CC BY
207
благоприятная среда жизнедеятельности человека
Системы вентиляции гражданских зданий. Проблемы и новые способы их решения
К.С. Шагинян, А.Ю. Окунев
Системы обеспечения микроклимата в помещениях служат созданию комфортных условий для человека и для реализации различных технологических процессов, требующих определенной воздушной среды, характеризуемой совокупностью химического состава воздуха, влажностного, теплового и др. режимов.
Основными условиями нормальной жизнедеятельности человека является определенная состояние окружающей среды, и в первую очередь, воздуха. Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, состоящую в основном из азота, кислорода и водяных паров. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,95% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю остальных газов содержащихся в атмосфере (водород, гелий, неон, криптон и др.) приходиться около 0,01 %[ 1,2].
По степени важности состав воздуха является приоритетным даже относительно состава пищи. Следует отметить, что потребности человека в питании составляет около 3 кг в сутки, а воздуха около 15 кг, в том числе 15 литров кислорода в час. В тоже время человек выделяет в час 18—36 л двуокиси углерода, 45-400 г влаги, 300-1000 кДж тепла [1,2].
Накопление выделений различного вида и изменения температуры сильно сказывается на самочувствии людей. Так, при увеличении температуры окружающей среды с 20 до 36°С производительность работы человека снижается в 5 раз [1]. Особенно это проявляется в городах, где сосредоточены крупные промышленные предприятия, воздух загрязнен отходами производства, выхлопными газами автомобилей, пылью и т.д. Частицы пыли поглощают водяной пар, вследствие чего уменьшается прозрачность воздуха, увеличивается число пасмурных дней, ухудшается проходимость солнечных лучей, необходимых для нормальной жизни на земле. Для реализации технологических процессов во многих отраслях промышленности также необходима реализация строго определенной воздушной среды [1,2,3].
Реализация на практике технологического процесса, требующего строго определенного состава воздушной среды, как правило, происходит в «чистых помещениях».
Понятие чистого помещения согласно стандар-
ту ISO 14644-1, разработанному Международной Организацией Стандартизации (ISO), чистые помещения (cleanroom) — это помещения, в которых контролируется счетная концентрация аэрозольных частиц и которое построено и используется так, чтобы свести к минимуму поступления, генерацию и накопление частиц внутри помещения, и в котором, при необходимости, контролируются другие параметры, например, температура, влажность и давление [4].
Область применения чистых помещений весьма разнообразна. Вот лишь краткий перечень промышленных производств использующих чистые помещения [4]:
— электроника (микросхемы);
— микромеханика (гироскопы, миниатюрные подшипники, считывающие устройства для компакт-дисков);
— оптика (линзы, лазерное оборудование);
— биотехнология (производство антибиотиков, генная инженерия);
— медицинское оборудование (сердечные клапаны).
Основными нормируемыми параметрами воздуха в помещении является: температура, влажность, скорость движения, газовый состав, наличие механических частиц пыли.
Традиционные методы создания оптимального состава воздушной среды в помещении основаны на удалении образовавшихся тепло-, газо- и влаго-избытков , пыли и добавлении необходимого количества свежего воздуха с предварительной его подготовкой (охлаждение или нагрев, осушка или увлажнение, фильтрация и др.). Эти процессы обеспечиваются с помощью системы кондиционирования и вентиляции (СКВ) [1,2].
Вентиляция (от лат. Ventilation — проветривание) — организованный воздухообмен, предназначенный для создания благоприятного для здоровья и комфортного самочувствия человека воздушной среды, а также отвечающей требованиям различных технологических процессов, сохранения оборудования, материалов, продуктов и др. [1].
Кондиционирование воздуха — создание и автоматическое подержание в закрытых помещениях температуры, влажности, чистоты, состава, скорости движения воздуха, которые являются наиболее
благоприятная среда жизнедеятельности человека
благоприятными для самочувствия людей (комфортное кондиционирование) или ведения технологического процесса, работы оборудования и приборов (технологическое кондиционирование) [1].
Разработаны и внедрены санитарно-гигиенические требования, согласно которым наиболее благоприятные значение температуры в общественных, административно-бытовых помещениях должно находиться в интервале 20—22°С. Допустимые колебания в теплый период года — от 20 до 28°С, в холодный или переходный периоды — от 18 до 22°С. Относительная влажность считается оптимальной в диапазоне от 30 до 60% (отн.) в теплый период года, и 30—45% (отн.) в холодный и переходные периоды. Верхняя допустимая граница влажности — 65% (отн.) [1,3].
