Способ прогнозирования времени достижения допустимого уровня концентрации аммиака, выделяющегося в ходе многосуточного процесса эмиссии из строительных материалов в воздух помещений вновь выстроенного здания
METHOD FOR PREDICTING THE TIME TO REACH THE PERMISSIBLE LEVEL OF AMMONIA CONCENTRATION RELEASED DURING THE MULTI-DAY PROCESS OF EMISSION FROM BUILDING MATERIALS INTO THE AIR OF A NEWLY BUILT BUILDING

Изобретение относится к области коммунальной гигиены и строительству и может использоваться для прогнозирования времени достижения допустимой для здоровья человека концентрации аммиака в воздухе помещений вновь выстроенных зданий из бетонного материала при решении вопроса введения объекта в эксплуатацию.
С резким ростом монолитного строительства возникла серьезная проблема, связанная с загрязнением аммиаком воздуха помещений вновь выстроенных зданий. Несмотря на высокую актуальность проблемы, до настоящего времени отсутствует обоснование длительности достижения допустимых значений аммиака, выделяющегося из бетонных конструкций в воздух закрытых помещений, которое затрудняет планирование лабораторного контроля, установление частоты и кратности отбора проб воздуха на аммиак и, соответственно, сдерживает ввод вновь построенного жилья в эксплуатацию.
2
2
Известен способ определения времени полного выведения аммиака из бетонного материала, в соответствии с которым используют формулу TCE=M/(R⋅S⋅24⋅365), где ТСЕ - время полного выведения аммиака из бетонного материала (год); Μ - теоретическое количество аммиака, преобразованного из мочевины (мг); R - скорость эмиссии аммиака (мг/м⋅ч); S - площадь поверхности кусков бетонной стены, из которой исследуется эмиссия аммиака (м) [Emission of ammonia from indoor concrete wall and assessment of human exposure / Z. Bai, Y. Dong, Z. Wang, T. Zhu // Environment International. - 2006. - Vol.3. - P. 303-311]. Данный способ выбран нами в качестве прототипа.
Недостатком выбранного в качестве прототипа способа является возможность его использования только для определения времени полного выведения аммиака из бетонного материала. Отсутствует возможность определения времени достижения допустимого уровня концентрации аммиака в воздухе помещений вновь выстроенных зданий. Также недостатком данного способа, выбранного в качестве прототипа, является отсутствие указаний на статистическую достоверность результатов измерений.
Техническим результатом изобретения является возможность статистически обоснованного прогнозирования времени достижения допустимого уровня концентрации аммиака в воздухе помещений вновь выстроенных зданий на основе характера и определяемых параметров функциональной зависимости уменьшения концентрации аммиака на ограниченном отрезке времени, не требующего проведения анализа полного периода его выведения из бетонного материала (экспрессность способа).
