Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и выбор направления исследования
1.1. Характеристика существующего экологического состояния воздушной среды жилых помещений 9
1.2. Анализ наружных источников загрязнения воздушной среды жилых помещений 10
1.2.1 Анализ природных факторов, влияющих на изменение концентрации загрязнений от наружных источников 14
1.2.2 Анализ градостроительных факторов, влияющих на изменение концентрации загрязнений от наружных источников 15
1.3. Анализ внутренних источников загрязнения воздушной среды жилых помещений 17
1.4. Анализ факторов, влияющих на изменение концентр?ции загрязнений внутри жилых помещений 24
1.5. Анализ влияния состояния наружного воздуха на качество воздушной среды жилых помещений 26
1.6. Выводы и постановка задач исследования 27
ГЛАВА 2. Разработка характеристик оценки наружного воздуха
2.1. Разработка характеристик оценки влияния промышленных предприятий на экологическое состояние воздушной среды жилых помещений 31
2.2. Разработка характеристик оценки влияния природных источников на состояние воздушной среды жилых помещений 37
2.3. Разработка характеристик оценки влияния транспортных выбросов на экологическое состояние воздушной среды жилых помещений 40
2.4. Планирование натурных исследований наружного воздуха 49
2.5. Методика проведения натурных исследований ,. 51
2.6. Результаты натурных исследований и их анализ 54
2.7. Выводы по второй главе 64
ГЛАВА 3. Разработка характеристик оценки состояния воздушной среды жилых помещений
3.1. Определение влияния качества наружного воздуха на формирование загрязнения воздушной среды жилых помеще ний 66
3.1.1. Планирование экспериментальных исследований в жилых помещениях 66
3.1.2 Методика проведения натурных исследований и обработка результатов эксперимента 68
3.1.3. Результаты натурных исследований и их анализ 70
3.2. Разработка характеристик оценки внутренних источников загрязнения воздушной среды жилых помещений 71
3.2.1. Планирование экспериментальных исследований естественной вентиляции в жилых помещениях 74
3.2.2 Методика проведения натурных исследований и обработка результатов эксперимента. 75
3.2.3. Результаты натурных исследований и их анализ 76
3.3. Лабораторные исследования структуры пыли в жилых помещениях 80
3.4. Разработка характеристик оценки состояния воздушной среды жилых помещений 86
3.5. Выводы по третьей главе 84
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по улучшению качества воздушной среды жилья
4.1. Разработка комплексной оценки воздушной среды жилых помещений 89
Разработка основных принципов экологического монито ринга воздушной среды жилых помещений на основе разра ботанных характеристик оценки 92
Разработка системы балльной оценки состояния воздушной среды жилых помещений 96
Разработка алгоритма выбора мероприятий по нормализации состояния воздушной среды жилых помещений 109
Выбор принципиальной схемы вентиляции жилых помеще ний при различных вариантах качества наружною и внут реннего воздуха 111
Выводы по четвертой главе
Заключение 124
Список используемой литературы
- Анализ наружных источников загрязнения воздушной среды жилых помещений
- Разработка характеристик оценки влияния природных источников на состояние воздушной среды жилых помещений
- Планирование экспериментальных исследований в жилых помещениях
- Разработка системы балльной оценки состояния воздушной среды жилых помещений
Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализ процессов загрязнения воздушной среды жилых помещений и существующих способов нормализации ее состояния выявил недостаточную изученность ряда вопросов в этой области. К ним относятся: отсутствие количественных характеристик взаимосвязи состояния наружного и внутреннего воздуха; отсутствие значений гзменения концентрации вредных ингредиентов по высоте на фасадах жилого здания; отсутствие характеристик взаимосвязи между природно-климатическими, архитектурно-планировочными, инженерно-техническими, градостроительными факторами, влияющими на состояние и экологическую безопасность воздушной среды жилых помещений. Существующие характеристики оценки состояния воздушной среды не позволяют в полной мере учесть их комплексное влияние на экологическую безопасность жилых помещений.
