Численность автомобилей в городах быстро увеличивается, а вместе с тем увеличивается валовый выброс вредных веществ, большинство из которых попадает внутрь зданий. При этом в большинстве зданий городских территорий применяется естественная вытяжная вентиляция, которая не позволяет контролировать уровень загрязненности внутреннего воздуха [4]. При использовании механической вентиляции приточный воздух в городских условиях может также привести к ухудшению качества воздушной среды [5]. Данная система вентиляция была запроектирована во многих жилых зданиях крупных городов, таких как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Новосибирск и др. Все вышеперечисленные города относятся к городам с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха.
Распределение загрязняющих веществ по высоте жилых зданий имеет определенный характер [1-3]. Интерес представляют исследования на содержание окиси углерода между этажами в многоэтажных зданиях, находящихся под воздействием передвижных источников выброса, что важно при выборе воздухозабора для приточной вентиляции зданий.
Цель исследования
Цель проведенных исследований – разработка расчетных зависимостей для оптимизации воздушного режима зданий в зависимости от качества наружного воздуха от автотранспорта.
Объекты и методы исследования
В качестве загрязнителя был выбран оксид углерода (II) СО, как наиболее устойчивая примесь в воздушной среде. Данных натурных исследований концентраций СО по всей высоте здания от автотранспорта представлено недостаточно, исследования были проведены лишь только в приземном слое [6].
В наружном воздухе измерялась величина концентрации оксида углерода (II). Все анализы проводились на базе аналитической лаборатории ФГУЗ «Центра гигиены и эпидемиологии по Тюменской области». Натурные исследования проводились в течение трех лет в весенне-летний и осенне-зимний периоды.
Объектом исследования являлись жилые здания (пяти-, девяти-, десятиэтажные), находящиеся в районе перекрестков с различной интенсивностью движения автотранспорта: свыше 2000 авт./час; от 1000-2000 авт/час; от 600–1000 авт./час; до 500–600 авт./час. Были выбраны точки с интенсивным движением, где часто происходит торможение и высокий выброс вредных веществ, в частности, перекрестки. Исследования проводились при наиболее неблагоприятной скорости метра (1-3 м/с).
Величина концентрации СО в наружном воздухе измерялась по высоте зданий. Всего было выбрано 354 постов наблюдений на границе с жилой застройкой.
Отбор проб от передвижных источников проводился с 6 до 13 ч или с 14 до 21 ч, чередуя дни с утренними и вечерними сроками. В ночное время – 1,2 раза в неделю. Одновременно замерялась скорость ветра (м/с) и отмечалось его направление.
При отборе проб вблизи здания на расстоянии не менее 0,5 м от стены. Отбор проб также проводился и внутриквартального пространства.
Результаты исследования и их обсуждение
Приведены зависимости на рисунках 1-2 величины концентрации СО от высоты здания, рядом с перекрестком с интенсивностью свыше 2000 авт./час.
Рис. 1.Зависимость концентрации СО от высоты с наветренной стороны здания от магистрали с интенсивностью 2000 авт. /час
(1)
(2)
Рис. 2. Зависимость концентрации СО от высоты с подветренной стороны здания от магистрали 2000 авт. /час
По графикам видно (рисунок 1–2), что концентрация СО от передвижных источников по высоте уменьшается. Самые высокие концентрации отмечаются со стороны наветренного фасада на уровне 1 и 2 этажа: 1,4ПДКс.с., со стороны подветренного – 1,1ПДКс.с. и 1ПДКс.с., аппроксимационные зависимости (1)–(2). При фронтальной застройке перед зданием образуется некоторый застрой воздушных масс, поэтому создаются повышенные концентрации СО.
Также исследовались здания (фронтальная застройка) рядом с перекрестками с интенсивностью движения до 500–600 авт./час; 600–1000 авт./час; свыше 2000 авт./час. Результат измерений концентраций СО по высоте зданий также представлен в виде функции от безразмерной длины (
, где 
– высота здания). Величина концентрации по высоте представлена в безразмерном виде по отношению к максимальной (
, где 
– максимальная концентрация по высоте здания, 
– концентрация на высоте 
).