ср
ср
0
ср
ср
ср
ср
ср
ср
ср
3
3
3
3
3
-1
3
Технический результат изобретения достигается тем, что способ прогнозирования времени достижения допустимого уровня концентрации аммиака, выделяющегося в ходе многосуточного процесса эмиссии из строительных материалов в воздух помещений вновь выстроенного здания, заключается в том, что измеряют концентрацию аммиака последовательно в каждом помещении вновь выстроенного здания в любые сутки выполнения способа спустя 8 часов после 15-минутного сквозного проветривания помещения при полностью открытых окнах, проводимого один раз в сутки, при этом в течение 20 минут проводят три последовательных измерения концентрации аммиака с последующим определением средних значений концентрации у, в мг/м, аммиака в каждом помещении вышеуказанного здания, причем измерения концентрации аммиака в любые сутки выполнения способа проводят до тех пор, пока определяемые средние значения концентрации у, в мг/м, аммиака не достигнут величины, составляющей не более 25% от начального значения концентрации у, в мг/м, аммиака в первый день измерений с последующим построением графиков зависимостей концентрации аммиака у, в мг/м, от времени; определяют также среднее значение А полного изменения концентрации у, в мг/м, аммиака за все время наблюдения процесса t в сутках, среднее значение наблюдаемой константы скорости В, в сут, уменьшения у и среднее значение минимальной остаточной концентрации С, в мг/м, аммиака на основе построенных и обработанных с помощью пакета прикладных программ Statistica 10 графиков зависимостей средних значений у от времени t, в сутках, построенных на основе измерений, проведенных во всех помещениях вновь выстроенного здания в течение всего многосуточного периода проведения способа и проводят прогнозирование времени достижения допустимого уровня концентрации аммиака, выделяющегося в ходе многосуточного процесса эмиссии из строительных материалов в воздух помещений вновь выстроенного здания, по формуле:
где Τ - прогнозируемое время достижения допустимого уровня концентрации С* аммиака, выделяющегося из строительных материалов в воздух помещений вновь выстроенного здания, начиная с первого дня измерений концентрации аммиака, в сутках;
ср
ср
-1
В - определяемый при обработке графика параметр среднего значения константы скорости уменьшения концентрации у аммиака в воздухе помещений, связанный с природой процесса эмиссии аммиака из бетонного материала и природой самого материала, в сутках;
3
С* - установленное значение уровня допустимой концентрации аммиака, в мг/м, например ПДК;
ср
3
С - определяемый при обработке графика параметр среднего значения минимальной остаточной концентрации аммиака в воздухе в конце экспериментального периода, в мг/м;
ср
ср
3
А - определяемый при обработке графика параметр среднего значения полного изменения концентрации у аммиака за все исследуемое время t, в мг/м.
Способ прогнозирования времени достижения допустимого уровня концентрации аммиака, выделяющегося в ходе многосуточного процесса эмиссии из строительных материалов в воздух помещений вновь выстроенного здания, осуществляется следующим образом:
3
3
3
ср
0
1) Проводят многосуточные измерения концентрации у, в мг/м, аммиака в воздухе помещений последовательно в каждом помещении вновь выстроенного здания в любые сутки выполнения способа пока определяемые средние значения концентрации у, в мг/м, аммиака не достигнут величины, составляющей не более 25% от начального значения концентрации у, в мг/м, аммиака в первый день измерений. Этого периода времени достаточно для последующего построения и математической обработки графиков зависимостей концентрации от времени - получения средних значений кинетических параметров и их статистического анализа.
3
При этом, в любые сутки измерений спустя 8 часов после 15-минутного сквозного проветривания помещения при полностью открытых окнах, проводимого один раз в сутки, в течение 20 минут проводят три последовательных измерения концентрации у аммиака в воздухе, в мг/м, как это указано в ГОСТ 57256-2016 «Воздух замкнутых помещений. Отбор проб при определении аммиака» [ГОСТ Ρ 57256-2016 «Национальный стандарт Российской Федерации. Воздух замкнутых помещений. Отбор проб при определении аммиака» [Электронный ресурс]: утв. и введен в действие Приказом Ростехрегулирования от 10 ноября 2016 г. №1664-ст. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс». - С.5].
ср
ср
3
2) Полученные три значения концентрации аммиака у уедняют до среднего значения концентрации у, в мг/м, аммиака в каждом помещении вышеуказанного здания за любые сутки измерений, т.е. в любой момент времени t.
ср
ср
ср
ср
3
3) С помощью пакета прикладных программ Statistica 10 строят графики зависимостей среднего значения концентрации у (мг/м) аммиака в воздухе от времени t, в сутках. Методом наименьших квадратов МНК (нелинейной регрессии) проводят математическую обработку - параметризацию каждой из построенных кривых, т.е. определение средних значений их основных кинетических параметров А, В и С и аппроксимацию кривых для объекта по формуле (2):
ср
ср
ср
ср
Формула (2) устанавливает экспоненциальную зависимость уменьшения величины концентрации у аммиака в воздухе жилых помещений от времени t, т.е. описывает процесс эмиссии аммиака из стройматериалов во времени. Уравнение (2) с рассчитанными методом МНК численными средними значениями основных параметров А, В и С выражает параметризованную аппроксимационную кривую, которая наилучшим образом проходит через все экспериментальные точки графика.
