`WENTYLACJA I KLIMATYZACJA

1. SRODOWISKO ZYCIA CZŁOWIEKA

1.1. POWIETRZE ATMOSFERYCZNE

Powietrze atmosferyczne stanowi powłokę zewnętrzną kuli ziemskiej tzw. atmosferę oraz naturalne środowisko życia ludzi. Parametry fizyczne powietrza tj. temperatura, ciśnienie i gęstość, zmieniają się wraz ze wzrostem wysokości nad powierzchnią Ziemi. Jako podstawową wielkość charakteryzującą powietrze atmosferyczne przyjęto średnie ciśnienie na powierzchni morza P = 101325 Pa. Powietrze jest mieszaniną gazów. Składa się z:

• powietrza suchego,

• pary wodnej.

Skład powietrza suchego podano w tablicy 1.

Tabl.1. Normatywny skład powietrza suchego

Składnik powietrza		Objętościowy udział
gaz	wzór	w %
azot	N2	78,04 (78)
tlen	O2	20,9406 (21)
argon	Ar	0,934 (0,9)
dwutlenek węgla	CO2	0,0314 (0,03)
wodór	H2	0,01
hel	He	0,00524
neon	Ne	0,001818
krypton	Kr	0,00033
ksenon	Xe	0,000087

Udział pary wodnej w powietrzu zmienia się bardzo w zależności od położenia na kuli ziemskiej, pory dnia i roku oraz stanu atmosfery. W naszym klimacie stanowi od 008 do 2,5% masy powietrza, średnio 0,3%.

1.2. CZYNNIKI ZANIECZYSZCZAJĄCE POWIETRZE

Powietrze oprócz składników naturalnych zawiera szereg różnych zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia te są pochodzenia:

• komunalnego,

• technologicznego z procesów wytwarzania i usług,

• energetycznego z procesów przetwarzania energii,

• transportowego,

• rolniczego.

Głównymi zanieczyszczeniami są:

• zanieczyszczenia pyłami,

• zanieczyszczenia gazowe,

• zanieczyszczenia mikroorganizmami,

• zanieczyszczenia radioaktywne,

• zanieczyszczenia odorami.

1.3. ZANIECZYSZCZENIE POWIETRZA PYŁAMI

Zanieczyszczenia pyłowe są to zbiory cząstek stałych stanowiących fazę rozproszoną w powietrzu czyli tzw. aerozole. Cząstki te posiadają średnice 0,1 do 1000 μm oraz dowolny kształt, różną strukturę i gęstość. W zależności od wielkości cząstek pyły dzielą się na:

• pyły grube >10 μm,

• pyły drobne 1 - 10 μm,

• pyły bardzo drobne <1 μm.

Cząstki mniejsze od 0,1 μm tworzą koloidy tzn. fazę, w której ruch opadania pod wpływem siły grawitacji ma tą samą prędkość jak ruchy Browna ok. 0,0003 mm/s.

Ze względu na pochodzenie pyły dzielą się na:

• pyły naturalne,

• pyły antropogeniczne.

Pyły mogą występować pod różnymi postaciami noszącymi powszechnie używane nazwy:

• SADZA jest to bardzo rozdrobniony węgiel elementarny, powstający przy niecałkowitym spalaniu występujący w formie płatków >1 μm,

• DYM jest to zanieczyszczenie pochodzące ze spalania, zawierające popiół, sadzę związki metali, wodę, zanieczyszczenia gazowe oraz substancje smoliste o wielkości cząstek 0,01 do 1,0 μm,

• PYŁY MINERALNE są to pyły zawierające składniki nieorganiczne takie jak: piasek, węgiel, popiół, różne minerały skałotwórcze, cement itp.

Rys.1. Pył mineralny

• PYŁY ORGANICZNE są to pyły zawierające cząstki roślin, nasiona, sierść, włókna tekstylne, mąkę itp.

ambrozja
bylicap

Rys.2. Pyły organiczne (nasiona traw)

Ze względu na kształt pyły antropogeniczne można podzielić na:

• pyły dyspersyjne, posiadające kształt nieregularny,

• pyły kondensacyjne posiadające kształt kulisty,

• pyły płytkowe,

• pyły włókniste.

