^puj^ce pozycje:
Strumienie wchodz^ce do ukladu bilansowego
• strumien spalin wyplywaj^cych z nagrzewnicy piecy-ka gazowego (m^;
• strumien nawiewu posredniego przez otwory i niesz-czelnosci w drzwiach (m2);
• strumien powietrza doprowadzanego do pomieszcze-nia kanalem wentylacyjnym przy odwróconym ci^gu (m3);
• strumien powietrza wydychanego przez osoby w po-mieszczeniu (m4).
Strumienie opuszczaj^ce uklad bilansowy
• strumien gazów odlotowych (spaliny + powietrze zas-sane w przerywaczu ci^gu) wyplywaj^cych do kanalu spalinowego (m5);
• strumien powietrza zuzywanego dla spalania paliwa gazowego (m6);
• strumien gazów wypieranych z pomieszczenia wsku-tek naplywu do niego spalin; wyplyw ten moze od-bywac si§ przez otwory i nieszczelnosci w drzwiach, przez otwór wentylacyjny jak tez obydwoma drogami równoczesnie (m7);
• strumien gazów odprowadzanych kanalem wentyla-cyjnym wywolany ci^giem naturalnym w tym kana-le (m8);
• strumien powietrza wdychanego przez osoby obecne w pomieszczeniu (m9).
• Stosuj^c podane oznaczenia, równanie bilansu masy dla rozpatrywanego okresu czasu (Дх) przyjmuje na-st^puj^c^ ogóln^. postac:
tni+тг+тъ + ти \-Ат + тр -^гп5+тб + тт+т%+гп9^-кт-тк =0
(1)
gdzie: mp - masa gazów w pomieszczaniu na pocz^tku rozpatrywanego okresu, kg
mk - masa gazów w pomieszczeniu po czasie A t, kg
W oparciu o wzór (1) wyznaczyc mozna udzial maso-wy dowolnego skladnika x . atmosfery gazowej pomieszczenia:
тух. л+тО‘Х. ~+mvx, -+mA-x. . -Ar + m •*. i-l 1 — 2 i-3 1-4 I p i-p
-\пч-х.^+тб-х.^+тт-х. ^ +т^х._^+т9х._9 -x._k =0
(2)
gdzie; x._j x-2... xi9 - ulamek masowy i-tego skladnika w danym strumieniu, -
x._p - ulamek masowy i-tego skladnika w pomieszczeniu na pocz^tku rozpatrywanego okresu, -x.k - ulamek masowy i-tego skladnika w pomieszczeniu po czasie At, -
Jesli przyj^c, iz xi-j dla kazdego strumienia opuszcza-j^cego uklad jest równe zawartosci tego skladnika na kon-
D01:10.12845/bitp.33.1.2014.8
cu rozpatrywanego okresu, to zawartosc i-tego skladnika w atmosferze pomieszczenia po czasie Дт okresla wzór:
>
|«1- x. _1+т2-х._2+тух._3 + т4- x. _ 4 •AT + m ■x. P i-Р
f >
m5-+me+fnj-+m^-+m9- •Ат + т^
I >
(3)
Przeliczenia zawartosci i-tego skladnika wyrazonej ulamkiem masowym na koncentraj tego skladnika wy-razon^. w procentach obj^tosciowych (c.) mozna dokonac za pomoc^. wzoru:
.-1
■100
x¡ -РГ
¿(хгРГ1)
¡=1
(4)
gdzie: p. - g^stosc rzeczywista i-tego skladnika w warun-kach temperatury i cisnienia pamjcych w analizowanym pomieszczeniu, kg/m3
3. Wyniki i dyskusja
W celu zilustrowania mozliwosci opracowanego mo-delu przedstawiono przykladowe symulacje dla najcz§-sciej wyst^puj^cych nieprawidlowosci w pomieszcze-niach wyposazonych w urz^dzenia gazowe takie jak: nie-odpowiedni naplyw powietrza oraz niesprawna wenty-lacja, brak lub ograniczony ci^g w kanale spalinowym (wychlodzenia kanalu spalinowego, niedroznosci ka-nalów spalinowych, odwrócenie kierunku ci^gu przez wiatr), niesprawne urz^dzenie gazowe oraz mala kubatu-ra pomieszczenia. Analizowana lazienka wyposazona jest w gazowy przeplywowy ogrzewacz wody o typowej mocy tj. 20 kW. Do obliczen przyj^to spotykane w prak-tyce w niesprawnych urz^dzeniach gazowych st^zenia CO w spalinach (dla wi^kszosci obliczen 0,5%), bazuj^c na doswiadczeniu wlasnym oraz rezultatach uzyskanych w publikacjach [18, 19]. Obliczenia przeprowadzono dla czasu naplywu spalin do pomieszczenia 15 min.
