Эколого-химические и аналитические проблемы закрытых помещений

Минимально-необходимые расчеты кратности воздухообмена, количеств подаваемого и отводимого воздуха для помещений разного назначения приведены в нижеследующей таблице.

При этом следует учитывать, что нормы, указанные в таблице, минимальные, при их соблюдении не всегда может обеспечиваться достаточная эвакуация химических загрязнений воздуха помещений, поэтому определение необходимого объема воздухоподачи следует проводить дифференцированно для жилых и различных общественных зданий с учетом насыщенности их полимерными материалами, объема помещений, количества находящегося в них людей и времени их пребывания в данном помещении.

Внутренняя воздушная среда жилых зданий зависит как от качества окружающей среды, так и от работы ограждающих конструкций и инженерных устройств зданий. С гигиенической точки зрения важно отметить, что по сравнению с наружной средой практически все параметры внутренней среды обитания вследствие работы ото-пительно-вентиляционных систем и ограждающих конструкций претерпевают определенные изменения, причем часть изменений носит позитивный характер (создаются благоприятные микроклиматические параметры вне зависимости от наружных метеорологических условий), оказывая благоприятное воздействие на организм, а часть может носить негативный характер (если, например, будет допускаться денатурация первичного атмосферного воздуха -- потеря первичных качеств, или загрязнение воздуха помещений). Наиболее выраженное и в то же время регулируемое воздействие на состояние внутренней среды помещений оказывают инженерные системы. Рассмотрим в гигиеническом аспекте степень обеспечения ими условий воздушного комфорта применительно к жилым зданиям.

Следует отметить, что жалобы человека на духоту, «нехватку кислорода» отмечаются нередко как в помещениях с недостаточным естественным воздухообменом, так и в помещениях, оснащенных разными системами вентиляции, включая системы кондиционирования воздуха. При анализе причин ощущения несвежести воздуха закрытых помещений возникает вопрос, каким должно быть воздухообеспечение, чтобы было обеспечено оптимальное самочувствие человека в помещениях.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что хотя проблема определения критериев количественной характеристики потребности человека в качественном воздухе для закрытых помещений и была поставлена уже свыше 100 лет тому назад, однако, несмотря на большой прогресс в исследованиях процессов обмена человека с окружающей средой до сих пор отсутствуют полные объективные данные, на основании которых можно считать, что здесь не осталось нерешенных вопросов.

Такое положение, в частности, проявляется и в том, что на сегодня имеются противоречивые высказывания о пользе для человека систем кондиционирования воздуха.

Анализируя опыт применения кондиционирования воздуха в зданиях США, можно отметить, что в июле-августе, когда атмосферный воздух особенно жарок и влажен, работоспособность в кондиционируемых помещениях повышается в 2--3 раза и расходы на установку кондиционирующей аппаратуры компенсируются увеличением производительности труда.

Наблюдения административной службы по надзору за правительственными зданиями США показали, что благодаря применению кондиционирования воздуха производительность труда увеличилась на 9,5%, брак снизился на 0,9% и на 2,5% уменьшилось количество лиц, не вышедших на работу.

В настоящее время считается, что устройство кондиционирования экономически оправдывается увеличением производительности труда рабочих и обслуживающего персонала в больницах на 2,8 -- 4,7%, в промышленных зданиях -- на 1,5 -- 1,6%, в административных зданиях -- на 0,85 -- 1,9%.

Однако наряду с положительными оценками систем кондиционирования воздуха имеются и отрицательные; в частности, люди жалуются на неприятные субъективные ощущения даже в тех случаях, когда воздух в помещении казалось бы соответствовал условиям комфорта.