Rys.3. Kształty pyłu

1.4. ZANIECZYSZCZENIE POWIETRZA SKŁADNIKAMI GAZOWYMI

Źródłem zanieczyszczeń gazowych w powietrzu są różne procesy technologiczne, czynności i materiały stosowane w gospodarstwach domowych oraz sprzęty i materiały używane w wyposażeniu pomieszczeń. Do podstawowych zanieczyszczeń należą:

• Tlenek węgla CO powstający w procesach spalania zarówno paliw jak i używek np. wyrobów tytoniowych. Nagromadzenie CO w powietrzu jest szczególnie niebezpieczne, ponieważ jest to gaz bez smaku, barwy i zapachu, a więc zmysły ludzkie nie ostrzegają o jego obecności. Działanie toksyczne polega na wiązaniu się CO z hemoglobiną krwi w hemoglobinę tlenkowęglową COHb, przy czym CO wykazuje 250 do 300 razy większe powinowactwo do hemoglobiny niż tlen.

W pomieszczeniach, w których pali się wyroby tytoniowe stężenie CO dochodzi do 50 mg/m³ zaś stężenie COHb we krwi nałogowego palacza osiąga ≈6,9% a człowieka przebywającego w atmosferze dymu tytoniowego — ≈2,3%COHb.

• Dwutlenek węgla CO₂ powstaje głownie przy spalaniu paliw, oddychaniu organizmów żywych, fermentacji alkoholowej, rozkładzie tlenowym i beztlenowym materii organicznej. W chwili obecnej zawartość CO₂ w powietrzu wynosi ≈0,034%obj. CO2 jest gazem bezbarwnym i duszącym gdyż zwiększenie jego obecności w powietrzu powoduje zmniejszenie ilości tlenu. Ostatnio przeprowadzane badania wykazały że zawartość ≥4%obj. CO2 w powietrzu powoduje nieodwracalne zmiany kory mózgowej.

• Tlenki azotu NO_x powstają w procesach spalania paliw. Są to gazy toksyczne:

- tlenek azotu NO — bezbarwny i bez zapachu,

- dwutlenek azotu NO₂ — brunatny o ostrej duszącej woni.

Stężenie NO2 w powietrzu wynosi przeciętnie 0,1 do 0,5 mg/m³.

• Ozon O₃ jest bardzo reaktywną odmianą tlenu. Jest to gaz powstający przy wyładowaniach elektrycznych, procesach utleniania oraz podczas tzw. smogu fotochemicznego, w którym tlenki azotu ze spalin samochodowych oraz spalania paliw kopalnych pod wpływem światła słonecznego reagują z parą wodną. Zawartość ozonu w powietrzu >0,2 mg/m³ drażni drogi oddechowe.

• Dwutlenek siarki SO₂ jest gazem powstającym podczas spalania głównie paliw stałych i ciekłych. SO2 w powietrzu łatwo utlenia się do SO₃, który z parą wodną tworzy kwas siarkowy H₂SO₄. SO₂ jest gazem bezbarwnym, duszącym, który w stężeniu 1 - 2 ppm jest szkodliwy dla wszystkich organizmów żywych.

• Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) podczas spalania paliw, wyrobów tytoniowych oraz szeregu procesów technologicznych. Są to substancje silnie trujące i rakotwórcze. Przedstawicielem ich jest B(a)P.

• Lotne związki organiczne (LZO) stanowią grupę wielu tysięcy węglowodorów, których prężność pary wynosi > . Wiele związków tej grupy stanowi duże zagrożenie dla ludzi. Przykładem jest formaldehyd HCHO emitowany z płyt paździerzowych, pianek izolacyjnych, klejów i dywanów. Formaldehyd wywołuje ataki astmy, a objawy zatrucia to podrażnienie oczu, ból głowy i bezsenność. Dla ludzi związek ten jest rakotwórczy.

• Rtęć Hg występuje w powietrzu w postaci lotnego i lipidofilowego CH₃Hg+. Rtęć jest neurotoksyną i teratogenem, uszkadza korę mózgową.

• Ołów Pb występuje w powietrzu w postaci aerozolu. Jest on bardzo toksyczny, wchłaniany przez skórę i drogi oddechowe. Jest on kancerogenny i uszkadza obwodowy i ośrodkowy układ nerwowy oraz powoduje wzrost śmiertelności na choroby serca.