Для достижения требований изложенных в санитарно-гигиенических нормативах, необходимо в помещении организовать движение воздушной среды. Однако чрезмерное увеличение скорости движения воздушной среды недопустимо из—за возникающего чувства дискомфорта, сквозняки и простудные заболевания. При температуре воздуха 20—25°С допустимой скоростью движения воздуха является 0,2—0,3 м/с — для легких работ, 0,4—0,5 м/с для работ средней тяжести и 0,6 м/с — для тяжелых видов работ [1,3].
Нормативной классификации СКВ не существует, но на практике и в технической литературе сложились определенная терминология, которой мы будет придерживаться [1,3,5].
Условное деление происходит следующим образом:
— в зависимости от способа организации система вентиляции подразделяется на естественную и искусственную (с механическим побуждением).
— по назначению — на приточную, вытяжную и смешанную.
— по зоне обслуживания — на общеобменные и местные.
— По конструктивному использованию — на канальные и бесканальные.
Воздухообмен при естественной вентиляции (аэрации) происходит за счет разности плотностей внутреннего и наружного воздуха или за счет разности температур воздуха внутри помещения и наружного. В системах с естественной вентиляцией, в которых перемещения воздушных масс происходит за счет разности давлений воздушного столба, минимальный перепад по высоте между уровнем забора воздуха из помещения и его выбросом через дефлектор должна быть не менее 3 метров [1,5].
Аэрацию применяют в случаях, если концентрация пыли и вредных газов в приточном воздухе не превышает 30% от предельно допустимой в рабо-
чей зоне. Если требуется предварительная обработка приточного воздуха, аэрацию не используют [1].
В системах с механическим побуждением используется оборудование, позволяющее перемещать воздух на нужные расстояния. При необходимость, воздух подвергается различным видам обработки: очистке, нагреванию, охлаждения, увлажнению, осушке. Системы с механическим побуждением можно разделить на местную и общеобменную [1,3,5].
Местная вентиляция обеспечивает воздухообмен только в рабочей зоне, а общеобменная — во всем помещении.
Современные здания и сооружения представляют собой сложные инженерные сооружения, характеризуемые наличием одноуровневых по высоте и многоуровневых помещений, многослойных ограждающих конструкций, устройств облицовки с воздушными зазорами (вентилируемые фасады), проемов и шахт для установки инженерных коммуникаций и др. При этом очень важное значение имеет решение задач, связанных с теплозащитой и организацией воздухообмена в помещениях и конструктивных элементах [5,6].
Строительные материалы, использующиеся в настоящее время, характеризуются повышенной способностью к выделению вредных веществ (фенола, формальдегида, радон и др.). В жилых, рабочих, офисных и других помещениях воздухообмен является главным фактором, определяющим микроклиматические условия. Под воздухообменом понимают возмещение удаляемого из помещения загрязненного воздуха чистым наружным [5]. В производственных и складских помещениях задачей воздухообмена также является удаление вредных веществ, выделяемых в производственных циклах и при хранении продукции, и поддержание влаж-ностного режима.
Особо важна роль воздухообмена для помещений, где постоянно присутствуют люди. Человек выдыхает воздух с содержанием около 16% (об.) кислорода, 4% (об.) углекислого газа и около 6% (об.) паров воды. При этом нормальный объем легочной вентиляции человека составляет 10 л/мин. Таким образом, задача воздухообмена сводится к удалению выдыхаемых человеком около 20 нл/ч (нл — количество вещества газа, который занимает объем один литр при нормальных условиях: 0°С, 101,3 кПа) углекислого газа, 35—40 нл/ч и более (имеются также кожные выделения воды) паров воды и вторичных примесей (в основном органических соединений) при одновременном добавлению около 25—30 нл/ч кислорода. Для относительно комфортной жизнедеятельности необходимо,
благоприятная среда жизнедеятельности человека
чтобы концентрация углекислого газа в воздухе не превышала 0,5-0,7% (об.) [1,5].