Wplyw wartosci strumienia wentylacji na koncentra-cje CO i O2 w pomieszczeniu przedstawiono na ryc. 2 oraz 3. Obliczenia przeprowadzono dla róznych obj^tosci gazowych pomieszczenia (tj. kubatury lazienki pomniej-szonej o obj^tosc znajduj^cych si§ tam mebli, wyposaze-nia i czlowieka) oraz strumieni wentylacyjnych.
ii S
Cxm [mini
—•— CO - wmtyUej* 0 —•— CO- wpntyOrjji 2Sm3/h —CO • SO'"Vh
♦ 02 wcntylacja 0 mi/h * 02 wrntyljcja 2S m3/h 02 vwntyle<>a SO mj/b
Ryc. 2. Wplyw strumienia wentylacji na st^zenie CO i O2 w pomieszczeniu o obj^tosci gazowej 6,5 m3
BADANIA I ROZWÓJ
Time [min)
CO • Ventilation 0 m3/h CO - Ventilation 25 m3/h CO • Ventilation 50 m3/h
02 - Ventilation 0 m3/h —*—02 • Ventilation 25 m3/h -> 02 - Ventilation 50 m3/h
Fig. 2. Influence of ventilation flow rate on CO and O2 concentrations in a room with 6.5 m3 gas volume
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15
Czas (min)
—CO - wentylacja 0 m3/h * CO • wentytacja 25 m3/h ♦ CO - wentylacja 50 m3/h
♦ 02 - wentylacja 0 m3/h —*—02 - wentylacja 25 m3/h •" 02 - wentylacja 50 m3/h
Ryc. 3. Wplyw strumienia wentylacji na stçzenie CO i O2 w pomieszczeniu o objçtosci gazowej 16 m3
0 1 3 3 4 5 6 7 8 910 11 12 13 14 IS
Time [min]
• CO - Ventilation 0 m3/h Ш CO - Ventilation 25 m3/h—•— CO • Ventilation 50 тЗД -*—02 ■ Ventilation 0 m3/h -*-02 Ventilation 25 m3/h 02 Ventilation 50 tni/b
Fig. З. Influence of ventilation flow rate on CO and O2 concentrations in a room with і6 m3 gas volume
Zalozone wartosci objçtosci gazowych ksztaltowaly siç nastçpuj^co:
• 6,5 m3 - rzeczywista objçtosc gazowa pomieszczenia o minimalnej dopuszczalnej kubaturze 8 m3;
• 16 m3 - pomieszczenie dwukrotnie wiçksze od mini-malnej dopuszczalnej kubatury;
Zgodnie z wymaganiami odnosnie wentylacji po-mieszczen z urz^dzeniami gazowymi strumien powietrza
BiTP Vol. 33 Issue 1, 2014, pp. 67-74 DOI:10.12845/bitp.33.1.2014.8
dla lazienki powinien wynosic 50 m3/h, st^d do obliczen zalozono nastçpuj^ce wartosci:
• G m3/h - brak wentylacji;
• 25 m3/h;
• 50 m3/h.
