2.1.2 Onesnaženost z ogljikovim dioksidom
Posebno poglavje zaradi vpliva na počutje ljudi v prostorih zahteva onesnaženost zraka zaradi ogljikovega dioksida. Onesnaženost zraka z ogljikovim dioksidom ima občuten vpliv na počutje in zdravje človeka v zaprtih prostorih, pri čemer so raziskave pokazale, da je mejna koncentracija ogljikovega dioksida, pri kateri se človek v prostoru še počuti ugodno 1000 ppm. Koncentracija CO2 je dober pokazatelj kakovosti zraka, kadar v prostoru ni prisotnih drugih onesnaževalcev. Tipične koncentracije CO2 in njihov vpliv na ljudi prikazuje slika 2.3.
Teoretične osnove in pregled literature
Vrednosti ogljikovega dioksida, ki vplivajo na kakovost zraka razdelimo v kategorije, ki so prikazane v tabeli 2.2.
Tabela 2.2: Koncentracije CO2 za posamezne kategorije kakovosti zraka
Kategorija
V primeru stacionarnega stanja lahko povezavo med koncentracijo CO2 [ppm] in zaznano kakovostjo zraka C [decipol] popišemo s pomočjo števila izmenjav zraka, ki jo podaja enačba (2.3), kjer člen GCO2 predstavlja generacijo ogljikovega dioksida v prostoru, ki je podana v enotah [ppm/h], cCO2i koncentracijo ogljikovega dioksida v prostoru in cCO2e
koncentracijo ogljikovega dioksida v svežem zraku.
(2.3)
Kakovost zraka izraženo v decipolih lahko določimo tudi na podlagi koncentracij CO2 v prostoru in svežem zraku, kadar ni prisotnih drugih virov onesnaženja, ko so prisotni samo viri, ki emitirajo CO2. Določimo jo po enačbi (2.4)[2].
(2.4)
2.2 Prezračevanje
Prezračevanje je proces dovajanja svežega zunanjega zraka, s katerim ohranjamo oz.
izboljšujemo kakovost zraka v prostoru. Z dovajanjem svežega zraka ohranjamo zrak v prostoru prijeten in svež ter pri tem iz zraka odstranjujemo onesnažila, ki ga obremenjujejo. Potrebne količine zraka za ustrezno prezračevanje ureja zakonodaja preko pravilnika o prezračevanju in klimatizaciji, ki določa minimalne količine zraka glede na namembnost in obremenitev prostora. Tako je določeno, da mora biti najmanjši potrebni vtok zunanjega zraka 15 m3/h na osebo v prostorih, kjer kajenje ni dovoljeno in 45 m3/h na osebo v prostorih, kjer je kajenje dovoljeno. Prav tako podaja potrebno izmenjavo zraka (t.j. čas v katerem se zamenja celoten volumen zraka v prostoru), kjer je določeno, da je
Teoretične osnove in pregled literature
minimalna potrebna volumska izmenjava zraka v prostoru 0,5 krat na uro, kadar je prostor namenjen bivanju in delu ter so v njem prisotni ljudje. Kadar ni prisotnosti ljudi v teh prostorih, pa je potrebno zagotavljati izmenjavo zraka v prostoru 0,2 krat na uro, s čimer odstranjujemo emisije, ki jih povzroča stavba in preprečujemo druge škodljivosti, kot je denimo kondenzacija in posledično nabiranje plesni.[3]
2.2.1 Učinkovitost prezračevanja
Pravilnik o prezračevanju in klimatizaciji stavb (Ur. List RS, št. 42/2002) določa učinkovitost prezračevanja kot razmerje med koncentracijo onesnažil v odtočnem zraku in koncentracijo onesnažil v coni dihanja (bivalna cona).
(2.5)
V osnovi pri učinkovitosti prezračevanja definiramo dva kriterija: stalno obnavljanje prostorskega zraka z dovajanjem svežega in pa učinkovitost odstranjevanja onesnažil v prostoru z dovodom svežega zraka. Poznamo globalno (velja za cel prostor) in lokalno učinkovitost. V nadaljevanju bosta predstavljeni globalni učinkovitosti.