Базовыми критериями комфортной дыхательной атмосферы являются следующие [1]:
— содержание кислорода в пределах 20-22% (об.);
— влажность — 35-65% (отн.);
— углекислый газ в интервале 0,03-0,1% (об.);
Благоприятный состав воздушной среды характеризуется не только по содержанию кислорода, двуокиси углерода и паров воды. Необходимо также учитывать содержание различных токсичных примесей воздуха в помещении. Загрязнение воздуха определяется по значениям концентраций различных примесей (мг/м3), в той или иной мере присутствующих в воздухе. Степень загрязнения воздуха примесью оценивается при сравнении концентраций примеси с ПДК, где ПДК — предельно допустимая концентрация, установленная Минздравом России. Для оценки качества воздуха используются два показателя: стандартный индекс (СИ) и наибольшая повторяемость превышения ПДК (НП). Стандартный индекс определяется как наибольшая измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК. Она определяется из данных наблюдений на посту за одной примесью или на всех постах района за всеми примесями за месяц, или год [7].
Состав атмосферы, как по основным компонентам, так и малым токсичным примесям в традиционных системах напрямую зависит от интенсивности вентиляции.
В настоящее время также применяется несколько способов нормализации атмосфер, в которых кроме воздухообмена могут быть использованы дополнительные технические приемы. Сюда относятся химическая очистка воздуха и создание специальных дыхательных атмосфер за счет использования искусственно приготовленных газовых смесей и их компонентов в замкнутых помещениях (например, в помещениях медицинского назначения). Во многих случаях регулирование влажности производится за счет испарения или конденсации воды и др.
Особенности вентиляционных систем. Задачи, решаемые вентиляционными системами, и возникающие при этом проблемы, нагляднее всего рассмотреть на примере вентиляции жилых зданий. Регуляцию атмосферы можно свести к удалению углекислого газа и паров воды, выделяемых в процессе биологической активности людей, находящихся в помещении, и добавлению кислорода в том количестве, что потребляют люди. При этом качество внутреннего воздуха также постоянно меняется за счет хозяйственной деятельности (приготовление
пищи, стирка и др.). На качество воздуха также влияют независящие от присутствия человека факторы, такие, как эмиссия радона, вредных газов (в т.ч. фенола и формальдегида) из строительных, отделочных материалов и предметов интерьера.
Как отмечалось выше, существующие нормативы устанавливают следующие критерии для параметров вентилирования: Подвижность воздуха должна быть в пределах 0,1-0,2 м/с [1,5,8]. Кратность воздухообмена должна быть в пределах 0,5 час-1 для жилых комнат, 3,0 час-1 для кухонь, 1,5 час-1 для ванных комнат и 25 м3/час для туалетов [8]. Необходимо учитывать, что на человека санитарными нормами предусмотрено 30-40 м3/час/чел. [5,8]. Обобщенным показателем является то, что вентиляция в квартире должна обеспечивать воздухообмен от 100 и более м3/час.
Т.к. в подсобных помещениях воздухообмен происходит между комнатой и данным подсобным помещением, т.е. в воздухообмене не фигурирует чистый внешний воздух, то необходимо ввести некое уточнение. Необходимо разделять воздухообмен внешний (первичный) и внутренний (вторичный). Под внешним понимается прямой воздухообмен между внешним воздухом и помещениями. Внутренний воздухообмен происходит между помещениями, например между жилой комнатой и подсобными помещениями.
Следует отметить, что скорость потока воздуха связана не только с интенсивностью воздухообмена (внешней или внутренней), а также может быть обусловлено циркуляцией потоков воздуха в помещении, или их группе, в основном за счет обогрева/охлаждения.
Как уже отмечалось выше, системы вентиляции разделяются на естественные и принудительные. Рассмотрим эффективность работы системы естественной вентиляции зданий на примере типичной двухкомнатной квартиры девятиэтажного дома, площадь которой составляет 54 м2, жилая — 33м2, а объем — 145 м3. Согласно СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные» необходимый воздухообмен в нерабочем режиме (в отсутствие людей) в квартире составит 53 м3/час, в рабочем режиме 260 м3/час. По результатам проведенных исследований [8] в рабочем режиме приток воздуха составил 50 м3/ч, что более чем в 5 раз меньше необходимого.
К недостаткам естественной вентиляции следует так же отнести неспособность фильтровать воздух, поступающий в помещение, данный недостаток весьма существенен, т.к. современный городской атмосферный воздух сильно загрязнен различными вредными веществами. Основными источ-
благоприятная среда жизнедеятельности человека
никами загрязнения является автомобильный транспорт и промышленные предприятия. В воздухе населенных пунктов содержатся оксиды азота, свинец, сернистый ангидрид, углеводороды, окись углерода, фенол и др. При использовании вентиляции все эти вещества проникают в жилые помещения. Следует отметить, что концентрация данных компонент в помещениях, как правило, превышают их значения в окружающем воздухе [5,7,8].