Следует отметить, что в науке проблема обеспечения воздушного комфорта человека в закрытых помещениях, по сравнению с проблемой обеспечения теплового комфорта, изучена недостаточно: не определены все составляющие и критерии воздушного комфорта, не установлены окончательные причины воздушного дискомфорта, нередко испытываемые человеком в закрытых помещениях. В последние годы в научной литературе все чаще высказывается критическое отношение к существующим системам кондиционирования воздушной среды, так как отмечаются жалобы на недостаток свежего воздуха, быстрое наступление утомления, головные боли у работающих в учреждениях и на предприятиях с кондиционированием воздуха (Т. Д. Боченкова, Н. П. Кокорев, 1970; Л. А. Басаргина, 1970; Ф. Абель, 1974). Одной из причин воздушного дискомфорта в закрытых и, в частности, кондиционируемых помещениях ряд авторов видит изменение ионного режима в них по сравнению с исходным первичным атмосферным воздухом. Следует отметить, что имеющиеся литературные данные весьма разноречивы. Мы не ставили своей задачей анализ причин противоречий в имеющихся работах и ограничимся лишь систематизацией литературных данных по изучению воздействия разных ионных режимов в условиях пребывания в помещениях с регулируемым и нерегулируемым аэроионным составом.

Важно подчеркнуть, что если ионизация атмосферы и ее изменения при воздействии тех или иных факторов достаточно хорошо изучены, то состав аэроионов в помещениях, особенно при искусственной обработке и подаче воздуха, остается до последнего времени недостаточно изученным. Одними из первых по этой проблеме были наблюдения А. П. Соколова (1904), С. Р. Яглоу (1936), А. А. Минха (1936), которые показали, что в присутствии людей в замкнутых объемах происходит снижение содержания легких аэроионов, тем более интенсивное, чем больше в помещении людей и чем меньше его кубатора. Причиной убыли легких ионов является поглощение их в процессе дыхания, адсорбции поверхностями, а также превращение части легких ионов в тяжелые вследствие оседания на материальных частицах, взвешенных в воздухе. Был разработан электрический показатель чистоты воздуха -- соотношение тяжелых и легких аэроионов.

Установлено, что возрастание количества тяжелых ионов в помещениях связано с респираторным выбросом «ядер конденсации». Причем уменьшение числа легких ионов связывают с потерей воздухом освежающих свойств, с его меньшей физиологической и химической активностью, что, по мнению ряда авторов, является причиной неблагоприятного действия загрязненного комнатного воздуха. Поэтому особый интерес представляет дезионизация и искусственная ионизация воздуха помещений, в связи с широким применением в настоящее время установок для кондиционирования воздуха, в которых он претерпевает изменения при прохождении через систему калориферов, фильтров, воздуховодов и других агрегатов.

По-видимому, дезионизация воздуха небезразлична для организма, поскольку -экспериментами Ю. Г. Нефедова и др. (1966) было установлено, что при длительном пребывании людей в герметичной камере с дезионизирован-ным воздухом у испытуемых ухудшалось самочувствие.

Исследования, проведенные в натурных условиях с кондиционированием воздуха (Р. Ф. Афанасьева, 1960), показали, что в поверхностных воздухоохладителях концентрация легких отрицательных ионов практически не снижается, после фильтров и металлических воздуховодов она уменьшается на 55%, после калориферов также падает, а после форсуночной камеры резко возрастает. Наличие рециркуляции в летнее время вызывает уменьшение числа отрицательных ионов, а в зимнее время практически не влияет на их концентрацию. Присутствие людей вызывает снижение концентрации легких ионов тем больше, чем меньше кратность воздухообмена.

В. Ф. Кириллов (1962, 1964) указывает, что дезионизированный воздух, попадая в помещение, снова ионизируется вследствие распада радиоактивных элементов, содержащихся в строительных материалах ограждений. Следовательно, восстановление уровня ионизации воздуха в помещениях исключает необходимость искусственной ионизации воздуха, прошедшего через фильтры.