1. Učinkovitost izmenjave zraka
Z učinkovitostjo izmenjave zraka se ukvarjamo predvsem v fazi načrtovanja prezračevalnega sistema. Podaja jo enačba (2.6), ki opisuje, kako hitro se zamenja zrak v prostoru glede na najhitrejšo teoretično izmenjavo pri enakem pretoku zraka. Najhitrejšo teoretično izmenjavo dosežemo pri idealnem batnem toku. Največjo učinkovitost dosežemo, ko je potreben čas izmenjave zraka v prostoru čim krajši.
(2.6)
2. Učinkovitost odstranjevanja onesnažil
Druga vrsta učinkovitosti se nanaša na uspešnost odstranjevanja onesnažil, ki obremenjujejo prostorski zrak. Kriterij temelji na primerjavi koncentracije onesnažil v odvedenem in prostorskem zraku. Dobro učinkovitost dosežemo, kadar je koncentracija onesnažila v prostoru v primerjavi s koncentracijo v odvedenem zraku majhna, pri čemer je koncentracija v odvedenem zraku odvisna samo od količine onesnažila in pretoka zraka, neodvisna pa od vrste prezračevanja. Učinkovitost odstranjevanja onesnažil popisuje enačba (2.7).
Teoretične osnove in pregled literature
2.2.2 Naravno prezračevanje
O naravnem prezračevanju govorimo, kadar se za izmenjavo zraka izkorišča naravne fizikalne lastnosti zraka pri različnih temperaturah v prostorih in zunaj njih. Pri naravnem prezračevanju se ne poslužujemo uporabe dodanih mehanskih naprav. Slabost naravnega prezračevanja je kontrola kakovosti dovedenega zraka, ki je praktično nimamo, ampak jo definira zunanji, okoliški zrak, ki vdira v prostor. Poznamo več načinov naravnega prezračevanja[4]:
- Infiltracija: do infiltracije pride zaradi netesnosti stavbe, predvsem v delu, kjer se nahajajo okna in vrata, manjši del pa prehaja tudi skozi zid. Pogoj za infiltracijo je tlačna razlika med zunanjim in notranjim zrakom, ki je največkrat posledica razlike temperatur, občasno tudi vetra.
- Okensko prezračevanje: pod okensko prezračevanje uvrščamo izmenjavo zraka, ki je posledica odpiranja oken. Kadar ima zunanji zrak nižjo temperaturo od notranjega in ni prisotnosti vetra, zunanji zrak v prostor vdira skozi spodnji del odprtine, medtem pa notranji zrak skozi zgornji del odprtine izhaja v okolico. Na tak način prihaja do izmenjave zraka v prostoru.
- Lovilci vetra oz. vetrni stolpi: pri vetrnih stolpih izkoriščamo hitrost vetra. Pri tem pride v smeri pihanja vetra na lovilcu do zastojnega tlaka, ki porine hladen zrak v prostor, na drugi strani pa zaradi vzgona topel zrak iz prostora izhaja. Primer vetrnega stolpa je prikazan na sliki 2.4.
- Dvojne fasade: poznamo več različnih izvedb: stavbna, etažna, škatlasta. Dvojna fasada nudi boljšo izolativnost stavbe, posledično manjše izgube. Omogoča bolj učinkovito naravno prezračevanje in hlajenje v nočnem času. Slabost dvojnih fasad je slaba akustična izolativnost in pa dovzetnost za pregrevanje v poletnem času, kar običajno rešujemo s prepihovanjem.
- Solarni dimniki, atriji, prezračevalne komore, kanali, …
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.4: Vetrni stolpi
2.2.3 Mehansko prezračevanje
Pri mehanskem prezračevanju se poslužujemo vgradnje mehanskih naprav, ki jih uporabljamo za pripravo in izmenjavo zraka. Za razliko od naravnega prezračevanja imamo pri mehanskem večji nadzor nad stanjem vpihanega zraka, saj je pred vpihovanjem podvržen različnim procesom, s katerimi spreminjamo njegovo vlažnost, temperaturo, prav tako pa lahko zrak tudi filtriramo, s čimer odstranimo različne prašne delce. Sisteme mehanskega prezračevanja delimo na lokalne in centralne, pri čemer s centralnimi prezračujemo celotno oz. večji del stavbe, z lokalnimi pa samo dele stavbe, kot so denimo posamezni prostori. Poznamo več načinov mehanskega prezračevanja[5]:
- Izpodrivno prezračevanje: svež zrak vpihavamo v prostor običajno skozi difuzorje, ki so locirani malo nad višino tal. Zrak, ki v prostor vstopa je relativno hladen, običajno med 1 do 3 °C hladnejši od zraka v prostoru. Pri prehodu vpihanega zraka skozi prostor, kjer so prisotni različni toplotni viri (običajno različne elektronske naprave, ljudje, …), se zrak segreje, zaradi česar se mu spremeni temperatura, vzpostavi se temperaturni gradient, zaradi česar se segreti zrak dvigne proti stropu.