1.5. ZANIECZYSZCZENIE POWIETRZA MIKROORGANIZMAMI

Do mikroorganizmów należą bakterie, pierwotniaki, wirusy oraz część glonów i grzybów. W powietrzu najczęściej występują bakterie i wirusy, które przyczepiają się do cząstek pyłu. Ze wzrostem zapylenia powietrza wzrasta głównie ilość bakterii. Mikroorganizmy w powietrzu posiadają wymiar 0,01 do 1 μm, w tym wirusy 0,01 do 0,1 μm.

Rys.4. Mikroorganizmy

1.6. RADIOAKTYWNE ZANIECZYSZCZENIA POWIETRZA

Człowiek poddawany jest działaniu promieniowania jonizującego, na które składa się promieniowanie:

• α — jąder helu,

• β — elektronów,

• γ — fal elektromagnetycznych.

Promieniowanie to pochodzi ze źródeł naturalnych oraz antropogenicznych. Źródłami naturalnymi są: radon w powietrzu, promieniowanie kosmosu, promieniowanie wewnętrzne pokarmów oraz promieniowanie z głębi ziemi.

Promieniowanie tych źródeł stanowi 82% dawki pochłoniętej przez człowieka, w tym radonu - 55%. Promieniowanie źródeł antropogenicznych stanowi 18% dawki pochłoniętej, w tym głównie ze spalania wyrobów tytoniowych. Wielkość dawki pochłoniętej określa się w grejach (1Gy = 1 J/kg). Dawką śmiertelną jest 4 Gy.

Emisję promieniowania określa się w bekerelach na kg lub m_n³ (1 Bq = 1 rozpad promieniotwórczy/s). Dopuszczalną dawką skażenia promieniotwórczego powietrza w pomieszczeniach jest 200 Bq/mn3. Szkodliwość oddziaływania promieniowania na organizmy ludzkie określa się w siwertsach (Sv) według wzoru:

Równoważnik dawki efektywnej (Sv) = dawka promieniowania (Gy) x Q xRBE

gdzie: Q - współczynnik zależny od rodzaju organu napromieniowanego,

RBE - współczynnik szkodliwości promieniowania np.

• dla elektronów (β) równy 1,

• dla cząstek (α) równy 20.

Główną substancją radioaktywną zanieczyszczeń powietrza jest więc gaz szlachetny radon Rn. Gaz ten powstaje z rozpadu radu i uranu w głębi ziemi oraz w materiałach budowlanych i przedostaje się do powietrza. Jest też emitowany z dymem. Nadmierne stężenie tego gazu jest niebezpieczne dla ludzi. Gaz ten łatwo przenika przez przegrody budowlane i gromadzi się w pomieszczeniach, w których brak jest odpowiedniej wentylacji. Jest źródłem wielu chorób z grupy popromiennych.

1.7. ZANIECZYSZCZENIE POWIETRZA ODORAMI

Odory są to niepożądane zapachy, zaś substancje zapachowe nazywa się odorantami. Są to lotne związki chemiczne organiczne i nieorganiczne wyczuwalne przez receptory węchowe przy bardzo niskich stężeniach i rejestrowane przez mózg jako nieprzyjemne.

Biologiczny analizator zapachu, czyli narząd węchu, jest układem bardzo złożonym. Zawiera tysiące wyspecjalizowanych sensorów, to jest wyspecjalizowanych receptorów białkowych w komórkach nabłonka węchowego. Sygnały o pobudzeniu tych komórek są analizowane w najdoskonalszym z systemów przetwarzania danych, to jest w sieci neuronowej mózgu.

Zmysłami o największym znaczeniu dla ziemskich ekosystemów są zmysły chemiczne, to jest węch i smak. Receptory ludzkiego narządu węchu znajdują się w małej części śluzówki nosa. Pole węchowe, pokryte żółtą lub brązową wydzieliną, zajmuje powierzchnię ok. 5 cm² (rys.5).

Rys.5. Narząd węchu

Intensywność zapachu zależy od ilości cząstek odoranta wchodzących w kontakt z odpowiednimi receptorami, a wiec pośrednio od stężenia tego zwiazku we wdychanym powietrzu. Opinia o stanie środowiska naturalnego i o warunkach pracy zależy od wielu czynników. Wśród nich, jednym z najważniejszych, jest zapach powietrza, którym oddychamy.