Анализируя имеющиеся литературные данные, следует отметить, что ионизация воздуха зданий как технико-гигиеническая проблема на сегодня не может быть признана окончательно решенной. В целом, современной наукой, несомненно установлено, что ионизация воздуха имеет важное медико-гигиеническое значение. Вместе с тем применительно к вопросам санитарной техники, в частности, вентиляции и кондиционирования воздуха, в технической литературе обычно встречаются весьма упрощенное изложение этой весьма важной проблемы. Нередко указывается, что традиционные средства кондиционирования микроклимата, используемые при строительстве жилых, общественных и производственных зданий, совершенно не в состоянии решить задачу «оживления» воздуха -- насыщения его легкими отрицательными ионами, поскольку атмосферный воздух полностью теряет легкие ионы после обработки и транспортировки приточного воздуха и поступления его в помещения, что приводит к весьма неблагоприятному воздействию на организм.

При этом исходят из предпосылки о том, что воздух, не содержащий легкие ионы, губителен для всего живого, и, напротив, в отличие от легких ионов, тяжелые ионы весьма токсичны. Более того, утверждается, что лишь легкие отрицательные ионы полезны для человека, легкие же положительные ионы оказывают только вредное воздействие. При этом декларируется, что в закрытом помещении быстро наступает денатурация воздушной среды в отношении легких ионов, в результате чего воздух помещений становится, как считают, деионизированным и опасным для процессов жизнедеятельности. В то же время установка в помещениях простейших ионизаторов воздуха будто бы полностью решает эту проблему. Это представление было, в основном, почерпнуто из неправильно понятых отдельных публикаций. В частности, в работах А. Л. Чижевского (1960) лабораторные животные, помещенные в камеру с деионизированным воздухом, через 2--3 недели заболевали и затем погибали. Исходя из этого в научно-популярной литературе затем и был сделан вывод, что без ионов организм получает в помещениях «неполноценный» кислород, который и вызывает заболевания. Однако все попытки воспроизвести эти опыты окончились неудачно, так как пребывание в камерах, снабженных деиони-зированным воздухом, не приводило к гибели животных, как это указывалось выше.

Наши собственные исследования и разработки в области ионизации воздуха позволяют утверждать, что эта проблема не так проста, как это излагается в научно-популярных и даже научно-технических журналах (Ю. Д. Губернский, 1969--1985).

Так, в частности, нами изучена ионизация воздуха в современных высотных административных зданиях, оснащенных системой кондиционирования воздуха. Первое, что следует выделить при рассмотрении полученных данных -- концентрация легких отрицательных ионов в помещении не только не уменьшилась, по сравнению с наружным атмосферным воздухом, но и возросла в 2,53 раза. Концентрация легких положительных ионов в помещении осталась на прежнем уровне по сравнению с атмосферным воздухом. Важно подчеркнуть, что это наблюдается не только для зданий с системами кондиционирования воздуха, но характерно и для жилых и общественных зданий, не оснащенных принудительной вентиляцией. Объясняется это тем, что в зданиях интенсивность ионизации воздуха, благодаря остаточной радиоактивности строительных материалов, существенно выше, чем в атмосферном воздухе. Благодаря этому и стационарные концентрации ионов в помещениях нередко выше.

Специалисты, пропагандирующие искусственную отрицательную ионизацию, важное значение придают коэффициенту униполярности ионов (отношению концентраций положительных и отрицательных ионов). При этом считается, что оздоровительное действие ионов наблюдается лишь при коэффициентах униполярности, значительно меньших единицы. Между тем, в природных условиях в чистых местностях в атмосферном воздухе концентрации положительных ионов обычно всегда выше концентраций отрицательных ионов. Объясняется это тем, что при действии ионизирующих излучений одновременно образуются как положительные ионы, так и свободные электроны. Подвижность электронов в воздухе достигает 500 см2/(В-с), в то время как у легких положительных ионов она составляет 1--2 см2/(В-с). Благодаря этому электроны быстрее нейтрализуются на различных поверхностях, что и приводит к повышению коэффициента униполярности. Таким образом, преобладание в природных условиях положительных ионов над отрицательными не подтверждает точку зрения, что лишь отрицательные ионы имеют важное биологические значение, а положительные -- вредны для организма.