Системы с естественной вентиляцией просты, и не требуют сложного дорогостоящего оборудования и эксплуатационных затрат. Однако зависимость эффективности данного вида систем вентиляции от внешних факторов (температуры внешнего воздуха, направления и скорости ветра), а также небольшое давление не позволяет решать с их помощью все актуальные задачи вентиляции [2,3].
Таким образом, все вышеизложенное наглядно демонстрирует, что система приточно-вытяжной вентиляции с естественным побуждением не решает двух основных задач создания благоприятного комфортного микроклимата в помещениях, а именно приток наружного воздуха является нерегулируемым и не происходит его предварительная обработка (фильтрация, увлажнение, осушка и т.д.). [5,8].
На фоне системы вентиляции с естественным побуждение система вентиляции с механическим побуждением обладает несомненным преимуществом, а именно возможность регулирования притока воздуха, например, включать вентиляцию по мере необходимости. Кроме того, в зданиях оснащенных системой вентиляции с механическим побуждением существует возможность отчистки воздуха, на входе в системы вентиляции обычно предусматривается система фильтров, улавливающих пыль, пух и другие частицы, данная возможность особенно востребована в помещениях, где постоянно прибывают люди [2,3].
Главным общим недостатком традиционных систем вентиляции является то, что они основаны на принципе замены отработанного воздуха в вентилируемом объеме на внешний атмосферный воздух. Отсюда вытекает высокая требуемая кратность воздухообмена, влекущая высокие энергозатраты и приток из атмосферного воздуха вредных примесей. При этом практически отсутствует возможность регулировки влажности. Например, если речь идет о внутренних помещениях, то в зимнее время наружный атмосферный воздух обладает низким влагосодержанием и его приток в помещение приводит к осушению. Аналогично, в летнее время работа вентиляции приводит к чрезмерному увлажнению воздуха в помещении. Другими словами, для поддержания комфортной атмосферы возникает
необходимость использования средств регулировки влажности [3,5,7].
Альтернативные способы решения задач кондиционирования воздуха. Как уже отмечалось, задачей воздухообмена и вентиляции является создание и подержание состава воздушной среды с целью комфортного пребывания в помещениях людей и реализации технологического процесса. В помещениях осуществляется замена воздуха на внешний атмосферный воздух и нормализация концентрации кислорода и углекислого газа, а также удаление из помещения газовых примесей, образующихся за счет жизнедеятельности человека. При этом основным фактором, определяющим недостатки вентиляции, является высокая кратность воздухообмена, которая приводит к энергетическим потерям и загрязнению помещения внешними газовыми примесями.
Уделим особое внимание поддержанию комфортной влажности в помещении.
Влажность влияет на тепловой обмен и потоотделение. Влажный воздух размягчает кожу и увлажняет тело. Особенно чувствительны к высокой влажности больные гипертонической болезнью и атеросклерозом. В большинстве случаев обострение заболеваний сердечно-сосудистой системы возникает при высокой относительной влажности (80— 95%). У многих людей дождливые дни накладывают отпечаток даже на внешний вид, нередко лицо становится бледным. При резком изменении температуры возникают вспышки острых респираторных инфекционных заболеваний [7].
Влияние влажности на организм человека неразрывно связано с температурой воздуха. Большая влажность воздуха усиливает неблагоприятное воздействие как высоких, так и низких температур. При температуре воздуха выше 25°С большая влажность способствует перегреванию организма вследствие затруднения отдачи тепла путем испарения воды с поверхности кожи. Даже при отсутствии видимого потоотделения (при 15—20°С) человек теряет через кожу около 0,4—0,6 л воды в сутки и с выдыхаемым воздухом 0,3—0,4 л. В результате перегревания наблюдаются ухудшение самочувствия, ощущение тяжести и духоты, понижается работоспособность и т.д. [1,7,9].
Нормальная относительная влажность в жилых помещениях в зависимости от температуры колеблется от 30 до 60%. При температуре воздуха 16— 20°С для людей, находящихся в покое, нормальная влажность составляет 40—60%; при температуре выше 20 °С или ниже 15°С, а также при физической работе она не должна превышать 30—40% [1,9].
