Экономить нужно экономно 2 (дышать или не дышать

Экономить нужно экономно 2 (дышать или не дышать?)
Рассмотрение прикладных задач строительной теплофизики грешит половинчатостью. Мы
много, порой излишне много, говорим о вкладе термического сопротивления ограждающих
конструкций в общую картину энергетического баланса здания. Но при этом совершенно упускаем
тот факт, что суммарная структура теплопотерь здания состоит из двух примерно
равноценных по абсолютным величинам составляющих – потери тепла через ограждающие
конструкции (стены, окна, двери, пол, потолок) и потери на подогрев вентиляционного воздуха.
Давайте исправимся. И отправной точкой наших рассуждений пусть станет предположение,
что Homo sapiens не только «человек разумный», но и, в первую очередь - млекопитающее. И на
уровне метаболических основ существования наших организмов мы мало чем отличаемся от
остальных братьев наших меньших.
--------------------------------------------------------------------------------1. Физиологический аспект.
Человек, как и все млекопитающие потребляет кислород из
воздуха и выделяет углекислый газ, как отход метаболизма.
Причем в выдыхаемом воздухе кислорода меньше всего то на 5 –
7%, а вот углекислоты больше в 50 раз! Каждым своим выдохом
человек отравляет окружающий его воздух углекислотой. И
ничего тут не поделаешь – в такой способ мы выводим её из
организма - посредством дыхания.
Человеку для дыхания требуется 0.3 – 2.5 кубических метра в час
свежего воздуха. Спим – меньше, работаем – больше. Но это при
условии, что выдыхаемая человеком углекислота полностью
удаляется из зоны дыхания и не попадает назад в организм.
Если вдох делать через нос, а выдыхать через трубочку за
пределы помещения – именно столько воздуха нам понадобится.
И никакого дискомфорта (ну кроме шланга в зубах).
Углекислота достаточно безобидное вещество для человека.
Только начиняя с 2% её содержания во вдыхаемом воздухе
человек ощущает явственно выраженные проявления
углекислотного отравления – изменяется структура дыхания,
изменяется щелочная реакция крови, снижается газовый и
тканевый обмен, увеличивается кровоток, повышается
артериальное давлении, появляются сонливость. аппатия и т.д. –
Фильмы про подводников смотрели?
Но дыхательные центры человека все время внимательно
«отслеживают» содержание углекислоты во вдыхаемом воздухе.
Начиная с её концентрации в 0.08% человек уже начинает
ощущать необъяснимый дискомфорт – организм посылает сигнал
– «Что то не так!».
Натяните полиэтиленовый пакет на голову – через пару вдохов
почувствуете эти сигналы – я не могу их выразить словами. Еще
вроде бы ничего страшного, но в такой способ организм
сигнализирует нам – «Распутай одеяло с головы», «Перевернись
на другой бок», «Открой форточку», «Покинь помещение» и т.д.
В жилых помещениях, в которых концентрация углекислоты
превышает 0.08% (800 частей на миллион) возникает т.н.
«синдром дискомфортного здания» - мы еще не можем понять
почему, но нам в таком здании неуютно – это организм так
сигналит нам и мы на подсознательном уровне воспринимаем эти
сигналы как признак дискомфортности помещения.
Поэтому то и была установлена норма Предельно Допустимой
Концентрации (ПДК) содержания углекислоты во вдыхаемом
воздухе для жилых помещений – не более 0.1%.
2. Математический аспект.
Строительные Нормы и Правила (СНиП) регламентируют
воздухообмен для жилых помещений – 3 м3 в час на каждый
квадратный метр жилой площади. – Это примерно в 50 раз
больше, чем нам потребно для дыхания.
Предположим человек находится в квартире площадью 50 м2.
СНиП-ы требуют чтобы за час приток свежего воздуха составил
50 х 3 = 150 м3. В то время как для комфортного дыхания
человеку потребуется максимум 2.5 м3 – и то если он все это
время дрова будет колоть. А если спит, то и вообще достаточно
будет 0.3 м3 – превышение в 500 раз!!!
Почему такое несоответствие? – Неужели СНиП-ы врут?
Да нет, все верно. Просто в написании нормативного
законодательства участвовали действительно СПЕЦИАЛИСТЫ
от строительной теплофизики и гигиены, а не безграмотные
школяры самоудовлетворяющиеся словодристикой в Интернете.
Все дело в том, что в СНиП-ах предполагается, что выдох
человеку гораздо удобней делать не через трубочку на улицу, а
как обычно – ну привыкли мы так, что тут поделаешь?
А раз так, то расчет необходимого количества воздуха ведется не
из условий его подачи в объеме, потребном непосредственно для
дыхания, а из условий ассимиляции (слияния одного с другим)
выделяющихся вредностей (той же углекислоты) со свежим
воздухом.