Zalozone wartosci s^. zgodne z rezultatami pomiarów powietrza przeplywaj^cego przez wentylacyjny kanal la-zienkowy zaprezentowanymi w publikacji [26]. Uzyska-ne strumienie powietrza przy zamkniçtych oknach na parterze czterokondygnacyjnego budynku w zaleznosci od temperatury na zewn^trz wynosily od 10 do 80 m3/h. Mozna domniemywac, iz w przypadku wyzszych kondy-gnacji strumienie powietrza bçd^. mniejsze.
Im mniejsza kubatura pomieszczenia tym wentylacja odgrywa wiçksz^. rolç w zapewnieniu bezpieczenstwa. W pomieszczeniu o malej kubaturze i braku lub niewy-starczaj^cej wentylacji stçzenia tlenku wçgla i tlenu osi^-gaj^. wartosci zagrazaj^ce zyciu juz po kilku minutach. W malych lazienkach prawidlowa wentylacja nie zapew-nia jednak bezpieczenstwa przy naplywie spalin do pomieszczenia, a bardzo niebezpieczne stçzenia CO i O2 osi^gane s^. po kilkunastu minutach. Dla pomieszczenia o kubaturze dwukrotnie wiçkszej od wymaganej stçzenia CO i O2 równiez osi^gaj^. niebezpieczne poziomy groz^ce co najmniej ciçzkim zatruciem. Mozna wiçc stwierdzic, iz kluczowym elementem zapewniaj^cym bezpieczenstwo uzytkowników urz^dzen gazowych jest uklad spalinowy, poniewaz wentylacja nawet funkcjonuj^ca prawidlowo nie jest w stanie zapewnic bezpiecznych stçzen CO i O2 w pomieszczeniu.
Dalsze obliczenia przeprowadzono dla pomieszcze-nia o malej kubaturze, poniewaz takie lazienki dominu-j^. w budownictwie wielokondygnacyjnym. Dotychczaso-we obliczenia przeprowadzono dla stçzania CO w spali-nach na poziomie 0,5%. Na ryc. 4 przedstawiono wplyw koncentracji CO w spalinach na stçzenie tlenku wçgla w pomieszczeniu o malej kubaturze przy braku oraz od-powiedniej wentylacji.
o.ao-|----------------------------------------------------
0.70
0,60 Z 0-50
zj 0,40
0.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Czas (min)
—COO.l %■ wentylacja0m3/h » CO0.1 %■ wentylacja 50m3/h
-• CO 0.5 4 wentytacja 0 m3/h —•— CO 03 % - wentylacja 50 mJ/h
—Л— CO 1,0 % - wentylacja 0 m3/h —CO 1,0 % - wentylacja 50 m3/h
Ryc. 4. Wplyw koncentracji CO w spalinach na stçzenie CO w pomieszczeniu o objçtosci gazowej 6,5 m3
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
DOI:10.12845/bitp.33.1.2014.8
Fig. 4. Influence of CO concentration in combustion gases on CO concentrations in a room with 6.5 m3 gas volume
Fig. 5. Influence of inflow time of combustion gases on CO and O2 concentrations in a room with 6.5 m3 gas volume and 50 m3/h flow rate of ventilation
Im wyzsze stçzenie CO w spalinach, tym zagrozenie wiçksze, a wentylacja nie jest w stanie uchronic przed za-truciem. Przy relatywnie niskim stçzeniu CO w spalinach (0,1%) nie dojdzie do ciçzkiego zatrucia, niemniej jednak uzytkownik urz^dzenia gazowego bçdzie podtruwany.