благоприятная среда жизнедеятельности человека
Для поддержания нормальной влажности воздуха в помещениях необходимо соблюдать нормы вентиляции, площади и объема, изолировать стены зданий от грунтовой воды, не производить в комнатах какие-либо работы, увеличивающие сырость (приготовление пищи, стирка белья и т.д.). Продолжительное пребывание людей в сырых, плохо отапливаемых помещениях понижает сопротивляемость организма к простудным и инфекционным заболеваниям, а также к ревматизму, туберкулезу и заболеваниям почек [7,10,11].
Для регулировки влажности на сегодняшний день применяют следующий метод. Метод заключается в первоначальной осушке воздуха, последующем его увлажнении до требуемой величины.
На практике используются множество способов осушки воздуха. Вот лишь краткий перечень наиболее часто применяемых способов:
1. Конденсация при охлаждении [12]. Суть метода заключается в конденсации влаги из воздуха при его охлаждении за счет снижения влагоемкос-ти. При этом, нагрев системы за счет конденсации нужно компенсировать дополнительным отводом тепла, которое называют скрытым теплом. Данный способ прост в исполнении и позволяет, как охладить воздух, так и снизить влажность. В системах регулировки влажности способ используется в совокупности с последующим нагревом воздуха и его увлажнением до требуемого уровня. Однако способ является весьма энергоемким.
2. Адсорбция. В данном случае удаление паров воды осуществляется за счет специальных поглощающих веществ — адсорбентов. Адсорбенты обладают ограниченной емкостью по парам воды, поэтому возникает необходимость периодической регенерации и осуществления режима работы в циклах [12,13]. При этом, эффективность адсорбционных систем (по перерабатываемым расходам газа) тем выше, чем ниже температура воздуха, так как снижается влагоемкость воздуха. Аппараты, реализующие процесс адсорбционной осушки воздуха являются довольно сложными и применяются для осушки не отапливаемых складских и производственных и других технологических помещений.
3. Абсорбция. Отличие данного метода от адсорбционного заключается в том, что поглощение паров воды осуществляется в непрерывном цикле в жидкости, которая циркулирует между абсорбером и десорбером. В последнем происходит регенерация жидкости и выделение паров в газообразном виде. Такие системы являются малоэнергоемкими, но требуют высокой квалификации персонала, довольно сложны в работе и масштабировании. Метод применяется преимущественно в промыш-
ленности и позволяет достигать высоких степеней осушки газа [14,15].
4. Мембранная осушка воздуха. Суть метода заключается в том, что проникание паров воды через тонкий слой непористой мембраны происходит значительной лучше, чем других газов, в частности азота и кислорода. Мембранные осушители делают двух типов, в первом воздух, прошедший через модуль, обедненный, по проникшем через мембрану парам воды и кислороду, используется в технологических объектах, например в кабельных тоннелях, в сушильных камерах и др. Во втором случае воздух, обогащенный парами воды и другими компонентами подается на осушитель кон-денсатроного типа, компремируется и после этого подается на вход мембранного модуля. Такой подход позволяет, относительно легко, получать высокую степень осушки. Основными недостатками мембранного метода осушки воздуха являются требуемые относительно большие площади мембран, а также необходимость использования компрессора, который является шумным и наиболее ненадежным узлом системы. Данные недостатки устраняются в случае мембранно-абсорб-ционной осушки воздуха [15].
Как сказано выше увлажнение воздуха является необходимым компонентом в системах регулирования влажности, использующих предварительную осушку. Увлажнение воздуха приобретает большую актуальность и является самостоятельной задачей кондиционирования в холодное время года. Зимой системы центрального отопления и другие обогревательные приборы приводят к пересушиванию воздуха до влажности 20%(отн.) и ниже. Чрезмерно осушенный воздух в помещениях вызывает усиленное испарение влаги с кожи и из организма человека и домашних животных, комнатных растений и пересушиванию предметов интерьера и отелочных материалов.
Среди существующих различных способов увлажнения воздуха [9-11] можно выделить следующие:
1. Традиционные увлажнители. В данном методе вентилятор прогоняет воздух через влажный фильтр (увлажняющий картридж) или через постоянно смачиваемые пластины барабана, в результате чего воздух незначительно остывает (при испарении вода поглощает тепло) и увлажняется. Производительность таких увлажнителей сильно зависит от влажности воздуха в помещении — чем она выше, тем эффективность увлажнителя ниже. Таким образом, влажность воздуха автоматически поддерживается на оптимальном уровне.