Не буду приводить формулы («все Америки» давным давно
открыты в СНиП 2.04.05-91 Отопление, вентиляция и
кондиционирование) приведу лишь общий принцип, заложенный
в механизм расчета по этому СНиП-у.
- В помещение поступает наружный свежий воздух в объеме
достаточном для ассимиляции выделяемой человеком
углекислоты. В результате перемешивания свежего воздуха с
внутренним, часть вновь поступившего объема воздуха уходит в
вентиляцию. Другая часть «свежего» воздуха смешивается со
«старым» воздухом и поступает в зону дыхания человека. В итоге
получается, что мы вынуждены дышать не свежим воздухом, а
чуть более обновленным «старым» воздухом (в который мы сами
же и «надышали» в 50 раз больше углекислоты). В итоге
получается, что на обеспечение ПДК по содержанию углекислоты
в воздухе нужно затратить намного больше воздуха, чем нужно
непосредственно для дыхания.
Более понятно данное явление иллюстрирует простой
эксперимент. Налейте в литровую банку воды и добавьте туда
щепотку растворимого кофе – для цвета. Объем банки – это объем
воздуха потребный для комфортного дыхания. Вода в банке –
имитирует воздух в помещении. Кофе – углекислота в этом
помещении. А степень окрашенности воды пусть свидетельствует
о пригодности воздуха для дыхания – прозрачная вода – воздух
пригоден для дыхания, присутствует окраска – ПДК по
углекислоте превышен.
Если Вы за раз сольете всю окрашенную воду (выкачаете весь
воздух из помещения) и добавите свежей – потребуется всего 1
литр воды. – Это именно тот объем воздуха, который потребен
человеку для дыхания.
Если же Вы не сливая окрашенную воду станете постепенно
приливать свежую, - окрашенная вода начнет переливаться через
край, но в банке она будет светлеть очень медленно. И чтобы
добиться её полной прозрачности потребуется воды гораздо
больше чем емкость нашей банки.
В приложении к количеству вентиляционного воздуха
потребуется прилить примерно в 50 раз больше воды в банку – 50
литров.
3. Теплофизический аспект.
Если задаться целью максимально возможным образом снизить
кратность воздухообмена в помещении мы столкнемся с еще
одной проблемой. Дело в том, что помимо углекислоты человек
выделяет еще и влагу. С учетом жизнедеятельности (стирка,
готовка, гигиенические процедуры и т.д.) семья из 3-х человек за
сутки производит более 10 кг водяного пара. За отопительный
сезон это 2 - 3 тн воды. И всю её должны удалить наружу
вентиляционные системы!
Если умышленно уменьшить кратность воздухообмена в
помещении то не только снизится комфортность проживания, но
еще и не вся влага будет уноситься вентиляционным воздухом.
Чем это грозит?
Восточная Германия, после присоединения стала активно
внедрять у себя строительные новшества от западных
соплеменников – в домах, спроектированных под естественную
приточно-вытяжную вентиляцию, в которой приток свежего
воздуха обеспечивался щелями в окнах, стали устанавливать
герметичные пластиковые окна. Как результат – в 3000 раз! у них
выросли объемы продаж различных препаратов от плесени и
домового грибка.
Аналогично «запаршивела» Польша. Сейчас начинаются эти
процессы в России.
В Харькове еще три года назад днем с огнем не сыскать было
фунгицидных пропиток (от плесени) – сейчас их уже в метро
продают.
Температура в помещении T=+18 град
Кратность воздухообмена – 3 (по санитарным требованиям
СНиП-ов)
Теплоемкость воздуха примерно С = 1005 Дж/кг*град (из
справочника)
Плотность воздуха примерно – 1.3 кг/м3 (из справочника)
Теплотворная способность газа – 9.1 Квт*час/м3 (из
справочника)
Отопительный котел имеет к.п.д. – 81%
Стоимость газа 0.478 грн/м3 (0.095 $/м3)
Везде ситуация развивается стандартно: герметичные
пластиковые окна ---> нарушение запроектированной кратности
воздухообмена ---> повышенная влажность в помещениях --->
затхлый «старческий» воздух и вездесущая плесень.
Итак за 1 час воздух в нашем помещении должен смениться 3
раза. Тогда объем воздуха будет равен:
V = 400 * 3 = 1200 м3
4. Теплотехнический аспект.
Можно ли уменьшить столь большую диспропорцию, когда
объемы вентиляционного воздуха в 50-500 раз превышают
физиологические потребности человека? Ведь мы должны не
только обеспечить технически во много раз больший приток
воздуха («по санитарным нормам» – так это в СНиП-ах
называется), чем это нужно непосредственно для дыхания и
удаления влаги, но еще и нагреть его зимой!
Да можно.
Первое, самое простое решение - организация местной
вентиляции. Непосредственно в зону дыхания человека по
специальным вентиляционным каналам подается свежий воздух.