Przeprowadzone poprzednio symulacje dotyczyly skrajnych przypadków (niedroznosc ukladu odprowa-dzania spalin i niesprawne urz^dzenie gazowe). W prak-tyce takie sytuacje wystçpuj^. rzadko, natomiast czçsto mamy do czynienia z przypadkiem, kiedy uklad odpro-wadzania spalin nie funkcjonuje w ograniczonym okresie czasu. Moze byc to spowodowane wychlodzeniem kanalu spalinowego w pocz^tkowym okresie pracy urz^dze-nia lub moze wynikac z oddzialywania wiatru na kanal. Z tego powodu w kolejnym etapie symulacji uwzglçdniono rózne czasy opóznienia rozpoczçcia odprowadzania spalin (pojawienia siç skutecznego ci^gu) dla pomieszczenia o malej kubaturze i odpowiednio wentylowanego.
0 1 2 Î 4 S 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Czas (minj
CO - 5 min -Ш— CO-3 min —•—CO -1 min ♦ 02 - 5 min —A— 02-3 min 02-1 min
Ryc. 5. Wplyw dlugosci czasu naplywu spalin do pomieszczenia na stçzenie CO i O2 w pomieszczeniu
o objçtosci gazowej 6,5 m3 i wentylacji 50 m3/h
Na ryc. 5 mozna zaobserwowac, iz w kazdym z ana-lizowanych przypadków pomimo odpowiedniej wenty-lacji wystçpuje przekroczenie dopuszczalnego stçzenia CO w pomieszczeniu (0,008%). Uzyskane wartosci po-kazuj^, ze uzytkownikom takich lazienek z niesprawnymi urz^dzeniami grozi cingle podtruwanie CO, nawet pod-czas mycia r^k. Warto w tym miejscu wspomniec, iz od-dzialywanie niskich stçzen CO w dlugim okresie czasu jest nawet bardziej szkodliwe niz krótkotrwale przebywa-nie czlowieka w pomieszczeniach z wysok^. zawartosci^ tlenku wçgla. Koncentracja tlenu w pomieszczeniu spadla ponizej dopuszczalnej wartosci 19,5% dla czasu naplywu spalin З i 5 min.
4. Podsumowanie
Przedstawiony model, oparty na bilansie masowym, moze byc wykorzystywany dla symulacji róznych przypadków pracy urz^dzen gazowych w pomieszczeniach mieszkalnych. Uzyskane wyniki pokazuj^. dobitnie, ze niesprawnosc jednego tylko elementu, jakim jest uklad odprowadzania spalin, sprawia, iz urz^dzenie gazowe wywieralo niekorzystny wplyw na zdrowie mieszkan-ców. Na stçzenie CO i O2 w pomieszczeniu mieszkalnym wyposazonym w urz^dzenie gazowe najwiçkszy wplyw ma strumien powietrza wentylacyjnego oraz kubatura pomieszczenia. Warto pamiçtac, iz spadek koncentracji tlenu w pomieszczeniu bçdzie mial miejsce niezaleznie od tego, czy w spalinach jest tlenek wçgla, czy tez nie. Obliczenia autora dotyczyly jedynie pomieszczenia lazienki z urz^dzeniem gazowym, natomiast ww. praca [27] wyka-zuje, ze na zatrucie CO narazone s^. równiez osoby prze-bywaj^ce w s^siednich pomieszczeniach.
Istniej^. róznorodne sposoby ograniczania lub nawet eliminacji zagrozenia zatruciem tlenkiem wçgla w pomieszczeniach mieszkalnych z urz^dzeniami gazowy-mi. Szczególowo poszczególne rozwi^zania omówiono w publikacji [29], natomiast najskuteczniejszym sposo-bem, calkowicie eliminuj^cym zagrozenie zatrucia tlenkiem wçgla jest jednak wymiana urz^dzen gazowych z otwart^. komorç. spalania na urz^dzenia z zamkniçt^. ko-morç. spalania [З0, З1]. Urz^dzenia te z powodzeniem mozna stosowac równiez w budynkach wielokondygna-cyjnych [З2].
