Нормы co2 в помещении. Реаниматология и анестезиология

Описание:

Еще несколько лет назад в отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена. В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции.

К вопросу о нормировании воздухообмена по содержанию CO 2 в наружном и внутреннем воздухе

И. М. Квашнин , канд. тех. наук, ведущий специалист НПП «Энергомеханика»

И. И. Гурин , директор компании Alfaintek Oy

В журнале «АВОК», № 4, 2008, была опубликована статья Ю. Д. Губернского и Е. О. Шилькрота «Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? », которая вызвала большой интерес у специалистов. Представленный в статье материал показывает, что хотя проблеме нормирования воздухообмена по СО 2 уделяется много внимания, материала для решения этого вопроса пока не достаточно. Данная статья предлагает продолжить обсуждение этой проблеммы.

Еще несколько лет назад в отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО 2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена. В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции. Высокие концентрации углекислого и других газов в наружном воздухе больших городов приводят к необходимости выбора: либо интенсифицировать воздухообмен, вызывая цепную реакцию увеличения потребления энергоресурсов путем сжигания органического топлива с дополнительным загрязнением атмосферы (в том числе СО 2), либо производить очистку приточного воздуха от газов. Это соответствует последним исследованиям ученых о вреде двуокиси углерода для здоровья людей при повышении концентрации в два–три раза по сравнению с чистым атмосферным воздухом.

По данным современной медицины, в составе метаболических (жизнедеятельностных) выделений организма человека выявлено несколько сотен химических соединений, из которых более двухсот веществ – с поверхности кожи и свыше ста – с выдыхаемым воздухом. Одним из наиболее интересных веществ является углекислый газ. Это относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха. По данным большинства источников, его концентрация составляет примерно 0,03 % от объема (об.), то есть в 1 м 3 содержится 0,3 л, или 0,3/22,4 = 0,01339 моль (по данным БСЭ – 0,0314 % об.). Зная молекулярную массу диоксида азота 44 г/моль, легко определить его массу в 1 м 3 , а именно: 44 х 0,01339 = 0,589 г. Концентрация, соответственно, равна 589 мг/м 3 . В таких количествах углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. По ГОСТ 8050-85 «Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия» плотность газообразной двуокиси углерода составляет 1,839 кг/м 3 , то есть примерно в 1,5 раза больше воздуха. В таблице 1 приведены формулы перевода величин из одних единиц в другие. Как в отечественных нормативных документах, так и в зарубежных отсутствует норматив предельно допустимой концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. Очевидно, что содержание в воздухе СО 2 будет различным в сельской местности, небольших и крупных городах. Фоновые концентрации определяются выбросами автотранспорта, сжиганием топлива на предприятиях теплоэнергетики и работой промышленных предприятий. Затруднение заключается в том, что мониторинг за уровнем СО 2 службами Центра по гидрометеорологии не ведется. За рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, является типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету при оценке наружного воздуха для проектирования систем вентиляции и кондиционирования. Европейский стандарт ЕН 13779 «Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems» в качестве общего базового руководства предлагает принимать концентрацию углекислого газа в сельской местности 350 ppm, в небольших городах 400 ppm, в центрах городов 450 ppm. На самом деле она может быть существенно выше. Например, измерения в центре Москвы в безветренную погоду в конце лета в районе Садового кольца показали, что при достаточно интенсивном движении транспорта уровень СО 2 поднимался до 900 ppm (0,09 % об.). Погуляв несколько часов эту концентрацию и без приборов ощутит на себе каждый в виде головной боли.

Примечание:
С а – числовое значение концентрации в заданных единицах;
С х – числовое значение концентрации в искомых единицах;
М – молекулярная масса газа;
Р – общее давление газовой смеси, Па;
Т – температура, °К.

Одним из способов, широко применяемых на Западе, для определения требуемой интенсивности воздухообмена в общественных зданиях, является использование углекислого газа в качестве индикатора качества воздуха. По его концентрации судят о содержании других веществ, выделяемых человеком, которых в относительных концентрациях (отношение фактической концентрации к ПДК) образуется меньше. При снижении уровня СО 2 разбавлением приточным воздухом одновременно снижается уровень концентрации других веществ. Углекислый газ выбран из-за того, что его концентрацию легко измерить с достаточно высокой точностью и его массовое выделение значительно больше других вредных веществ.