Potrebujemo tudi izstopni kanal, ki je običajno nameščen malo pod višino stropa.
Izpodrivno prezračevanje je primerno predvsem za prezračevanje visokih prostorov. Pri tem načinu prezračevanja je učinkovitost odstranjevanja onesnažil
Teoretične osnove in pregled literature
zraven druge, zrak vpihujemo v prostor. Zrak se skozi prostor giba na enak način kot bat v cilindru, nujno pa je potrebna odprtina za odvod zraka.
- Mešalno prezračevanje: najpogosteje je uporabljeno turbulentno mešalno prezračevanje. V tem primeru skozi difuzorje, šobe, rešetke ipd. z relativno veliko hitrostjo vpihujemo zrak v prostor, zaradi česar pride do pojava intenzivnega mešanja svežega in prostorskega zraka zaradi indukcije. Zaradi omenjenih pojavov, se hitrost vpihovanega curka in temperaturna razlika med curkom in zrakom v prostoru zmanjšujeta. Temperatura zraka po višini prostora je v primeru mešalnega načina konstantna. Tak način prezračevanja pogosto uporabljamo, saj omogoča natančno uravnavanje temperature in kakovosti prostorskega zraka. Njegova slabost pa je možnost občutka prepiha, ki se pojavi zaradi visokih hitrosti vpihovanega zraka.
Prezračevanje lahko v tri skupine razdelimo tudi na podlagi tlačnih razmer: nadtlačno, podtlačno in enakotlačno, pri čemer je:
- Nadtlačno, kadar je tlak v prostoru višji od tlaka okolice, pri čemer zrak iz prostora izhaja v okolico, kar je primerno, kadar so zahteve po kvaliteti zraka v prostoru visoke, kot so denimo v primeru operacijskih sob.
- Podtlačno, kadar je tlak v prostoru nižji od okoliškega, zaradi česar pride do vdora zunanjega zraka v prostor. Takega načina se poslužujemo, kadar je prostor obremenjen denimo z vonjavami, za katere ne želimo, da se širijo po ostalih prostorih, npr. v toaletnih prostorih.
- Enakotlačno, kadar sta tlaka v prostoru in zunaj njega enaka. Potrebne so rešetke, pri čemer naj bi bila toka vtočnega in zavrženega zraka enaka.
2.2.4 Filtriranje zraka
Ker več kot 80 % časa preživimo v zaprtih prostorih je pomen kakovosti zraka v njih ključnega pomena. V zadnjem času se veliko pozornosti namenja tematiki prašnih delcev in njihovega vpliva na človekovo zdravje. Velikost delcev merimo v mikrometrih in jih označujemo s kratico PM, pri čemer kratici dodamo številko, ki popisuje največji premer delca (npr. PM10 za delce, katerih diameter ne presega 10 mikrometrov). Z manjšanjem premera delca se njegova nevarnost za zdravje človeka povečuje. Tako se denimo delci razreda PM10, ki v zraku nekaj časa vztrajajo, dokler zaradi gravitacije ne padejo na tla, pri človeku odlagajo v sapniku. Drugi razred delcev, ki predstavlja večjo nevarnost za zdravje je PM2,5. Delci s takim in manjšim premerom se v zraku zadržujejo in zaradi svoje majhnosti ne padajo proti tlom, ampak je za njihovo odstranitev potreben intenziven veter oz. padavine. Ti delci se v človeškem telesu nalagajo v pljučnih bronhijih in bronhiolih, kar privede do zdravstvenih težav. Najbolj nevarni za človeka pa so delci razreda PM1, ki se v telesu nalagajo v pljučnih mešičkih in nato potujejo naprej v krvi obtok[6]. Tipični premeri nekaterih prašnih in ostalih delcev so ponazorjeni na sliki 2.5.