По нашим данным, коэффициент униполярности в атмосферном воздухе составлял 4,1. Фильтрация воздуха и прохождение его через камеру орошения не повышали, а снижали коэффициент униполярности. Транспортировка воздуха по воздуховодам снижала концентрацию ионов и повышала коэффициент униполярности. Тем не менее, в конечном счете, в помещении коэффициент униполярности оказался ниже, чем в атмосферном воздухе -- 1,9, т. е. упал в два раза. Интересно, что присутствие людей в кондиционируемом помещении практически не приводит к резкому снижению концентраций легких ионов.

В современной литературе отсутствуют сколько-нибудь надежные данные о биологическом действии средних ионов. Между тем обнаружено их значительное количество как в атмосферном воздухе, так и в помещениях. Различные виды обработки воздуха в меньшей степени влияют на концентрации средних ионов, чем легких. В сумме концентраций легких и средних ионов доля средних составляет 94--96%. Концентрации средних ионов в помещениях также несущественно изменились, по сравнению с атмосферным воздухом. Коэффициент унипо-лярности по средним ионам в помещениях также практически не изменился. Примерно те же соотношения наблюдаются и для суммы легких и средних ионов. Отрицательных ионов в помещениях стало несколько больше, чем в атмосферном воздухе, положительных -- несколько меньше. Коэффициент уни-полярности -- несколько снизился. Таким образом, категорически говорить о «губительном» влиянии инженерного оборудования зданий на количественные характеристики ионного режима закрытых помещений нет оснований, хотя при пребывании человека в условиях закрытых помещений ряд природных факторов окружающей среды в определенной степени трансформируется и воздействует не в нативном, а уже в измененном состоянии. Причем, как нами было установлено, в наибольшей мере изменяются нативные качества первичного атмосферного воздуха в отношении ионно-озонного комплекса.

Причина возникновения воздушного дискомфорта в помещениях является многофакторной и зависит как от качества, так и от количества подаваемого в здание воздуха. При этом изменение нативных свойств первичного атмосферного воздуха в процессе обработки и транспортировки и загрязнение экзо- и эндогенными токсическими веществами являются определяющими моментами, так как вся медико-биологическая практика свидетельствует, что любое насильственное выключение природных факторов, к которым человек адаптировался в процессе своей эволюции (ионы и озон), и включение посторонних ингредиентов (атмосферные загрязнения, продукты деструкции полимерных и отделочных материалов) отрицательно сказываются на самочувствии и состоянии здоровья.

Установлено, что присутствие легких ионов в воздухе является необходимым и вместе с тем может рассматриваться как показатель его чистоты, причем естественная ионизация атмосферного воздуха с преобладанием легких отрицательных ионов наиболее высока в лесах, на курортах и морских побережьях. В этих же местах обнаруживаются и наиболее высокие для приземного слоя концентрации атмосферного озона. Например, в воздухе курорта Сочи концентрация озона меняется в пределах от 11 до 72 мкг/м3; максимальное содержание озона в воздухе хвойного леса достигает 84 -- 100 мкг/м3.

В то же время озон играет определенную роль в новом типе загрязнения атмосферного воздуха продуктами фотохимических реакций, участвуя в сложном комплексе окисления органических веществ при загрязнении атмосферы последними.

К настоящему времени изучены токсикологические свойства озона в больших концентрациях, вызывающие раздражение слизистых оболочек, поражение легочной ткани, местное разрушение белков с образованием продуктов, воздействующих на центральную нервную систему и внутренние органы, повышение щелочности мочи, уменьшение выделения некоторых аминокислот, снижение веса тела. Озон в концентрациях 200--600 мкг/м3 вызывает начальные нарушения условно-рефлекторной деятельности у подопытных животных, а при 800--1000 мкг/м3 обусловливает уже резкие нарушения в центральной нервной системе; смертельная доза озона для мышей равна 69000--80000 мкг/м3, а для крыс -- 45000--50000 мкг/м3. Токсикологическими экспериментами установлено, что ПДК для озона в воздухе производственных помещений равна 100 мкг/м3. Таким образом, биологическое действие озона в концентрациях более 100 мкг/м3 изучено достаточно полно и определены его токсические свойства в повышенных концентрациях, которые в основном имеют место в производственных условиях или при образовании фотохимического смога.