Таким образом, актуальным является разработка характеристик комплексной оценки загрязнения воздушной среды жилых помещений, с целью определения её экологического состояния.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы — совершенствование системы комплексной оценки состояния воздушной среды жилых помещений посредством установления взаимосвязей между качеством наружного и внутреннего воздуха.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
определение наиболее неблагоприятных периодов и сочетания факторов, влияющих на формирование загрязнения воздушной среды жилых помещений;
экспериментальное определение зависимостей между качеством наружного и внутреннего воздуха с учетом влияния природных и антропогенных факторов;
экспериментальные исследования состояния наружного воздуха в жилой застройки и изменения концентрации вредных ингредиентов по высоте фасада жилого здания;
разработка характеристик, позволяющих комплексно оценить состояние наружного и внутреннего воздуха;
определение эффективности существующей системы вентиляции жилых помещений и влияния на улучшение экологической безопасности воздушной среды жилой застройки и жилых помещений;
разработка рекомендаций по улучшению состояния воздушной среды жилых помещений при различном состоянии наружного и внутреннего воздуха;
разработка рекомендации по выбору принципиальных схем организации воздухообмена жилых помещений в зависимости от качества наружного и внутреннего воздуха;
- разработка основных принципов экологического мониторинга воздушной среды жилых помещений;
- разработка алгоритма выбора мероприятий по нормализации воздуш
ной среды жилой застройки и схемы воздухообмена жилых помещений.
Основная идея работы состоит в совершенствовании подхода к проектированию жилых зданий с учетом влияния качества наружного воздуха на состояние внутреннего воздуха жилых помещений.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, сравнительный и системный анализ, натурные исследования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в натурных и в лабораторных условиях, с результатами других авторов.
7 Научная новизна работы состоит в том, что:
разработаны характеристики комплексной оценки состояния воздушной среды жилых помещений;
получены экспериментальные зависимости, характеризующие изменение концентрации оксидов азота в наружном воздухе по высоте на фасадах здания- экспериментально определены значения концентрации NOx в воздушной среде жилых помещений в зависимости от концентрации NOx в наружном воздухе.
Практическое значение работы:
разработаны характеристики оценки состояния воздушной среды жилых помещений с учетом состояния наружного воздуха;
разработаны основные принципы проведения экологического мониторинга, как инструмента улучшения качества воздушной среды жилых помещений;
разработан алгоритм выбора мероприятий по нормализации состояния воздушной среды жилых помещений;
разработаны рекомендации по улучшению состояния воздушной среды жилых помещений при различном качестве наружного воздуха.
Реализации результатов работы:
рекомендации по улучшению состояния воздушной среды жилых помещений, выводы и научные результаты работы использованы ООО «Универсал Проект» при проектировании жилых зданий;
рекомендации, выводы и научные результаты исследования использованы группой предприятий «Интер-Термогаз»» при разработке проектной документации для систем вентиляции и кондиционирования;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой экологического строительства и городского хозяйства ВолгГАСУ в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 2905.00 «Городское строительство и хозяйство».
8 На защиту выносятся:
характеристики комплексной оценки уровня загрязнения воздушной среды жилых помещений;
экспериментальные зависимости, характеризующие изменение концентрации NOx по высоте на фасаде здания для оценки качества поступающего в
помещения наружного воздуха;
- экспериментальные значения, характеризующие содержание NOx в
воздушной среде жилых помещений в зависимости от концентрации NOx в
наружном воздухе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: 5-й международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2002г.); международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград 2003, 2004 гг.); ежегодных научно-практических конференциях ВолгГАСУ (Волгоград 2002 - 2004г.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 13 работ.
Анализ наружных источников загрязнения воздушной среды жилых помещений
Наружные источники, подразделяются на антропогенные и природные. Антропогенные источники поступления вредных веществ образуются в результате выбросов в атмосферный воздух от технологических установок промышленных предприятий и транспорта [11,14,18,96,102].