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.5: Tipični premeri različnih delcev
2.2.4.1 Principi filtriranja
Filtracija v odvisnosti od velikosti delca poteka na različne načine. Shematsko so le-ti prikazani na sliki 2.6. Gre za:
- Sejanje: kadar je premer delca večji, kot je medprostor med posameznimi vlakni filtra, se delec zadrži na principu sita.
- Inercijski nalet: trajektorija gibanja delca sovpada z vlaknom, zaradi česar se delec na vlaknu ustavi. Delec je manjši od medprostora med vlakni.
- Prestrezanje: pri prestrezanju delec, ki je manjši od medprostora pri potovanju skozi filter zaradi trkov v vlakna izgublja hitrost, dokler ne obstane na enem od vlaken. Za prestrezanje se lahko poslužimo tudi načina elektrostatične privlačnosti, kjer so vlakna nabita z nasprotnim nabojem kot delci, zaradi česar pride do privlačnosti in posledično prestrezanja.
- Difuzija: delec manjšega premera kot medprostor se ob vstopu v filter ujame v Brownovo gibanje, zaradi česar se mu hitrost pri potovanju skozi filter zaradi trkov zmanjšuje, dokler se popolnoma ne ustavi na enem od vlaken.
- Gravitacijsko odlaganje: na spodnji sliki sicer ni prikazano, a del delcev se odloži še pred srečanjem z vlakni kot posledica delovanja gravitacije.
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.6: Principi filtracije[1]
Različni principi filtracije pa dosegajo različne učinkovitosti. Učinkovitosti različnih principov prikazuje graf na sliki 2.7. Modra krivulja prikazuje skupno učinkovitost filtriranja filtra v odvisnosti od velikosti delcev, pri čemer lahko opazimo, da ima približno parabolično obliko. Teme parabole predstavlja najbolj prepustno velikost delcev, ki jih filter najslabše filtrira, tako imenovani MPPS.
Slika 2.7: Učinkovitost filtracije v odvisnosti od velikosti delcev
2.3 Hlapne organske spojine
Hlapne organske spojine predstavljajo organske kemikalije, ki imajo pri sobni temperaturi visok tlak pare, kar rezultira v nizki temperaturi uparjanja. Kljub temu, da igrajo pomembno vlogo v živalskem in rastlinskem svetu, kjer so preko vonjav odgovorne za nekakšno komunikacijo med rastlinami in živalmi – denimo zaščita, pa lahko predstavljajo
Teoretične osnove in pregled literature
nevarnost za okolje in človeško zdravje. Zaradi omenjenih učinkov je zato potrebna njihova zakonska regulacija, ki se nanaša predvsem na antropogene hlapne organske spojine, katerih koncentracija v notranjem okolju je največja. Kljub temu, da večina spojin ne predstavlja nevarnosti akutne toksičnosti, pa imajo običajno dolgoročnejše vplive na človeško zdravje, predvsem v obliki kroničnih bolezni. Nekatere največje antropogene vire, kot posledica človeškega delovanja predstavljajo[7]:
- Proizvodnja in uporaba fosilnih goriv (nepopolno zgorevanje in izhlapevanje) – etan
- Topila uporabljena v premazih, barvah in barvilih – glikol, aceton - Stisnjeni aerosolni izdelki – butan, propan
- Bio goriva
- Zgorevanje lesne biomase, predvsem nepopolno zgorevanje
Izpostavljenost hlapnim organskim spojinam v bivalnih okoljih se je z napredkom človeštva močno povečala. Izboljšanje toplotnega ovoja stavb v smislu porabe energije je veliko prinesla k temu problemu, saj se je z izboljšanjem predvsem izolacije v veliko primerih zmanjšalo prezračevanje, kar vodi v večje koncentracije onesnaženja zraka s hlapnimi organskimi spojinami. Znotraj tipičnega delovnega prostora, kot je denimo pisarna, obstaja vrsta virov onesnaženja s hlapnimi organskimi spojinami kot so barve in laki na vseh komponentah znotraj prostora, organska topila, kozmetični produkti, stavbni materiali, pohištvo, pisarniška oprema, kopirni stroji in tiskalniki, ipd. Kljub temu, da prisotnost organskih hlapnih spojin (VOC) v veliko primerih povezujemo s sindromom bolnih stavb, imajo lahko le-te tudi dolgoročne zdravstvene posledice. Tako se lahko poleg kratkoročnih simptomov kot so dražeča sluznica grla, nosu in oči, glavobol, alergijske kožne reakcije, nahod, vrtoglavice in podobno, pojavijo tudi težja zdravstvena stanja, kot so pojav rakavih obolenj in vpliv na vaskularni in živčni sistem. WHO je ugotovila povezavo nekaterih VOC v notranjem okolju z resnimi zdravstvenimi težavami. Tako je denimo benzen dokazano kancerogena hlapna organska spojina, medtem ko n-heksan, heptan in oktan povzročajo obolenja centralnega živčnega sistema pri človeku[8]. V tabeli 2.3 je prikazana razvrstitev organskih hlapnih spojin v notranjem zraku.