0
ср
Таким образом, на основе полученных параметров функциональной зависимости уменьшения концентрации аммиака лишь на начальном отрезке времени, ограниченном уменьшением у до значений, составляющих не более 25% от начальной у, устанавливают характер изменения концентрации аммиака, экстраполируя кривую до минимального значения С. С помощью этой зависимости проводят прогностический расчет значений времени Τ достижения любого выбираемого или установленного нормативного уровня С* концентрации аммиака. При этом не требуется достижение или оценка полного периода выведения аммиака из бетонного материала, что обеспечивает большую экспрессность настоящего способа по сравнению со способом, выбранным в качестве прототипа.
4) Расчет значений прогнозируемого времени Τ достижения любого выбираемого или установленного нормативного уровня С* концентрации проводят с помощью выражения (3):
cp
ср
ср
учитывая рассчитанные ранее при обработке графиков зависимостей значения параметров A, В и С (см. формулу (2)).
Здесь С* - любой установленный норматив допустимой концентрации аммиака, например, уровень ПДК аммиака, тогда С*=ПДК.
3
Если в какой-либо момент времени t=Τ параметризованная экстраполируемая расчетная кривая графика пересекает выбранный уровень концентрации С*, равный, например, предельно допустимому значению аммиака ПДКс.с.=0,04 мг/м, т.е. когда С*=ПДК, то расчет времени T достижения этого уровня ПДКс.с. проводят по формуле (4):
ср
ср
ср
5) Для различных помещений объекта осуществляют статистическую обработку и сравнение по полученным параметрам А, В и С экспериментальных зависимостей (см. формулу (2)).
Расчет расширенной неопределенности (погрешности) U(T) величины T (в сутках) для объекта проводят по формуле (5) при p<0,05:
T
Α
Β
C
ср
ср
ср
где стандартное отклонение σ вычисляют по формуле суммирования стандартных неопределенностей с учетом трех вкладов стандартных отклонений σ, σ и σ всех трех рассчитанных при обработке кинетических параметров А, В и С, от которых в соответствии с выражениями (3)-(4) зависит сама величина Т:
где С - выбираемое нормативное значение уровня концентрации, например, равное ПДКс.с, пересечение с которым убывающей экстраполируемой кривой происходит в момент времени Т.
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим прогнозирование времени достижения уровня ПДКс.с. аммиака в воздухе на основе анализа уменьшения концентрации аммиака в помещениях вновь выстроенных 4 жилых зданий (165 помещений) в течение времени. Ход этой зависимости во времени отражает процесс эмиссии аммиака в воздух помещений из строительных материалов, материалов отделки и мебели.
Многосуточные измерения концентрации аммиака в воздухе проводились в помещениях ряда жилых объектов г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области на базе ИЛЦ ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в городе Санкт-Петербург». Они были связаны с обращениями граждан на неприятные запахи, а также с осуществлением производственного контроля за вновь вводимым в эксплуатацию жильем. Всего было отобрано 893 пробы воздуха на содержание аммиака, проведено 285 исследований.
Выбор объектов исследования связан с определенными характеристиками помещений - во всех многоквартирных жилых зданиях (далее - объекты) материалом несущих стен являлся монолит. Исследования воздуха на содержание аммиака в объектах №1 и 2 проводились перед вводом объектов в эксплуатацию, в объектах №3 и 4 - после ввода в эксплуатацию.
Исследуемые многоквартирные жилые дома также различались завершенностью отделочных работ. В помещениях без отделки (объекты №1 и 2) материалом пола и потолка являлись бетонные плиты, материалом стен - бетон и пенобетонные блоки. Помещения объектов №3 и 4 имели готовую внутреннюю отделку, в 6-и помещениях из которых присутствовала мебель.