Среди стационарных источников особый вред здоровью человека и окружающей среде наносят предприятия энергетики, нефтехимической промышленности, черной и цветной металлургии, выбросы которых содержат вещества различных классов опасности [14,48,51].
Концентрация загрязняющих веществ от антропогенных источников может быть существенно повышена в результате неконтролируемых утечек и залповых выбросов от технологических установок промышленных предприятий, аварийных ситуаций техногенного характера, при горении отходов на бытовых и промышленных свалках, а также в результате трансграничного переноса загрязняющих веществ из соседних промышленных регио-нов[30,38,43,44,48].
С 2000 года наметилась тенденция роста промышленного производства, который в настоящее время происходит в России, сопровождается увеличением антропогенного воздействия на окружающую среду, и по темпам увеличения выбросов от промышленных предприятий представляет собой зеркальную противоположность периоду с 1995-1999 годы [11]. В связи с этим, количество загрязняющих веществ, проникающих в жилые помещения с наружным воздухом, неизбежно возрастает с каждым годом.
Промышленными предприятиями нашей области в год выбрасывается в атмосферный воздух порядка 307,8 тыс. т загрязняющих веществ. Эта цифра каждый год увеличивается почти на 6% [46,48].
Помимо промышленных предприятий, загрязнение атмосферного воздуха происходит от транспорта. По данным государственного доклада о состоянии окружающей среды, повышенному риску потери здоровья в результате загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом подвержено примерно 10-15 млн. горожан [60,62].
Основное различие антропогенных источников между собой в том, что транспорт, в отличие от промышленности находится в непосредственной близости от человека и области его дыхания.
Автомобильному транспорту как источнику загрязнения воздушной среды присущ ряд отличительных особенностей: во-первых, автомобильные выбросы распространяются на уровне дыхания человека и их рассеивание в условиях плотной городской застройки затруднено. Используемые в настоящее время меры по снижению токсичности выхлопных газов не в состоянии обеспечить желаемую степень чистоты воздушного бассейна города; во-вторых, в отличие от промышленных источников загрязнения, привязанных к отдельным площадкам и, как правило, изолированных от жилой застройки санитарно-защитными зонами, автотранспорт создает загрязнение непосредственно в городской застройке;
В год около 45% общей протяженности федеральных дорог работают в режиме, превышаемом оптимальный уровень загрузки дорог движением, 25% - в режиме перегрузки. В результате транспортные выбросы токсичных и вредных веществ на дорогах общего пользования увеличиваются на 11% ежегодно[ 11,18,68,77,78].
В числе транспортных выбросов - токсичные вещества, поступающие в атмосферу с отработавшими газами автомобилей, продукты износа шин, деталей и агрегатов, антифрикционных материалов, нефтепродукты, эксплуатационные жидкости [77,89,91].
По данным государственного доклада о состоянии окружающей среды в Российской Федерации в нашем регионе основной вклад в выбросы от стационарных источников вносят предприятия топливной промышленности, электроэнергетики, цветной металлургии. Вклад автотранспорта в суммарные выбросы превышает 40%, и эта доля неизбежно продолжает увеличиваться [20].
Увеличение негативного воздействия отработавших газов транспорта на атмосферный воздух связанно: - с тенденцией увеличения количества малотоннажных грузовых автомобилей (типа "Газель", "Бычок" и др.), осуществляющих перевозки грузов и пассажиров в черте города. - несоответствие темпов прироста протяженности и пропускной способности дорог общего пользования темпам прироста численности автомобильного парка страны [11,96,104].
При сравнении отраслей экономики России транспортный комплекс является крупнейшим загрязнителем окружающей среды. В масштабах страны доля транспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу от всех источников достигает 45%. Доля транспорта в шумовом воздействии на население составляет 85-95% на различных территория::.
Разработка характеристик оценки влияния природных источников на состояние воздушной среды жилых помещений
При направлении ветра в сторону жилой застройки и низких скоростях ветра (1-5 м/с) происходит полное рассеивание выбросов предприятия над жилой застройкой (рис.4А). При дальнейшем увеличении скорости воздуха рассеивание над жилой застройкой будет частичным (рис.4Б).