Tabela 2.3: Razvrstitev organskih hlapnih spojin v notranjem zraku[11]
Poimenovanje Območje vrelišče [°C] Parni tlak nasičenja
pri 25 °C [kPa]
Teoretične osnove in pregled literature
zadnjem času se raziskuje različne nove načine odstranjevanja, med katerimi se je kot obetavna izkazala prisotnost zelenja v notranjih prostorih. Gre za rastline, ki za svoje procese akumulirajo VOC in s tem zmanjšujejo njihovo koncentracijo v prostorskem zraku. Poleg izboljšane kvalitete zraka, je to tudi ekonomsko prijazna metoda. Za uspešno odstranjevanje spojin je potrebna velika količina takih rastlin, kar lahko pri prostorski stiski predstavlja določen problem. Rešitev se ponuja v integraciji tako imenovanih živih zidov, ki omogočajo veliko gostoto rastlin na relativno majhnem prostoru. Primer takega zidu prikazuje slika 2.8.
Slika 2.8: Živi rastlinski zid za zmanjševanje obremenitve zraka z VOC
2.3.1 Skupne hlapne organske spojine
Poleg merjenja posameznih organskih spojin se je zaradi poenostavljene predstavitve, poročanja oz. primerjanja uveljavil tudi koncept merjenja skupnih hlapnih organskih spojin (TVOC). Največkrat skupno količino hlapnih organskih spojin določimo s pomočjo plinske kromatografije, kjer seštevamo mase posameznih spojin znotraj določenega območja kromatograma. Kljub enostavnosti predstavitve onesnaženosti zraka pa so mnenja glede uporabe metode deljena, saj nizka vrednost skupnih organskih spojin v zraku ne pomeni nujno tudi dobre kakovosti zraka v prostoru. Glavna pomanjkljivost metode je različna toksičnost posameznih hlapnih organskih spojin, ki se od spojine do spojine lahko razlikuje tudi za šest velikostnih razredov, zato se lahko zgodi, da je prisotnost posamezne spojine v zraku mnogo večja od njene mejne vrednosti, kar pa samo iz vrednosti meritev skupne obremenjenosti zraka s hlapnimi spojinami ni mogoče razbrati.
2.3.2 Merjenje VOC
Teoretične osnove in pregled literature
Poznamo dve vrsti merjenja prisotnosti organskih hlapnih spojin – merjenje prisotnosti posameznih spojin in pa merjenje obremenjenosti z mešanico vseh spojin (TVOC), pri čemer pri slednjem na podlagi meritve ene same spojine in pa poznavanja približnih deležev posameznih spojin sklepamo na obremenjenost zraka z VOC. Ta metoda poda številčno vrednost, ki nam podaja obremenjenost zraka. V osnovi metode merjenja delimo na dve skupini, glede na količino informacij, ki jih posamezna metoda poda: instrumenti za neposredno odčitavanje in pa separacijske metode[9]. Obe skupini metod bosta podrobneje predstavljeni v nadaljevanju.