Общеизвестно, что один человек в спокойном состоянии, например работник офиса, за один час потребляет 20–30 л кислорода с выделением 18–25 л углекислого газа, а при занятиях в фитнес- и тренажерных залах – до 36 л и более. Если во вдыхаемом воздухе содержится 0,03 % (об.) СО 2 , то в выдыхаемом – 3,6 % (об.), то есть возрастает более чем в 100 раз. Интенсивно выделяется углекислый газ от газовой плиты при приготовлении пищи. При возрастании содержания в воздухе значения CO2 выше определенной величины человек начинает чувствовать себя дискомфортно, может впадать в дремотное состояние, возникают головные боли, тошнота, чувство удушья. Его влияние настолько постепенное и слабое, что его трудно сразу обнаружить. Этот предел индивидуален для различных людей – мужчин и женщин, детей. Однако до недавнего времени в отечественных документах отсутствовал норматив качества воздуха помещений для углекислого газа. Лишь гигиеническими нормативами в 2006 году введена максимально разовая ПДК равная 13 790 ppm (27 000 мг/м 3) и среднесменная 4 597 ppm (9 000 мг/м 3) для воздуха рабочей зоны производственных помещений. Для сравнения: в США эти цифры составляют 30 000 ppm (58 740 мг/м 3) и 5 000 ppm (9 790 мг/м 3), соответственно. В шахтах на рабочих местах допускается концентрация 0,5 % (об.) или 5 000 ppm. В соответствии с ГОСТ 8050-85 «При концентрациях более 5 % двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека… При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья». Напомним, что максимально разовая и среднесменная концентрация ПДК воздуха рабочей зоны определяются ГОСТ 12.1.005-88 и гигиеническими нормативами ГН 2.2.5.1313-03, ГН 2.2.5.1314-03.

Для помещений жилых и общественных зданий этот норматив по-прежнему отсутствует. Коллизия возникает в связи с тем, что в соответствии со СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» , СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям» и др. для этих помещений норматив качества принимается равным для воздуха населенных мест (ГН 2.1.6.1338-03; ГН 2.1.6.1339-03), который, как отмечалось выше, отсутствует. Однако, в отличие от многих других загрязняющих веществ, практически не выделяющихся в помещениях, содержание двуокиси углерода интенсивно увеличивается. Интересно, что еще в справочнике Р. В. Щекина 1976 года приводится расчет требуемого воздухообмена на разбавление СО 2 одним человеком.

Европейский стандарт 2004 года предлагает разделять воздух в помещениях с пребыванием людей на категории качества от IDA 4 – низкое, IDA 2 и 3 – среднее, до IDA 1 – высокое. Предполагается несколько способов определения категории качества. Один из них оценивает превышение уровня СО 2 , как индикатора, в воздухе помещений над наружным воздухом (табл. 2).

Таблица 2

Категория помещения Превышение уровня СО 2 в помещении над его содержанием в наружном воздухе, ppm Типичный диапазон Задаваемое значение IDA 1 <400 350 IDA 2 400–600 500 IDA 3 600–1 000 800 IDA 4 ≥1000 1 200

Зная местонахождение здания (сельская местность, город) и уровень концентрации СО 2 в наружном воздухе легко определить его расчетное содержание в воздухе помещения. Далее приводятся рекомендации по установке определенных классов фильтров, как правило, не менее двух ступеней, для достижения необходимой чистоты воздуха в соответствии с требуемой категорией качества IDA. Это касается не только твердых пылевых частиц, но и основных газов: NO x , SO 2 , полициклических ароматических углеводородов и летучих органических соединений. Стандарт гласит: «В городской среде рекомендуется использование молекулярных (газовых) фильтров». Отметим, что по представлению ассоциации АСИНКОМ европейский стандарт принят без изменений как отечественный ГОСТ Р ЕН 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к вентиляции и кондиционированию». ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ объявило о том, что он вводится в действие с 1 октября 2008 года.