При расположении предприятия за пределами города рассеивание выбросов в зависимости от скорости и направления ветра происходит : A) в санитарно-защитной зоне; Б) над жилой застройкой; B) частичное рассеивание над жилой застройкой; Г) непопадание в жилую застройку.
Расчет рассеивания выбросов на ровном участке территории происходит по методики, разработанной в Главной геофизической обсерватории им. Воейкова под руководством М.Е.Берлянда [6]. Эта методика рассматривает рассеивание промышленных выбросов предприятий независимо от городской среды. Основная формула расчета имеет вид: _, _ AMFm-n I N где A - коэффициент, зависящий от температурной стратификации ат мосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, Ст -мг-градш/г; М - количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу времени, г/с; F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе для газов; тип безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; И - высота источника выброса над уровнем земли, м; AT - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха, С; V - - объем газовоздушной смеси, м /с. Как видно из уравнения (1) на уменьшение максимальной концентрации См влияет высота источника выброса над уровнем земли (Я), величина AT (зимний период - более благоприятен для экологической ситуации в городе).
Изменение концентрации выбросов промышленных предприятий в воздушной среде жилой застройке обусловлено различными вариантами планировочных решений. Сравнительная оценка газозащитной функции жилой застройки производится по формуле [87] К ж = Ч (2) С0п где Кзас - относительный коэффициент загазованности воздуха жилой группы; Со - максимальная концентрация диоксида азота в воздухе жилой з застройки, мг/м ; С - концентрация диоксида азота в воздухе в точках наблюдений, мг/м3; п - количество точек наблюдений.
Из формулы (2) следует, что чем меньше величина Кзас, тем выше защитный эффект застройки в отношении внутриквартальной территории. Для указанных вариантов размещения домов значения К1ас приведены в табл. 2.1.
При разработке характеристик оценки выбросов промышленных предприятий, как источника загрязнения воздушной среды жилых помещений, были проанализированы основные факторы, влияющие на содержание выбросов на фасаде жилого здания, можно представить в виде линейного уравнения множественной регрессии СПФ.З. =/([См], [-LI [-VBl НУвЫ-СЫ, [-СПЛ.Р], [±/ , [±Сут])- (3) м где С L Nu г с максимальная расчетная концентрация определяется по формуле (1), расстояние от источника выбросов до жилой застройки; скорость ветра, м/с; направление ветра; снижение концентрации веществ санитарно-защитной зоной; снижение концентрации за счет различных планировочных решений; Г0д - изменение концентрации, в зависимости от времени года; Сущ - изменение концентрации в зависимости от времени суток.
Знак соответствующий каждому из факторов представленных в уравнении (3) будет показывать направление влияния фактора на изменение величины концентрации в воздушной среде жилых помещений. В случае отрицательного знака - фактор уменьшает концентрацию, т.е. является экологически благоприятным. В случае положительного знака - фактор увеличивает концентрацию, т.е. является экологически неблагоприятным.
Из всех величин представленных в выражении (3), изменение концентрации в зависимости от времени суток (С ), снижение концентрации сани-тарно-защитной зоны можно считать менее значимыми по отношению к другим факторам.
Наиболее значимыми характеристиками оценки промышленных выбросов применительно к состоянию воздушной среды жилых помещений будут являться:
1. Месторасположение источника выброса. Т.к. месторасположение определяет эффективность дальнейшего рассеивания выбросов от источника до конкретного исследуемого здания. Эта характеристика объединяет такие показатели как расстояние от источника до жилого здания, снижение концентрации различными типами планировочных решений и схем застройки;
2. Движение атмосферного воздуха. В эту характеристику оценки входят наиболее частая повторяемость скоростей и направлений в течение года:
3. Характеристика оценки годового изменения. Годовому изменению подвержены как природные факторы влияющие на изменение концентрации выбросов, так и концентрация на выходе из источника. Как видно из уравнения (1) на уменьшение максимальной концентрации См влияет высота источника выброса над уровнем земли (И), величина AT (зимний период — более благоприятен для экологической ситуации в городе).