Обработка результатов экспериментальных исследований позволила получить полуэмпирические зависимости величины концентрации СО от высоты здания от перекрестков с различной интенсивностью движения (таблица 1). Зависимости характеризуются значением коэффициента достоверности аппроксимаций R2≥0,98.
Таблица 1
Расчет безразмерной концентрации СО по всей высоте здания от магистралей различной интенсивности движения автотранспорта
|
Интенсивность движения, авт./час |
Наветренная сторона (I) |
Подветренная сторона (II) |
|
до 500–600 |
|
|
|
от 600–1000 |
|
|
|
от 1000–2000 |
|
|
|
свыше 2000 |
|
|
Для того чтобы можно было определить концентрацию в любой точке по высоте здания, построена номограмма (рисунок 3). Пользуясь данной номограммой при проектировании системы вентиляции здания, можно определить максимальную и минимальную концентрацию СО в любой точке по высоте здания от перекрестков различной интенсивности движения. На рисунке 3 линией показана допустимая безразмерная концентрация и высоты, на уровне которых можно осуществлять забор наружного воздуха по высоте здания. При интенсивности 1000-2000 авт/час приток воздуха осуществлять с высоты выше 0,24Н метров, где Н – высота здания; при интенсивности выше 2000 авт/час забор воздуха выше 0,56Н метров. Для небольшой интенсивности превышение не обнаружено, то забор воздуха согласно номограмме желательно осуществлять с высоты равной высоте здания Н, так как на данной высоте наблюдается минимальная концентрация СО.
Рис. 3. Номограмма для определения оптимальной высоты воздухозабора по концентрации окиси углерода по высоте зданий в наружном воздухе от автотранспорта:
h – высота от поверхности земли, м; Н – высота здания, м; Сmaх – концентрация окиси углерода максимальная по высоте здания, мг/м3; C – концентрация окиси углерода на высоте h, мг/м3
К примеру, если здание высотой 30 метров, то согласно номограмме на рисунке 3 при интенсивности движения выше 2000 авт./час приток воздуха следует осуществлять выше 0,56Н=16,8 метров, а при тех же условиях для здания 40 метров – выше 0,56Н=22,4 метра. Это объясняется процессами аэродинамики здания, то есть обтеканием здания воздушным потоком. Чем выше здание, тем больше размеры аэродинамической тени. Чем ближе точка к зданию, тем больше возникают вторичные рециркуляционные течения воздуха и застойные зоны, в которых скорость воздуха близка к нулю. Следовательно, концентрация окиси углерода выше. В связи с этим необходимо учитывать и высоту здания при выборе оптимального места воздухозабора.
Выводы
Таким образом, натурные исследования показали, что самые высокие концентрации от неорганизованных источников загрязнения отмечаются на уровне 1 и 2 этажа и выше в зависимости от интенсивности транспортной магистрали. С высотой загрязнение от автотранспорта уменьшается в зависимости от высоты здания.
По результатам исследований разработаны способы расчета для выбора оптимальной высоты забора воздуха для приточной механической вентиляции в зданиях по величине концентрации СО в наружном воздухе в любой точке () по высоте здания () с учетом передвижных источников. Это важно на первой стадии проектирования системы вентиляции зданий, так как полученные зависимости предсказывают уровень загрязненности по всей высоте здания (выше 2 м).
Рецензенты:
Скипин Л.Н., д.с.-х.н., профессор, заведующий кафедрой «Техносферная безопасность», ФГБОУ Тюменский государственный архитектурно-строительный, г. Тюмень;
Саркисян Г.Т., д.т.н., профессор, Тюменское высшее инженерно-командное училище (военный институт), Министерство обороны РФ, г. Тюмень.