Допустимое приемлемое значение содержания углекислого газа в помещениях с пребыванием людей было установлено гигиенистами и принято, например, стандартом ASHRAE 62-1989 на уровне 1 000 ppm (1 958 мг/м 3) или 0,1 % (об.). На эту величину опираются многие авторы при расчетах воздухообмена. Это значение фигурирует в СП 2.5.1198-03 «Санитарные правила по организации пассажирских перевозок» для железнодорожных вокзалов и СанПиН 2.5.1.051-96 «Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации» для кабин воздушных судов. Зная выделение СО 2 одним человеком в офисе – 18 л/ч (0,005 л/с) или 35 200 мг/ч по формуле (Л.2) СНиП 41-01-2003 требуемый расход приточного воздуха для одного человека равен

L = 35 200 / (1 958 – 589) = 25,7 м 3 /ч.

В единицах л/с и ppm L = х 106 = 7,14 л/с.

Первым отечественным документом, в котором предпринята попытка регламентировать содержание СО 2 в наружном и внутреннем воздухе, является стандарт АВОК «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена» . В качестве рекомендуемой справочной предлагается предельно допустимая концентрация в наружном воздухе: сельская местность – 332 ppm (650 мг/м 3), малые города – 409 ppm (800 мг/м 3), большие города – 511 ppm (1 000 мг/м 3). Верхний допустимый предел концентрации СО 2 в помещениях жилых и общественных зданий не должен превышать концентрацию в наружном воздухе на 638 ppm (1 250 мг/м 3). В этом случае требуемый воздухообмен на 1 человека составит 28 м 3 /ч.

В результате последних исследований, проведенных индийскими учеными в городе Калькутта , было выяснено, что так же, как NO 2 , СО 2 является потенциально токсичным для человека даже в низких концентрациях, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, такие, как увеличение напряжения CO 2 в крови, увеличение концентрации ионов бикарбоната в крови и моче, ацидоз и т. д. Для выявления того, как влияет уровень СО 2 в воздухе на процессы в организме человека, были проведены замеры уровня бикарбоната в крови и в моче человека. Всего было исследовано 593 человек из жилого, коммерческого и промышленного районов города и контрольной зоны, находящейся в экологически чистой сельской местности. Уровень бикарбоната в сыворотке крови – биологический показатель влияния СО 2 – оказался в среднем на 60 % выше у жителей Калькутты, чем у жителей сельских районов, причем самым высоким он был у жителей промышленной зоны. В городе Калькутта СО 2 присутствовал в воздухе в концентрациях от 0,03 до 0,06 %. Уровень вентиляции в помещениях был адекватным почти в 75 % жилых и рабочих помещений. Принимая во внимание то, что увеличение уровня СО 2 в атмосфере ведет к увеличению его концентрации в воздухе помещения, можно сказать, что он может явиться причиной увеличение уровня бикарбоната в крови.

В своих работах , английский ученый D. S. Robertson пишет, что уровень углекислого газа в атмосфере, при котором человечество может выжить, значительно ниже, чем предполагалось, поэтому безопасный для человека уровень углекислого газа требует пересмотра. Он рассчитал максимальный безопасный для человека уровень углекислого газа в атмосфере, составляющий 426 ррm. Ученый также считает, что под влиянием углекислого газа, уровень которого выше указанной цифры, происходит снижение величины pH в сыворотке крови, что ведет к ацидозу. Симптомы начальной степени ацидоза следующие: состояние перевозбуждения и умеренная гипертензия. Далее к ним добавляются сонливость и состояние беспокойства и как следствие уменьшение желания проявлять физическую активность. Существует вероятность того, что когда концентрация углекислого газа в атмосфере достигнет 426 ppm, а это может случиться раньше, чем через два поколения, здоровье, по крайней мере, некоторой части населения Земли, ухудшится.