2. Паровые увлажнители. Паровые увлажните-
благоприятная среда жизнедеятельности человека
ли по принципу действия похожи на электрические чайники. Для интенсивного испарения вода в них доводится до кипения. Паровые увлажнители должны обязательно иметь гигростат (датчик влажности воздуха) и отключающий прибор при достижении заданной влажности, иначе влажность воздуха в помещении может существенно превысить оптимальный уровень. Один из недостатков паровых увлажнителей является значительная потребляемая мощность. Их производительность составляет 7—16 л в сутки при потребляемой мощности 300—600 Вт.
3. Ультразвуковые увлажнители. Ультразвуковые увлажнители — наиболее эффективные из существующих увлажнителей воздуха. Пар в таких увлажнителях создается за счет колебаний высокой частоты при помощи ультразвуковой мембраны. На погруженный в воду пьезоэлектрический кристалл подается высокочастотное (ультразвуковой частоты) напряжение, преобразуемое в механическую вибрацию. В водяном слое образуются чередующиеся между собой области повышенного и пониженного давления. В областях пониженного давления происходит вскипание жидкости при обычной комнатной температуре (кавитация) с выбросом в воздух мелкодисперсных частиц. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, подает водяное облако в помещение, где она переходит в парообразное состояние. Ультразвуковые увлажнители имеют значительные преимущества перед другими типами:
— точный контроль влажности (только в случае оборудования гигростатом);
— возможность увеличить влажность практически до 100%, что, в некоторых случаях, бывает необходимо;
— нормальная температура выходящего пара (не более 40 °С).
Производительность бытовых ультразвуковых увлажнителей составляет 7—12 л в сутки по расходуемой воде. Потребляемая мощность 40—50 Вт.
Другим альтернативным способом регулирования влажности является мембранно-абсорбционная система поддержки влажности воздуха. Система включает два мембранных абсорбера, один расположен в уличном блоке, другой в комнатном. Блоки соединены жидкостными коммуникациями, обеспечивающими рециркуляционный режим работы системы. Система включает два теплообменника для изменения теплового рабочего режима работы абсорберов. За счет выбора тепловых режимов система может работать как в качестве осушителя, так и в качестве увлажнителя, используя влагу внешнего атмосферного воздуха. В качестве жидкого абсорбента для данной системы используются органические среды, к примеру, триэтиленгликоля, а
также концентрированных растворов гидроскопич-ных солей [13,14].
Энергопотребление системы составляет порядка 2—17Втч на м3 воздуха. Если ориентироваться на обеспечение необходимым уровнем влажности помещения объемом 60 м3 при двукратном воздухообмене в час энергопотребление системы будет составлять 240 Вт—1 кВт. При этом 1 кВт соответствует «тяжелому» режиму увлажнения комнаты за счет использования паров воды из уличного атмосферного воздуха. Самую существенную часть энергопотребления в данном режиме составляют затраты на перекачку воздуха, которые могут быть уменьшены за счет увеличения пропускной способности модуля в уличном блоке.
Для сравнения, можно привести следующий пример. Система осушения воздуха производительностью 1000 м3/ч для снижения влажности воздуха с 80% (отн.) до 50% (отн.) при температуре 20°C требует охлаждение воздуха мощностью около 2,5 кВт, 3,4 кВт скрытого тепла, итого 5,9 кВт, что не сильно ниже характеристики рассчитанной мемб-ранно-абсорбционной системы. При этом энергопотребление системы, основанной на конденсации, при охлаждении не зависит от условий окружающей среды, и не позволяет проводить увлажнение воздуха в зимнее время.
Новые решения систем кондиционирования воздуха. Как уже было отмечено, перед системой кондиционирования стоит целый круг задач: подержание определенного состава воздушной среды, регулирование температуры и влажности и т.д. Одной из основных среди которых является поддержания комфортного состава дыхательной атмосферы.
В последнее время появились новые разработки, которые частично решают проблему эффективного кондиционирования воздуха. Японская корпорация DAIKIN впервые в мировой практике объединила в новой инверторной климатической системе Exclusive более полный цикл обработки воздуха в помещении: нагрев или охлаждение, увлажнение или осушку, очистку, вентиляцию, обогащение кислородом, насыщение аэронами и витаминизацию [15]. Внешний атмосферный воздух подвергается очистке на фильтрах механической очистки, проходит стадию регулирования влажности и подается на внутренний блок кондиционера. Регулирование влажности производится первоначальной отдачей ее части в фильтрующем элементе и последующему необходимому увлажнению за счет подогрева.