Планирование экспериментальных исследований в жилых помещениях
Целью натурных исследований является определение количественной оценки влияния состояния наружного воздуха на качество воздуха жилых помещений.
В продолжение натурных исследований проведенных в главе 2, целью которых было определение концентрации оксидов азота проведенных в жилой застройке и на фасаде здания, исследования влияния качества наружного воздуха на состояние внутреннего были направлены на определение концен трации оксидов азота в жилых помещениях. Натурные исследования проводились при наиболее неблагоприятных условиях, соответствующих максимальным концентрациям оксидов азота воздушной среде жилой застройки. Из результатов проведенных натурных исследований (гл.2) концентрации оксидов азота в воздухе жилой застройки имеют максимальные значения в июле-августе, поэтому исследования в жилых помещениях проводились в этот период.
Выбор объекта исследования (жилого здания) был обусловлен присутствием на его фасаде максимальных концентраций оксида азота, поэтому для исследования внутреннего воздуха отбор проб производился внутри жилых помещениях девятиэтажного жилого здания расположенного параллельно направления движения автотранспорта (ул .Елецкая).
Жилые помещения, в которых производился отбор проб оксида азота, были выбраны на первом, пятом, девятом этажах здания. Выбор обусловлен тем, что известны значения концентраций NOx по высоте на фасаде данного жилого здания, что позволит произвести их сравнение с полученными внутри жилых помещений. А также, даст возможность охарактеризовать изменение концентраций в жилых помещениях в зависимости от высоты расположенил квартиры. Отбор проб воздуха в жилых помещениях проводился при двух режимах: 1) полностью закрытые оконные проемы; 2) в режиме проветривания (при открытой оконной форточке).
Одним из обязательных условий проведения эксперимента было наличие в жилых помещений оконных конструкций с нормативной воздухопроницаемостью.
Результаты проведенных исследований позволили оценить степень влияния наружного воздуха на качество внутреннего воздуха при открытых и закрытых оконных конструкциях и одновременно определить их эффективность.
Методика проведения натурных исследований в жилых помещениях основана на поглощении диоксида азота раствором иодида калия. В каждой квартире для получения среднего показателя концентрации NOx были взяты 20 проб. Замеры проводились на уровне 1,5 метра от уровня пола, в зоне дыхания человека. Отбор проб проводился в течении 20 минут. Количественный анализ атмосферных примесей производился после их концентрирования, которое осуществляется протягиванием воздуха через соответствующие поглотительные среды или фильтрующие материалы. Для предварительного анализа использовался экспресс-анализатор выбросои многокомпонентный «Инспектор-1», который представляет собой прибор ручного действия и предназначен для экспресс определения концентрации газов СО, SO2, NO+N02, NH3 и H2S в атмосфере.
Объем воздуха, отобранного для анализа, находится как произведение времени отбора и скорость аспирации, которая определяется, при помощи ротаметров, встроенных в электроаспираторы. В качестве воздухозаборной аппаратуры для анализа атмосферного воздуха использовался универсальный электроаспиратор Мигунова-Кабанова (УАМК-3).
Отбор проб на газовые примеси производится в поглотительные приборы или индикаторные трубки, заполненные соответствующими жидкостями или порошком. Поглотительные приборы при помощи резиновых шлангов присоединяются к электроаспиратору.
По окончании эксперимента содержание поглотительных приборов переносится в колориметрические пробирки и объем их доводят чистым поглотительным раствором до 5мл. приливают по 0,5 мл. приливают по 0,5 мл раствора Грисса-Илосвая и хорошо перемешивают. Через 10 минут после внесения раствора Грисса-Илосвая и непосредственно перед определением добавляют 5 капель 0,0IN раствора сульфита натрия, взбалтывают и сразу фото-метрируют в кюветах с толщиной слоя 2 см при длине волны 520мм по срав нению с контролем. Содержание NO2 в анализируемом объеме определяют по предварительно построенному калибровочному графику.