Перед каждым отбором проб воздуха в помещениях на содержание аммиака проводились измерения параметров микроклимата, которые показали соответствие установленным санитарно-эпидемиологическим требованиям.
Для построения и анализа зависимостей концентрации аммиака в воздухе от времени по заявленному способу использовались материалы 57 протоколов проведенных лабораторных исследований воздуха закрытых помещений г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
0
0
3
В помещениях всех исследуемых объектов средние значения начальной концентрации С (мг/м) аммиака в воздухе во много раз превышали его допустимый уровень ПДКс.с, т.е. соотношение С / ПДКс.с. для разных помещений находилось в интервале от 3,55 до 30,40 раз.
По измеренным значениям концентрации аммиака в воздухе помещений для всех объектов №1-4 в ходе многосуточного исследования наблюдалась монотонно убывающая зависимость концентрации аммиака от времени, выражаемая нисходящей кривой на графике.
ср
На фиг.1 в качестве примера приведен характерный вид кривой зависимости концентрации аммиака у в воздухе от времени t для объекта №1 (каждая точка - среднее из 3-х значений концентрации у аммиака в воздухе, каждого помещения).
ср
ср
ср
3
Для объекта №1, а также для всех исследуемых объектов построенные графические зависимости средних значений величины у концентрации аммиака (в мг/м) от времени t эмиссии имеют вид экспоненциальных кривых, асимптотически стремящихся к средней минимальной концентрации С. Все зависимости удовлетворительно отвечают уравнению (2). Таким образом, проведенный анализ позволил в дальнейшем принять экспоненциальную закономерность уменьшения величины у концентрации аммиака в воздухе жилых помещений от времени t в качестве физического закона эмиссии аммиака из стройматериалов, математически выраженного уравнением (2), и в дальнейшем применять его для обработки и параметризации всех экспериментально полученных точек графических зависимостей.
ср
ср
ср
С помощью пакета прикладных программ Statistica 10 методом наименьших квадратов МНК (нелинейной регрессии) по уравнению (2) проводили математическую обработку и параметризацию, т.е. определение средних значений основных кинетических параметров А, В и С для всех зависимостей всех объектов. Вычисленные значения указанных параметров уравнения (2) и значения их неопределенностей (погрешностей) для всех рассматриваемых объектов приведены в таблице 1 на с 13.
ср
ср
ср
ср
3
3
В ходе изменения величины концентрации у аммиака в воздухе в некоторый момент времени t, равный Т, может быть достигнут любой интересующий уровень допустимой концентрации С* аммиака в воздухе, в том числе и установленный предельно допустимый для аммиака уровень С*=ПДК, равный 0,04 мг/м. По значениям кинетических параметров А, В и С уравнения (2) аппроксимируемых кривых можно судить о времени Τ выхода кинетических кривых на любой допустимый уровень концентрации С* аммиака, в частности, на уровень ПДК=0,04 мг/м.
ср
ср
ср
Величину T выхода кинетических кривых на уровень ПДК=0,04 мг/м для каждого объекта определяли по уравнению (1), используя численные значения параметров А, В и С уравнения (2) экспериментальных зависимостей, полученных на каждом из объектов. Полученные по (1) значения T и их погрешностей (формула (5)) для всех исследуемых объектов представлены в таблице 1 (Приложение).
Величину Τ для каждого объекта определяли по уравнению (1) следующим образом:
1) Объект №1:
2) Объект №2:
3) Объект №3:
4) Объект №4:
Таким образом, впервые разработан математически и статистически обоснованный способ прогнозирования времени достижения допустимого уровня концентрации аммиака в воздухе помещений вновь выстроенных зданий по изменению значений концентраций аммиака в воздухе помещений в течение ограниченного начального времени без необходимости проведения анализа полного выведения из бетонного материала, что позволит в дальнейшем эффективно использовать ресурсный потенциал лабораторий при планировании лабораторного контроля содержания аммиака во вновь выстроенных зданиях, и более точно прогнозировать сроки начала эксплуатации жилых и общественных зданий.