Биологическое же действие озона в концентрациях ниже 100 мкг/м3, т. е. в тех концентрациях, которые характерны для чистого атмосферного воздуха, изучено недостаточно, а имеющиеся отдельные сведения носят противоречивый характер.

Исследование особенностей воздействия на организм озона в природных концентрациях является серьезной гигиенической задачей, решение которой будет способствовать обоснованию гигиенических требований к управлению воздушной средой закрытых помещений, которые сейчас ограничиваются в основном температурно-влажност-ными и радиационными параметрами. Решение проблемы полного, а не частичного кондиционирования воздуха закрытых помещений требует, таким образом, проведения экспериментальных исследований, посвященных регламентации не только ионного, но и озонного режима закрытых помещений жилых и общественных зданий, вопросам искусственной ионизации и озонирования воздуха закрытых помещений.

Следует отметить, что воздух закрытых помещений в условиях крупного современного города содержит загрязненный атмосферный воздух, продукты деструкции полимерных материалов, применяемых в строительстве и для отделки мебели, продукты жизнедеятельности организма человека. Суммарная химическая нагрузка на человека в разных помещениях жилых и общественных зданий различна, поэтому определенный интерес представляет изучение влияния озона на организм как в условиях чистого воздуха, так и на фоне присутствия в воздухе помещений различных химических примесей, накапливающихся в результате жизнедеятельности организма при неэффективной их эвакуации.

Для выяснения действия на организм разных параметров ионно-озонно-го комплекса в условиях чистого и загрязненного внутреннего воздуха нами были проведены экспериментальные наблюдения.

Нашими исследованиями было установлено, что комплексное воздействие искусственно ионизированного и озонированного воздуха (на уровне природных концентраций) повышает выносливость экспериментальных животных к физической нагрузке, а также иммунный потенциал организма. Однако данный позитивный эффект проявляется только при условии, что химический состав воздуха закрытых помещений отвечает гигиеническим требованиям (Ю. Д. Губернский, 1978).

Нами было изучено влияние искусственной ионизации на самочувствие служащих в административных зданиях. Как «комфортную» при искусственной ионизации среду оценили 59,4% служащих, а в комнатах без такой ионизации подобную оценку дали 42% служащих. Существенным обстоятельством здесь является тот факт, что столь положительный эффект от ионизации воздуха проявлялся лишь в условиях теплового комфорта (при температуре воздуха в зоне 20--22°) и становится маловыраженным или полностью отсутствовал при температуре менее 19° или более 23°. Кроме того, при искусственной ионизации с помощью комнатных аэроионизаторов служащие иногда продолжали испытывать желание открыть окна, отмечали повышенную электризацию предметов при работе аэроионизаторов.

Большой интерес представляют данные о влиянии химической природы носителя заряда на эффект биологического воздействия ионов. Для определения ионного состава ионы осаждались на заряженную металлическую проволоку, которая затем в виде спирали помещалась в ионный источник масс -- спектрометра. Регистрация масс -- спектров при нагревании спирали позволяет определять состав ионов. Трансформация ионов происходит и при кондиционировании воздуха.

В атмосферном воздухе основными легкими отрицательными ионами являются ионы озона О3 основными положительными ионами -- ионы окиси азота NO+. После камеры орошения содержание первичных ионов Оз~ снизилось в 71 раз, ионов N0+ -- в 6,3 раза. Основной вклад в содержание легких ионов в кондиционируемом помещении вносят ионы паров воды -- НгО ~и НгО+. В жилых помещениях содержание ионов Озснижается в 10--30 раз, ионов NO+ -- в 3--5 раз. В подземных помещениях с ограниченной вентиляцией содержание легких ионов обычно повышается (за счет повышения естественной радиоактивности воздуха), но концентрация ионов Оз Снижается в 200--500 раз, ионов NO+ -- в 10--20 раз.