Метод определения диоксида азота основан на поглощении диоксида азота раствором иодида калия и определения иона нитрита по реакции Грис-са-Илосвая. Диоксид азота реагирует с сульфаниловой кислотой с образованием диазосоли, которая с К-(І-нафил-) этилендиамином дает азокраситель, окрашивающий раствор от бледно-розового до красно-фиолетового цвета. Содержание диоксида азота определяют фотометрически. Чувствительность определения 0,3 мкг NO2 в анализируемом объеме раствора. Озон не мешает определению до концентрации, превышающих концентрацию NO2 в 2-3 раза.
Разработка системы балльной оценки состояния воздушной среды жилых помещений
Приток воздуха осуществляется непосредственно в жилых помещениях, удаление воздуха происходит из подсобных помещений и может обеспечиваться как естественной вентиляцией, так и механической.
При наличии концентраций вредных веществ в воздушной среде по всему фасаду, но забор воздуха может осуществляться с крыши здания, рекомендовано применение в данном случае механической приточной вентиляции совместно с естественной вытяжной вентиляцией. Так как, в современных условиях проблема энергосбережения является весьма актуальной, удаление внутреннего воздуха без возможности утилизации теплоты экономически не целесообразно. В связи с этим рекомендовано применение следующих принципиальных схем воздухообмена (рис.28, 29).
Применение централизованной механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией тепла даст возможность: - обеспечивать гарантированную подачу необходимого объема воздуха в каждую квартиру; - обеспечить централизованную очистку наружного воздуха в приточной камере; - подачи воздуха необходимой температуры в зависимости от периода года (зима, лето); - повышения экологической безопасности воздушной среды жилых помещений; - совмещения вентиляции жилого здания с системой отопления (кондиционирования), что сделает систему отопления и вентиляции более дешевой; - обеспечить работоспособность вентиляции (постоянное вентилирование всего жилого пространства), что благоприятно отразится на понижении уровня загрязнения воздушной среды жилья, в следствии насыщения его неконтролируемыми источниками загрязнений; - снятия с оконных конструкций функции приточных устройств воздуха.
Рис.28. Схема вентиляции при экологически не безопасном качестве наружного воздуха по всему фасаду здания, но забор воздуха может осуществляться с крыши жилого здания Для осуществления выше перечисленного, необходимо чтобы система механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией тепла обладала: - возможностью регулирования воздухообмена в течении суток; - устройством дополнительного подогрева воздуха непосредственно перед квартирой, присоединенное к системе централизованного теплоснаб жения (или центрального отопления). Необходимость использования догрева воздуха может возникнуть при снижении температуры наружного воздуха ниже -5....-10 С. Не исключена возможность использования этого калорифе ра (догревателя воздуха) в летнее время как воздухоохладителя путем подачи в него холодоносителя из холодильной установки, если таковые имеются. При этом в жилых комнатах температура воздуха будет снижаться — возможно не до вполне комфортной, но до более приемлемой, чем без охлаждения.
Схема центральной системы приточно-вытяжной вентиляции с механическим побуждением и тешгорекуператором, совмещенная с воздушным отоплением (разрез 1-1) На рис.29 и 30 представлена схема приточно-вытяжной системы вентиляции с механическим побуждением и теплорекуператором, которая рекомендуется при концентрациях вредных веществ в наружном воздухе превышающих ПДК. 1 — вентиляционно-отопительный центр: имеет приточный и вытяжной вентилятор, противоточный агрегат с рекуператором теплоты, фильтры из синтетического моющегося материала, которые защищают рекуперационный блок от загрязнения; 2 — вертикальный теплоизолированный канал для подачи подогретого воздуха по квартирам; — вертикальный вытяжной канал для присоединения вытяжки из квар тир; 4 — приточные теплоизолированные квартирные каналы; 5 — вытяжные квартирные каналы При наличии концентраций вредных веществ в наружном воздухе по всей высоте фасада жилого здания возможна децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты, принципиальная схема которой представлена на рисунке 31.