Этот метод широко применяется в промышленности когда
постоянное местонахождение человека (рабочее место) стабильно
в пространстве.
Второе решение – оперативный контроль за содержанием
углекислоты и водяных паров в воздухе электронными
устройствами.
Когда никого нет дома зачем вентилировать помещение и терять
при этом энергию? Такие несложные устройства уже достаточно
широко применяются за рубежом - в окне стоит клапан
управляемый электронным блоком. Есть в помещении люди –
концентрация углекислоты повысилась – клапан открывается и
обеспечивает приток свежего воздуха. Нет никого – клапан
закрыт. Закипел чайник или сделали влажную уборку –
автоматика быстро подсуетилась и привела все в норму.
Третье решение – увеличение жилой площади на одного человека
(в разумных пределах, разумеется – дворцы по 500 м2 на 3-х
человек это мы уже из одной крайности в другую шарахаемся).
Вот почему кратность воздухообмена по нормативам Германии,
например, гораздо меньше отечественных норм. Это не умные
немцы изобрели новейшие вентиляционные принципы, это у них
дома и квартиры побольше наших в несколько раз.
Четвертое решение – это дифференцированные принудительные
системы вентиляции. - Когда Вы ночью спите в спальне, зачем
попусту вентилировать весь остальной дом?
Но если мы не станем осуществлять всех этих дополнительных,
весьма хлопотных и недешевых мероприятий по снижению
кратности воздухообмена чем это нам грозит в теплотехническом
плане? – Сколько потребуется денег на нагрев вентиляционного
воздуха?
Давайте опять посчитаем.
Но сначала нам потребуются некоторые исходные данные.
Регион строительства – Киев. Средняя температура за
отопительный период t = -1.1 град. Длительность
отопительного периода – 187 суток.
Площадь дома – 400 м2
Высота потолков – 2.8 м
(это примерно соответствует площади наружных стен в 200
м2)
Масса этого воздуха составит:
М = 1200 * 1.3 = 1560 кг
Так как этот воздух поступит с улицы в течении 1 часа то его
нужно нагреть за это время до комнатной температуры. На это
нам потребуется следующее количество энергии:
Q = С * М ( T – t ) = 1005 * 1560 * (18 + 1.1) = 1005 * 1560 * 19.1 =
29944980 Дж
Известно, что 1 Вт = 1 Дж/с если предположить, что весь этот
воздух нужно нагреть за час (3600 сек), то мощность потребная на
это составит:
E = 29944980 / 3600 = 8318 = 8.3 Квт*час
Или если считать за год
8.3 * 187 * 24 = 37259.4 Квт*час
На компенсацию этих энергозатрат, и с учетом к.п.д. котла нам
потребуется газа:
37250.4 / (9.1 *0.81) = 5053.6 м3
Что составит в денежном эквиваленте:
5053.6 * 0.478 = 2415 грн = 480 $ за год.
Разумеется, что при более детальном расчете будет учтено, что жилая
площадь (которую нужно вентилировать) меньше чем общая, а
соответственно и вентилируемые объемы будут гораздо меньшими.
Конечно же более детальный и профессиональный расчет обязательно
учтет и тепло выделяемое людьми и бытовыми приборами, и инсоляцию
(тепло от солнца). Да там много чего еще учитывается – даже цвет стен,
ориентация здания, скорость и направление господствующих ветров.
Но единственное, что можно утверждать с абсолютно уверенно – потери
энергии на нагрев вентилируемого воздуха очень велики и в отдельных
случаях могут даже превышать все остальные потери через ограждающие
конструкции (стены, окна, двери, полы, потолок) вместе взятые!
-------------------------------------------------------------------------------------В предыдущей статье «Экономить нужно экономно -1(утеплять или не
утеплять?)» мы высчитали, что ежегодно стены облегчали наш кошелек на
сумму в $110. Утеплив их в 1.4 раза по технологии т.н. «мокрых фасадов»
и инвестировав в это мероприятие $6000 мы добились сравнительно
небольшой экономии - $31.3.
Как показывали дальнейшие расчеты такое наше утепляльное
мероприятие весьма спорно с позиций здравого смысла, если не сказать
более. Гораздо выгодней эти $6000 просто положить в банк – проценты по
кредитам будут больше.
Итоговый вывод: уменьшая «малое» - малую отдачу и получаем.
Но если «уменьшать большое» - бОльшую отдачу и получим.
На подогрев вентилируемого воздуха мы за год тратим денег в более чем в
4 раза больше чем у нас уходит через стены. Поэтому если те-же самые
$6000 мы перенаправим на оптимизацию вентиляции – такой шаг будет
более логичным и разумным т.к. он принесет нам гораздо большую
прибыль
У нас мамонты непуганые ходят, а мы за зайцами гоняемся. Неразумно.