Artykul zostal przygotowany w ramach pracy statutowej Wy-
dzialu Energetyki i Paliw AGH
Literatura
1. Krzyzanowski M., Zatrucia tlenkiem w^gla w Polsce i Europie, Miçdzynarodowa Konferencja „Czujka dymu i czuj-nik tlenku wçgla, czyli mala inwestycja w duze bezpieczen-stwo”, Warszawa 8-9.10.201З.
2. Zuranski J. A., Zatrucia tlenfáem w^gla z urzqdzen gazowych w budownictwie mieszkaniowym w latach 1991-2002,
II Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna Eko--Komin „Nowoczesne i bezpieczne systemy kominowe
1 wentylacyjne w budownictwie mieszkaniowym”, Kraków, 2006, 77-85.
3. Zuranski J. A., Wentylacja naturalna mieszkan zpaleniska-mi gazowymi a smiertelne zatrucia tlenfáem w^gla, Forum Wentylacja 200З, Warszawa 1З-15 marca 200З,50-60
4. Varon J., Marik P., Carbon monoxide poisoning and gas powered equipment, The Journal of Emergency Medicine, Vol. 21 No. З (2001) 28З-284.
5. Mannaioni P. F., Vannacci A., Masini E., Carbon monoxide: the bad and the good side of the coin, fromneuronal death to anti-infl ammatory activity, Inflammation Research, 55
(2006) s. 261-27З.
6. Jarvis D., Chinn S., Luczynska Ch., Burney P., Association of respiratory symptoms and lung function in young adults with use of domestic gas appliances, The Lancet, vol. З47 Issue: 8999 (1996) 426-4З1.
7. Czerski G., Analiza zmian sfáadu atmosfery pomieszczen z urzqdzeniami gazowymi za pomocq modelu symulacyjne-go opartego na bilansie masowym, Nafta Gaz, R. 61 nr 6 (2005) 248-256.
8. Nantka M. B., Relacje miedzy szczelnosciq ofáen a reali-zacjq zadan tradycyjnej wentylacji budynków wielorodzin-nych, Cieplownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, nr 1 i nr
2 (2004) 21-24 i 16-20.
9. Gebhardt Z., Normalizacja a bezpieczenstwo urzqdzen ga-zowych typu B11BS Gaz, Woda, Technika Sanitarna, nr 7
(2007) 2З-25. '
1G. Hopkowicz M., Mikolajewski J., Badania szczelnosci miesz-kañ metodqpodcisnieniowq w aspekcie niezupelnego spalania gazu w GGWP, XV Konferencja Naukowo-Techniczna „Wentylacja, klimatyzacja, ogrzewnictwo i zdrowie”, Zako-pane-Koscielisko 2004, 247-262.
11. Oparczyk G., Konieczynski J., Tlenek wçgla wpomieszczeniach jaка efefá eksploatacji kuchni gazowych, Problemy ja-kosci powietrza wewnçtrznego w Polsce 2001, Wydawnic-twa Instytutu Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki War-szawskiej, Warszawa 2002, s. 251-258.
12. Sedda A. F., Rossi G., Death scene evaluation in a case of fatal accidental carbon monoxide toxicity, Forensic Science International, 164 (2006) 164-167.
13. Peterson J.E., Stewart R.D., Predicting the carboxyhemo-globin levels resulting from carbon monoxide exposures, J. Appl. Physiol., З9 (1975) 6ЗЗ-6З8.
14. Pach J., Targosz D., Afáualne problemy diagnostyfá, le-czenia i orzecznictwa zatruc tlenfáem w^gla, Sympozjum „Techniczne, medyczne i prawne aspekty bezpieczenstwa uzytkowników pomieszczen z urzqdzeniami gazowymi w budynkach mieszkalnych”, AGH Kraków, 200З, 27-45.
15. Sokal J.A., Pach J., Acute carbon monoxide poisoning in Poland - research and clinical experience, Carbon Monoxide Toxicity, Boca Raton USA, D. E. Penney (Ed.), CRC Press, 2GGG, 311-333.