2.3.2.1 Instrumenti za neposredno odčitavanje
Gre za preprostejšo metodo, kjer se poslužujemo uporabe kemičnih ali bioloških zaznavnih merilnih sistemov, kjer mešanice VOC ne razbijemo na posamezne komponente, ampak jo obravnavamo kot celoto na podlagi meritve ene same komponente. Uporaba teh metod ima prednost v enostavni uporabi, so prenosne in zaradi podajanja signala v realnem času omogočajo merjenje tudi velikih skokov v koncentraciji. Na drugi strani njihove slabosti predstavlja predvsem odzivnost tudi na druge organske spojine prisotne v zraku, ne samo na hlapne, prav tako pa ne podajajo kvalitativne informacije o mešanici VOC, saj so običajno senzorji kalibrirani samo za določeno organsko spojino, zaradi česar so tudi rezultati podani kot ekvivalentna vrednost te spojine[9]. Nekaj senzorjev, ki jih uporabljamo za določanje obremenjenosti z VOC, bo predstavljenih v nadaljevanju.
FID senzor (plamensko ionizacijsko zaznavalo)
Gre za najpogosteje uporabljen senzor, predvsem zaradi svoje stabilnosti in možnosti zaznavanja velikega števila hlapnih organskih spojin. Deluje na principu zgorevanja organske spojine (največkrat vodik) znotraj komore pri kontroliranih pogojih (tlak, temperatura, pretok), kjer se izkorišča dejstvo, da se pri zgorevanju organskih spojin tvorijo pozitivno nabiti ogljikovi ioni. Ioni, ki se tvorijo, se zbirajo na zbiralni katodi, kjer se v odvisnosti od količine ogljikovih ionov v analiziranem plinu generira tok, ki definira izhodni signal merilnega sistema. Velikost toka, ki nastane je odvisna od števila ogljikovih molekul, ki sestavljajo posamezno hlapno organsko spojino[10, 12].
Prednost obravnavane metode je hitra ionizacija, odzivni časi se gibljejo med nekaj milisekundami in sekundami. Poleg hitrosti metoda zagotavlja tudi stabilno merilno okolje, neobčutljivo na vlago v analiziranem zraku, kar je posledica dejstva, da molekule vodika, ki zgoreva v komori niso zmožne oksidacije. Poleg omenjenih dejstev ima zaznavalo tudi majhno nelinearnost. Zaznavalo ima tudi svoje slabosti, predvsem izraziti sta dve: metoda ni selektivna, kar pomeni, da je mogoče meriti samo skupne organske spojine, druga slabost pa je ta, da se uporablja v kombinaciji s čistim vodikom, običajno v jeklenki, kar omejuje uporabo v določenih primerih predvsem iz varnostnih razlogov. Shematski prikaz
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.9: Shema plamensko ionizacijskega zaznavala
PID senzor (fotoionizacijsko zaznavalo)
Princip delovanja PID senzorja je podoben delovanju FID senzorja, razlika je predvsem v načinu ionizacije organske spojine – v primeru PID se za ionizacijo uporablja ultravijolično (UV) sevanje. Pri obsevanju z ultravijolično svetlobo le-ta molekule ionizira To povzroči izstop negativno nabitega elektrona, kar pomeni da v molekuli ostane pozitivno nabit ion. Med katodo in anodo zaznavala se kreira električno polje, ki privlači ione, pri čemer le-ti generirajo električni tok, velikost katerega je sorazmerna s koncentracijo hlapnih organskih spojin, ki jo določamo. Ko ioni zapustijo zaznavalo, se vrnejo na svojo prvotno pozicijo v molekulo, iz katere so predhodno izstopili. Za ionizacijo molekul je potrebna ustrezna količina energije imenovana tudi ionizacijska energija.
Različne organske spojine zahtevajo različno ionizacijsko energijo, zato lahko določeno spojino zaznamo samo, v kolikor je energija fotonov UV sijalke dovolj visoka. Izbira UV sijalke ključno vpliva na to, katere hlapne organske spojine bomo zaznali.[12]
Tudi fotoionizacijsko zaznavalo ni selektivno, zato omogoča merjenje samo skupne koncentracije hlapnih organskih spojin, ne pa tudi posameznih spojin. Kot rezultat
Tudi fotoionizacijsko zaznavalo ni selektivno, zato omogoča merjenje samo skupne koncentracije hlapnih organskih spojin, ne pa tudi posameznih spojin. Kot rezultat