Данный способ позволяет решить две задачи: достижение требуемой влажности и подачу в ра-
благоприятная среда жизнедеятельности человека
бочее пространство (помещение) кислорода в составе подаваемого на внутренний блок атмосферного воздуха. Недостатком данного способа является невозможность активного удаления углекислого газа из рабочего пространства. Для этого необходимо подавать внешний атмосферный воздух в тех же количествах, как и при обычной вентиляции. Т.е кратность воздухообмена и связанные с ней энергопотери, а также приток внешних токсичных газов не уменьшаются.
Компанией «Оксилайн» в настоящее время продвигается на рынке технология PSA (процесс адсорбции переменного давления или, в отечественной терминологии, процесс короткоцикловой адсорбции КЦА). В процессе PSA используется синтетический цеолит, который при высоком давлении адсорбирует азот и примеси, содержащиеся в воздухе. Обогащенный кислородом воздух подается в помещение. Концентрация кислорода может достигать 93— 95%. Для реализации технологии необходимо использовать две попеременно переключаемых колонны с адсорбентом. В одной из них под высоким давлением реализуется сорбция азота и примесей, а во второй — десорбция при низком давлении.
Компанией «Оксилайн» на базе данной технологии разработана обширная область применения своей продукции, показывающая насколько актуальна и востребована продукция, направленная на решение задач подобного рода и соответственно дальнейшее развитей этого направления:
— Бытовое использование: повышение уровня кислорода в жилых и производственных помещениях; офисы, гостиницы, спортивные залы, бани и сауны и т. д.; для увеличения умственной и физической активности
— автомобильное использование: в машине, автобусе, грузовике и поезде; «скорая помощь», для транспортировки живой рыбы.
— медицинское применение: для пациентов с дыхательной недостаточностью; кислородоснабже-ние госпиталей и больниц; санатории и реабилитационные учреждения; оксибарокамеры; для изготовления кислородных коктейлей.
— индустрия: сельское хозяйство; строительство и машиностроение; металлургия и горнодобывающая промышленность; нефтедобыча и энергетика; военная технике и т.д.
Тем не менее, технология самостоятельно не способна решить весь комплекс задач кондиционирования помещений. Избыток углекислого газа и вредных газовых примесей можно удалить из помещения опять же только за счет вентиляции с высокой кратностью воздухообмена [15].
Наиболее эффективными и экономически выгод-
ным способом решения полного комплекса задач создания и подержания параметров воздушной среды, является использование современных разделительных технологий, основанных на селективных свойствах мембранных систем [16-18]. Особое место занимает использование мембранных технологий в задачах покомпонентного разделения атмосферного воздуха. За счет различной проницаемости через мембраны из воздуха может быть получен обогащенный азот (до 99% и более), воздух, обогащенный кислородом (30-50%) и практически сухая газовая среда (точка росы до -60 0С и ниже).
Одним из направлений использования мембранных технологий является организация процессов газопереноса в мембранно-жидкостных системах (в т.н. мембранно-абсорбционных контакторных устройствах) [19]. Мембранные контакторные устройства используются в задачах газоразделения, например, выделение двуокиси углерода из дымовых газов, или для осушки газов [20].
Сравнительный анализ различных методов создания и поддержания требуемых атмосфер и воздухообмена показывает, что наиболее универсальным и экономически выгодным методом может оказаться метод мембранного газоразделения. Метод позволяет одновременно регулировать состав газовой атмосферы по таким компонентам, как углекислый газ, кислород, водяные пары, различные газовые примеси. Реализация метода может заметно сократить кратность воздухообмена с атмосферным воздухом [21].
Однако в настоящее время применительно к задачам создания искусственных атмосфер использование мембранных технологий не имеет достаточной теоретической базы. Имеются отдельные разработки по использованию мембранных систем для снабжения помещений кислородом и по регулированию влажности. Возможности мембранных методов гораздо шире и, в принципе, позволяют комплексно решить всю задачу. Поэтому в настоящее время обобщенные и детальные представления о процессах, протекающих в мембранных газоразделительных системах применительно к специфике создаваемых искусственных атмосфер, требуют проведения дополнительных исследований.
Литература
1. Нимич Г.В., Михайлов В.А., Бондарь Е.С. Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха. «ИВИК».2003.
2. Кокорин О.Я., Ставицкий Л.И., Кронфельд Я.Г. Кондиционирование воздуха в многоэтажных зданиях. Москва. Стройиздат. 1981.
благоприятная среда жизнедеятельности человека
3. Егиазаров А.Г. Устройства и изготовление вентиляционных систем. Высшая школа. 1987.