Приведенные данные подтверждают определенную противоречивость технико-гигиенической проблемы ионизации воздуха. Это различие в оценке ионизации и отражается в современной литературе. Следует подчеркнуть, что в техническом отношении внедрение ионизации не представляет каких-либо трудностей. В таком случае возникает вопрос, почему же до сих пор оно не сделано, применительно, по крайней мере, к административным и производственным зданиям, ни за рубежом, ни в нашей стране в широком масштабе.

Причина, возможно, кроется в известной ограниченности подхода к данной проблеме, когда изучается в основном только одна ионизация воздуха. Однако, как представляется, следует также помнить о том, что помимо ионов стимулирующим действием обладают и другие микропримеси воздушной среды -- озон, фитонциды, различные химические вещества в оптимальных концентрациях (Ю. Д. Губернский, М. Т. Дмитриев, 1979). Поэтому научно обоснованной рекомендации по искусственной ионизации воздуха не могут носить универсального характера, а должны быть всегда конкретными и комплексными. Так, искусственная ионизация в 50--100 раз повышает степень инкорпорации пыли во вдыхаемом воздухе, что значительно увеличивает токсичность взвешенных веществ. Следовательно, для запыленного воздуха более эффективны другие способы оздоровления воздушной среды, а не принудительная ионизация воздуха, которая в данных условиях дает только негативный эффект.

Позитивный эффект от искусственной ионизации воздуха может иметь место также только при условии, если воздух является чистым и в химическом отношении. В противном случае, искусственная ионизация не только не дает никакого позитивного эффекта, но может причинить даже вред.

Принципиально неверным представляется также утверждение, что только отрицательные легкие ионы обладают позитивным действием, а положительные легкие ионы -- лишь токсическим. Если бы это было так, то природный воздух, в котором положительных ионов обычно больше, должен быть практически всегда токсичным. В то же время, согласно серьезным экспериментальным исследованиям, неоднократно отмечались нормирующее влияние и терапевтический эффект легких ионов как отрицательных, так и положительных. Выше отмечалось, что в ряде работ обнаружено благоприятное действие именно положительных и неблагоприятное -- отрицательных ионов. Во многих случаях именно положительные ионы повышали устойчивость организма к действию токсических факторов или химических веществ, а отрицательные ионы ее снижали. Очевидно, правильнее говорить о стимулирующем действии биполярной ионизации, характерной как для атмосферного, так и комнатного воздуха.

Практическую значимость имеет тот факт, что многие характеристики ионизации воздуха, включая ионные показатели загрязнения (отношения концентраций средних, тяжелых и ультратяжелых ионов к легким), коэффициенты униполярности и рекомбинации ионов могут широко использоваться для оценки качества воздушной среды, создание эффективных способов его очистки и обработки, контроля за его загрязнением. Общее количество характеристик ионизации воздуха, не считая состава ионов, составляет 28, причем измерение заряженных частиц удобно для использования современных радиоэлектронных устройств и компьютерной техники.

ЛИТЕРАТУРА

Гигиена и санитария. 1990--1997.

Кароль Н.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с.

ДмитриевМ.Т., КазнинаН.И. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. М.: Химия, 1989. 368 с.

Витенберг А.Т, Иоффе Б.В. Газовая экстракция в хромато-графическом анализе. Л.: Химия, 1982. 279 с.

Moschandreas D.J. // Biosensors for Direct Monitoring of Enviro-mental Pollutants in Field / Ed. D.P. Nikolelis, U. Krull. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1998. Vol. 68. Р. 1--15. (NATO ASI Ser.).

Размещено на Allbest.ru