Do oceny poziomu zanieczyszczeń powietrza odorami wykorzystuje się metodę subiektywną, organoleptyczną opartą na osobniczym odczuciu obecności odorantów.

Próg węchowej wyczuwalności jest to stężenie (S_pww), przy którym zapach jest wyczuwalny przez 50% grupy osób reprezentatywnej dla populacji. Zapach uważa się za wyczuwalny, jeżeli zauważana jest różnica między powietrzem czystym a zanieczyszczonym.

Próg rozpoznania jest średnio około dziesięć razy wyższy od progu wyczuwalności.

Jednostka zapachowa (jz) jest to ilość odoranta, którą trzeba wprowadzić do jednego metra sześciennego powietrza aby osiągnąć próg wyczuwalności:

S_pww = 1 jz/m³ = S mg/m³

np. — dla acetonu S_pww = 33,7 mg/m³,

— dla siarkowodoru S_pww = 0,0123 mg/m³.

Duża wrażliwość węchu na obecność niektórych zanieczyszczeń sprawia, że może on pełnić funkcję alarmu, o przekroczeniu określonego stężenia substancji szkodliwych dla zdrowia. Przedłużające się narażenie ludzi na dyskomfort zapachowy może wywołać wtórne zakłócenia procesów fizjologicz-nych i wystąpienie zaburzeń psychosomatycznych.

Zapachowy współczynnik bezpieczeństwa jest to stosunek NDS/S_pww.

Zanieczyszczenia powietrza dzielą się na następujące klasy bezpieczeństwa:

Symbol zapachowej klasy bezpieczeństwa	Zapachowy współczynnik bezpieczeństwa NDS/Spww
A	> 550
B	26 - 550
C	1 - 26
D	0,18 - 1
E	< 0,18

Odory zawierające pierwiastki: azot, siarkę, tlen i inne, mogą się tworzyć w sposób naturalny i sztuczny, zawsze związany z działalnością człowieka.

Człowiek sam, w wyniku procesów metabolicznych w jego organizmie, może być źródłem zanieczyszczenia powietrza w miejscu pracy. Wydziela on pewne grupy związków zapachowych. Sztucznymi źródłami emisji odorów są: przemysł paliwowy, koksochemiczny, gazowniczy, celulozowy, chemiczny, spożywczy oraz składowiska odpadów, spalarnie odpadów komunalnych i szpitalnych, oczyszczalnie ścieków komunalnych, hodowle bydła, trzody, ptactwa domowego i zwierząt futerkowych.

1.8. WILGOTNOŚĆ POWIETRZA

Ponieważ człowiek oddaje ciepło również przez parowanie, wilgotność powietrza wpływa na warunki komfortu cieplnego. W tych samych warunkach temperaturowych przebieg parowania zależy od różnicy ciśnienia pary wodnej na powierzchni skóry i pary wodnej zawartej w powietrzu. Wilgotność powietrza określa się za pomocą:

• współczynnika wilgoci,

• wilgotności bezwzględnej,

• wilgotności względnej.

Parę wodną w powietrzu atmosferycznym oraz powietrze atmosferyczne traktuje się jako gaz doskonały.

Ciśnienie powietrza wilgotnego (P) jest sumą ciśnienia powietrza suchego (P_p) i ciśnienia pary wodnej (P_w):

[Pa]

Powietrze wilgotne może być:

• nienasycone gdy para wodna w powietrzu jest parą przegrzaną, nasycone gdy para wodna w powietrzu jest parą suchą nasyconą,

• zamglone gdy w powietrzu występuje woda w postaci pary wilgotnej.

Ilość pary wodnej w powietrzu jest ograniczona. Zależy ona od temperatury i ciśnienia. Im wyższa temperatura tym większą ilość pary powietrze może zawierać. Przy obniżaniu temperatury powietrza wilgotnego, pod określonym ciśnieniem, do temperatury, w której staje się nasycone parą wodną, para wodna zaczyna się skraplać. Temperatura ta nazywa się temperaturą punktu rosy. Podczas procesów meteorologicznych i klimatyzacyjnych masa suchego powietrza (mp) pozostaje nie ulega zmianie. Masa pary wodnej zawartej w powietrzu (mw) może się zmieniać przez nawilżanie i osuszanie powietrza. Przy wzroście ciśnienia powietrza wzrasta również ilość pary wodnej, jaką może zawierać powietrze nasycone.