4. Уайт В. Технология чистых помещений. «Клин-рум». Москва. 2002.
5. И.Ф. Ливчак, А.Л. Наумов. Вентиляция многоэтажных зданий // М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. -136 с.
6. В.В. Холщевников, А.В. Луков. Климат местности и микроклимат помещений, 2001
7. Оле Фангер П. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате // АВОК, 2006, №2.
8. Сайфутдинова А.М., Куприянов В.Н. Особенности естественного воздухообмена жилых помещений / / ACADEMIA. архитектура и строительство, №5, 2009, стр.319-325.
9. Беккер А. Система вентиляции. — М.: Техносфера, Евроклимат. 2005.
10. Третьяков А. Сырость и меры борьбы против нее в жилищах // Инж. журнал. 1916. №4. С. 311-347; № 5. С. 415-460.
11. J.F. Straube. «Влага в зданиях». АВОК, 2002,
№6.
12. A. Okunev, V. Usachov, N. Laguntsov, V. Teplyakov, S. Glukhov. Experimental Study of the Membrane Contactor Systems for Gas Dehumidification // Ars Separatoria Acta, №2, 2003, pp. 36-46.
13. Usachov V.V., Laguntsov N.I., Okunev A.Y., Teplyakov V.V., Glukhov S.D. Experimental study of the membrane contactor systems for gas dehumidification / / Ars Separatoria Acta. Poland. -
2003. — №2. — P. 36-47.
14. А.Ю. Окунев. Перспективы применения мембранных технологий при эксплуатации зданий // Academia архитектура и строительство, 2009, №5, 476-479.
15. Система эксклюзивного климата от DAIKIN // Мир климата, 2004, № 25, с. 24-28.
16. Hwang S.—T. and Kammermyer K. Membranes in Separations / / New York: John Wiley & Sons, 1975.
17. М. Мулдер. Введение в мембранную технологию / / М.: Мир , 1999, Пер. с англ. M. Mulder Basic Principles of Membrane Technology / / Kluwer, Dordrecht, 1991.
18. А.Ю. Окунев. Перспективы применения мембранных технологий при эксплуатации зданий // Academia архитектура и строительство, 2009, №5, 476-479.
19. Teplyakov V.V, Gassanova L.G., Okunev A.Yu., Shalygin M.G., Usachov V.V., Laguntsov, N.I. Gas/Vapour Separation Contactors Based on Non-porous Membranes: Experience and Application Potential // «Euromembrane 2004», 28 Sept. - 1 Oct.,
2004, Hamburg, Germany, Book of Abstracts p.189.
20. Laguntsov N., Okunev A., Levin E. Numerical Simulation of Mass-Transfer Process in Membrane Contactor for Gas/Vapor Separation // «Euromembrane 2004», 28 Sept. - 1 Oct., 2004, Hamburg, Germany, Book of Abstracts p.184
21. Заявка № 2009146341 на патент «Способ создания дыхательных атмосфер» приоритет от 15.12.2009 г.
Системы вентиляции гражданских зданий. Проблемы и новые способы их решения
Рассмотрены основные параметры воздушной среды (состав воздушной среды, скорость движения воздуха, влажность) для создания комфортного микроклимата в помещении. Представлены достоинства и недостатки традиционных методов вентиляции помещений — вентиляция с естественным побуждением, и вентиляция механическим побуждением. Исследованы альтернативные способы создания комфортной воздушной среды в помещении. Показана качественная эффективность применения систем вентиляции с использованием мембранных газоразделительных технологий. Работа направлена на дальнейшее изучения мембранных разделительных технологий применительно к вопросам строительной физики.
The building ventilation systems. Problems and new ways to solve them by K.S.Shaginyan, A.Y.Okunev
The basic parameters of air environment (air composition, air speed, humidity) for create a comfortable micro climate in buildings are considered. Were presented the advantages and disadvantages of traditional methods for building ventilation - natural ventilation, and forced ventilation. The alternative ways for creating a comfortable atmosphere in the buildings were investigated. The qualitative efficiency of ventilation systems with membrane gas-separation technologies has been shown. The work aims are to further study the membrane separation technologies with physics of civil engineering.
Ключевые слова: ^стема вентиляции , комфортный микроклимат, кондиционирование воздуха, параметры микроклимата , мембрана, разделительные технологии.
Key words: Ventilation system, comfortable microclimate, air-conditioning, air-conditioning, microclimate parameters, membrane, separation technology