DOI:10.12845/bitp.33.1.2014.8
16. Hopkowicz M., Mikolajewski J., Czadowe igraszfáze smier-ciq, Rynek Instalacyjny nr 7 i nr 8 (200З) 9-1З.
17. Instalacje gazowe na paliwa gazowe, Cobo-Profil, Warszawa 2GGG, s. 223.
18. Czerski G., Butrymowicz Cz., Talach Z. A., Badania uzytko-wanych gazowych przeplywowych ogrzewaczy wody, Gaz, Woda, Technika Sanitarna, nr З (2011) 9-82
19. Rataj M., Bezpieczenstwo uzytkowania gazowych urzqdzen grzewczych z otwartq komorq spalania, Nafta Gaz, nr 6 (201З) 455-462.
2G. Papakonstantinoua K. et al., Air quality in an underground garage: computational and experimental investigation of ventilation effectiveness, Energy and Buildings, З5 (200З) 933-94G.
21. Duci A. et al., Numerical approach of carbon monoxide concentration dispersion in an enclosed garage, Building and Environment, З9 (2004) 104З-1048.
22. Modic J., Air velocity and concentration of noxious substances in a naturally ventilated tunnel, Tunneling and Underground Space Technology, 18 (200З) 405-410.
23. Bzowska D., Fizyka przeplywu powietrza w pomieszczeniach z naturalnq wentylacjq, 1 (200З) 21-27.
24. Bzowska D., Wybrane zagadnienia wentylacji naturalnej pomieszczen, Cieplownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, nr
2 (200З) 21-27.
25. Bzowska D., Wymianapowietrza wpomieszczeniach z natu-ralnq wentylacjq, nr 12 (200З) 15-19.
26. Leciej-Pirczewska D., Szaflik W., Dzialanie wentylacji gra-witacyjnej w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych, Cieplownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, nr 12 (2006) З2-З5.
27. Chang W.R., Cheng C.L., Carbon monoxide transport in an enclosed room with sources from a water heater in the adjacent balcony, Building and Environment, 4З (2008) 86187G.
28. Czerski G., Ocena zagrozen zatruc tlenkiem w^gla uzytkowników urzqdzen gazowych w oparciu o bilans masowy pomieszczenia, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr 11 (2005) 2-4.
29. Czerski G., Ocena oraz sposoby eliminacji zagrozen zatruc tlenkiem wqgla, Rynek Instalacyjny, nr З (2006) 70-7З.
3G. Czerski G., Strugala A., Gebhardt Z, Urzqdzenia gazowe z zamkni^tq komorq spalania do przygotowania c.w.u. - wy-magania i metody badan, Gaz, Woda, Technika Sanitarna, nr 10 (2007) 14-18.
31. Czerski G., Bezpieczne i efektywne wytwarzania cieplej wody uzytkowej przy pomocy urzqdzen gazowych, Polski Instalator, nr 10 (2012) З8-4З.
32. Czerski G., Gebhardt Z., Strugala A., Butrymowicz Cz., Gas-fired instantaneous water heaters with combustion chamber sealed with respect to the room in multi-storey residential buildings - Results of pilot plants test, Energy and Buildings 57 (201З) 2З7-244.
dr inz. Grzegorz CZERSKI - absolwent Wydzialu Paliw i Energii Akademii Górniczo-Hutniczej im. St. Staszi-ca w Krakowie. Od 2002 r. jest pracownikiem naukowo-dydaktycznym Wydzialu Energetyki i Paliw AGH, obec-nie na stanowisku adiunkta. Zajmuje siç tematykq doty-czqcq technologii paliw, ze szczególnym uwzglçdnieniem zgazowania i odgazowania paliw, a takze zagadnienia-mi dotyczqcymi bezpieczenstwa uzytkowników urzqdzen gazowych w pomieszczeniach mieszkalnych.
