Влияние концентрации углекислого газа на организм человека

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрено влияние концентрации углекислого газа на организм человека. Данная тема актуальна в связи с частым нарушением уровня комфортной концентрации СО₂ в закрытых помещениях, а также в связи с отсутствием в России нормативов на содержание углекислоты.

ABSTRACT

In this paper, the effect of the concentration of carbon dioxide on the human body is considered. The actual topic is topical in connection with the frequent violation of the level of comfort of CO₂ concentration in enclosed premises, as well as in concentration with the absence in Russia of standards for the content of carbon dioxide. 

Дыхание — физиологический процесс, гарантирующий течение метаболизма. Для комфортного существования человек должен дышать воздухом, состоящим из 21,5% кислорода и 0,03 – 0,04% углекислого газа. Остальное заполняет двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха, один из самых распространённых элементов на Земле – азот.

Таблица 1.

Параметры содержания кислорода и углекислого газа в различных средах [2]

При концентрации углекислого газа выше 0,1% (1000 ppm [parts per million]) возникает ощущение духоты: общий дискомфорт, слабость, головная боль, снижение концентрации внимания. Также увеличивается частота и глубина дыхания, происходит сужение бронхов, а при концентрации выше 15% - спазм голосовой щели. При длительном нахождении в помещениях с избыточным количеством углекислого газа происходят изменения в кровеносной, центральной нервной, дыхательной системах, при умственной деятельности нарушается, восприятие, оперативная память, распределение внимания.

Существует ошибочное мнение, что это проявления нехватки кислорода. На самом деле, это признаки повышенного уровня углекислого газа в окружающем пространстве.

В то же время углекислый газ, необходим организму. Парциальное давление углекислого газа влияет на кору головного мозга, дыхательный и сосудодвигательный центры, углекислый газ также отвечает за тонус сосудов, бронхов, обмен веществ, секрецию гормонов, электролитный состав крови и тканей. А значит, опосредованно влияет на активность ферментов и скорость почти всех биохимических реакций организма.

Уменьшение содержания кислорода до 15% или увеличение до 80% не существенно влияет на организм. В то время как на изменение концентрации углекислого газа на 0,1% оказывает существенное негативное воздействие. Отсюда можно сделать вывод о том, что углекислый примерно в 60-80 раз важнее кислорода.

Таблица 2.

В зависимость количества выделяемого углекислого газа от вида деятельности человека [1]

Современный человек очень много времени проводит в помещении. В условиях сурового климата люди пребывают на улице всего 10 % своего времени.

В помещении концентрация углекислоты растет быстрее, чем понижается концентрация кислорода. Данную закономерность можно проследить по графикам, полученным опытным путем в одном из школьных классов

Рисунок 1. Зависимость уровня углекислого газа и кислорода от времени [1].

Уровень углекислого газа в классе во время урока (а) постоянно растет. (Первые 10 минут - настройка приборов, поэтому показания скачут.) За 15 минут перемены при открытом окне концентрация СО₂ падает и затем снова растет. Уровень кислорода (б) практически не меняется.

При концентрации углекислого газа внутри помещения выше 800 — 1000 ppm, люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ), а здания носят наименование «больные». Уровень примесей, которые могли бы вызвать раздражение слизистых оболочек, сухой кашель и головную боль растет значительно медленнее, чем уровень углекислого газа. А когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ppm (0,08%), то и симптомы СБЗ становились слабее. Проблема СБЗ стала актуальна после появления герметичных стеклопакетов и низкой эффективности принудительной вентиляции из-за экономии электроэнергии. Бесспорно, причинами СБЗ могут выступать выделения строительных и отделочных материалов, споры плесени и т д. при ненадлежащей вентиляции концентрация этих веществ будет расти, но не так быстро, как концентрация углекислоты.

Таблица 3.

Как разные количества углекислого газа в воздухе влияют на человека [1]

Проблема повышенного уровня углекислого газа в помещении существует во всех странах. Ей активно занимаются в Европе США и Канаде. В России нет жестких норм на содержание в помещениях углекислого газа. Обратимся к нормативной литературе. В России норма воздухообмена не менее 30 м³/ч [3]. В Европе – 72 м³/ч [5].

Рассмотрим, как были получены данные цифры:

Главный критерий – это объем углекислого газа, выделяемый человеком. Он, как было рассмотрено ранее, зависит от вида деятельности человека, а также от возраста, пола и т. д. Большинство источников рассматривают 1000 ppm как предельно-допустимую концентрацию углекислоты в помещении для длительного пребывания.

Для расчётов будем использовать обозначения:

•         V - объем (воздуха, углекислого газа, и т.д.), м³;
•         V_k - объем комнаты, м³;
•         V_СО2 - объем СО₂ в помещении, м³;
•         v - скорость газообмена, м³/ч;
•        v_в - "скорость вентиляции", объем воздуха, подаваемого в помещение (и удаляемого из него) за единицу времени, м³/ч;
•         v_d - "скорость дыхания", объем кислорода, замещаемого углекислым газом в единицу времени. Коэффициент дыхания (неравность объема потребляемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа) не учитываем, м³/ч;
•         v_СО2 - скорость изменения объема СО₂ , м³/ч;
•         k – концентрация, ppm;
•         k(t) - концентрация СО₂ от времени, ppm;
•         k_в - концентрация СО₂ в подаваемом воздухе, ppm;
•         k_max - максимально допустимая концентрация СО₂ в помещении, ppm;
•         t – время, ч.

Найдем изменение объема СО₂ в помещении. Оно зависит от поступления СО₂ с приточным воздухом из системы вентиляции, поступления СО₂ от дыхания и удаления загрязненного воздуха из помещения. Будем считать, что СО₂ равномерно распределяется по помещению. Это значительное упрощение модели, но дает возможность быстро оценить порядок величин.

dV_СО2(t) = dV_в * k_в + v_d * dt - dV_в * k(t)

Отсюда скорость изменения объема СО₂:

v_СО2(t) = v_в * k_в + v_d - v_в * k(t)

Если человек вошел в помещение, то концентрация СО₂ будет расти до тех пор, пока не придет к равновесному состоянию, т.е. удаляться из комнаты будет ровно столько, сколько поступила с дыханием. То есть скорость изменения концентрации будет равна нулю:

v_в * k_в + v_d - v_в * k = 0

Установившаяся концентрация будет равна:

k = k_в + v_d / v_в

Отсюда легко выяснить необходимую скорость вентиляции при допустимой концентрации:

v_в = v_d / (k_max – k_в)

Для одного человека с v_d = 20л/час (=0.02 м³/ч), k_max = 1000ppm (=0.001) и чистым воздухом за окном с v_в = 400ppm (=0.0004) получим:

v_в = 0.02 / (0.001 - 0.0004) = 33 м³/ч.

Мы получили цифру, данную в СП. Это минимальный объем вентиляции на человека. Она не зависит от площади и объема комнаты, только от "скорости дыхания" и объема вентиляции. Таким образом, в состоянии спокойного бодрствования концентрация СО₂ вырастет до 1000 ppm, а при физической активности будет превышение норм.

Для других значений k_max объем вентиляции должен быть:

Таблица 4.

Требуемый воздухообмен для поддержания заданной концентрации СО₂

Из этой таблицы можно найти требуемый объем вентиляции при заданном качестве воздуха.

Таким образом, воздухообмен 30 м³/ч, принятый нормативным в России не позволяет чувствовать себя комфортно в помещении. Европейский стандарт воздухообмена 72 м³/ч позволяет одерживать концентрацию углекислого газа, не влияющую на самочувствие человека.