Współczynnik wilgoci jest to:

[kg/kg]

Wilgotność bezwzględna jest to masa pary wodnej zawartej w 1 m³ powietrza wilgotnego:

[kg/m³]

Gdy masa wody w powietrzu osiągnie maksymalną dopuszczalną zawartość to powietrze jest nasycone i

ρ_w = ρ_{w max}

W temperaturze 20 ⁰C:

ρ_{w max} = 18 g/m^3.

Wilgotność względna jest to stosunek wilgotności bezwzględnej do wilgotności nasycenia w tej samej temperaturze powietrza:

100 [%]

Zakres dopuszczalnej wartości wilgotności względnej dla ludzi wynosi 35 - 70%. Spadek wilgotności poniżej tego zakresu powoduje:

• nadmierne wysuszenie odzieży i sprzętów,

• unoszenie się pyłów, które osiadają na grzejnikach i podczas rozkładu wydzielają amoniak i inne gazy drażniące drogi oddechowe,

• łatwą elektryzację tworzyw sztucznych i przyciąganie cząstek kurzu,

• wysuszenie błon śluzowych górnych dróg oddechowych.

Przekroczenie górnej granicy dopuszczalnej wilgotności powoduje:

• skraplanie pary wodnej w zimnych miejscach co powoduje powstawanie szkód budowlanych i materiałowych takich jak nadmierna korozja,

• gnicie i powstawanie pleśni na materiałach organicznych wyposażenia wnętrz co powoduje wydzielanie uciążliwych dla ludzi odorów oraz rozwój drobnoustrojów chorobotwórczych.

1.9. Ruch powietrza

Dla samopoczucia człowieka duże znaczenie ma ruch powietrza. Dobre samopoczucie zakłóca owiewające ciało człowieka powietrze, które ma temperaturę niższą niż temperatura ciała. Zjawisko to nazywa się przeciągiem. Minimalny ruch powietrza jest konieczny dla przenoszenia ciepła. Ruch ten musi być jednak taki aby nie powodował nadmiernej ilości odbieranego ciepła. Przy temperaturze 20 - 22 ⁰C prędkość powietrza powinna wynosić 0,15 - 0,20 m/s.

1.10. Komfort cieplny

Komfortem cieplnym nazywa się warunki mikroklimatyczne, w których samopoczucie cieplne człowieka jest dobre, tj. nie odczuwa on chłodu ani nie jest mu zbyt gorąco. Decydujący wpływ na odczuwanie komfortu cieplnego ma intensywność wymiany ciepła miedzy organizmem człowieka a otoczeniem.

Podstawowymi parametrami powietrza, wpływającymi na samopoczucie są:

• temperatura powietrza wg wskazań termometru suchego,

• wilgotność względna powietrza,

• prędkość i kierunek ruchu powietrza,

• temperatura powierzchni otaczających przegród.

Wypadkowy wpływ tych parametrów na intensywność wymiany ciepła miedzy człowiekiem a otoczeniem charakteryzuje zdolność chłodzącą tego otoczenia. Takie same warunki komfortu można stworzyć, dobierając różne wartości poszczególnych parametrów, tak aby ich łączny efekt dawał taką samą zdolność chłodzącą.

Warunki komfortu cieplnego dla ludzi normalnie ubranych, odpoczywających lub wykonujących lekką pracę panują w pomieszczeniu, gdy:

• temperatura powietrza w okresie zimowym wynosi 20 - 22 ⁰C, latem wynosi 23 - 25 ⁰C; dopuszczalna wartość temperatury w pomieszczeniach przemysłowych w lecie wynosi 28 0C,

• wilgotność względna powietrza wynosi 30 - 70%, optymalnie 40 - 60%, a szybkość zmiany wilgotności względnej nie przekracza 20% w ciągu godziny,

• prędkość powietrza nie przekracza:

• 0,15 m/s dla t ≤ 20 ⁰C

• 0,50 m/s dla t = 26 ⁰C,

• średnia temperatura przegród otaczających jest równa lub możliwie bliska temperaturze powietrza w pomieszczeniu (∆t = 1 K)

Warunki komfortu cieplnego dla ludzi wykonujących pracę o natężeniu małym, średnim lub dużym określane są w normach.

12

---