Финские ученые под руководством Olli Seppanen провели 21 эксперимент на основе более 30 000 испытуемых по исследованию влияния концентрации углекислого газа. Если уровень углекислого газа в офисном помещении был ниже 800 ppm (0,08 % об.), такие симптомы, как воспаление глаз, заложенность носа, воспаление носоглотки, проблемы, связанные с дыхательной системой, головная боль, усталость и сложность с концентрацией внимания, которые возникали у сотрудников при более высокой концентрации СО 2 , значительно снижались.

В пресс-релизе ежегодной конференции Европейского респираторного общества в 2006 году были опубликованы результаты исследований, проведенных в пяти странах ЕЭС группой итальянских ученых. Исследования показали, что 68 % детей испытывают на себе негативное влияние СО 2 выше уровня 1 000 ppm. У них наблюдалось тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит чаще, чем у других детей. Были сделаны следующие выводы: у детей, находящихся в помещении с высоким уровнем СО 2 , в 3,5 раза выше риск возникновения сухого кашля и в 2 раза – развитие ринита. Они имеют более уязвимую носоглотку, чем их ровесники.

В исследовании корейских ученых о влиянии концентрации СО 2 в помещении на приступы астмы у детей, в домах и квартирах, где живут дети больные астмой, замерялся уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха в помещении, таких как СО, NO 2 , аллергены и СО 2 . В результате данных исследований были сделаны выводы о том, что самым важным фактором, влияющим на возникновение приступов астмы у детей, является только уровень концентрации СО 2 .

Принимая допустимую концентрацию СО 2 в наружном воздухе мегаполиса 450 ppm, а оптимальную во внутреннем воздухе 800 ppm требуемый воздухообмен на 1 человека составит

L = 106 = 14,29 л/с = 51,4 м 3 /ч.

Реально концентрация в наружном воздухе может быть еще выше, а внутри помещения могут быть другие источники выделения СО 2 , например при приготовлении пищи. При разности содержания СО 2 в наружном и внутреннем воздухе 100 ppm требуемый воздухообмен составит 180 м 3 /чел., что превышает разумные пределы.

В качестве одной из мер новый американский стандарт ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2004 предусматривает динамическое изменение режимов работы вентиляции жилых и общественных зданий. Это реализуется средствами DCV (Demand-Controlled Ventilation, DCV), путем регулирования количества подаваемого свежего воздуха сверх минимально необходимого по мере изменения реально складывающейся обстановки, определяемой количеством людей, присутствующих внутри вентилируемого объема. Объективной предпосылкой к использованию в отечественной практике является значительное удешевление за последние годы инверторных схем управления скоростью вентилятора путем использования все более доступных частотно-регулируемых приводов. Технология DCV доступно рассмотрена в статье . Однако такой мерой не всегда можно добиться эффективного результата.

О другой мере по снижению содержания вредных газов в воздухе помещений П. Оле Фангер писал в своей статье : «Очистка внутреннего воздуха от газообразных загрязняющих веществ представляет собой многообещающий метод повышения качества воздуха и частичного замещения вентиляции. Разрабатываются различные методы очистки воздуха, включая сорбцию и фотокатализ. Было показано, что последний метод обладает значительной эффективностью фильтрации, которая была зафиксирована при фильтрации отдельных химических веществ, присутствующих в воздухе. Для типичной смеси из сотен химических веществ, присутствующих внутри здания в очень малых концентрациях, при использовании указанных двух методов может быть реально достижимой эффективность очистки более 80 %, то есть очистка может снизить концентрацию загрязняющих веществ и повысить качество внутреннего воздуха в пять раз. При этом очевидно, что для повышения эффективности очистки для типичных источников загрязнения внутреннего воздуха необходимы дополнительные разработки технологии очистки и проведение дальнейших исследований».

Фотокаталитическое окисление (ФКО) является очень многообещающей технологией для уменьшения летучих органических соединений (ЛОС) в воздухе помещения. Однако исследования, проведенные Национальной лабораторией Л. Беркли в 2005 и 2007 годах, показали, что метод фотокаталитического окисления уменьшает количество ЛОС в воздухе помещения, но производит формальдегид как побочный продукт. Ученые считают, что для применения данного метода необходимо провести дальнейшее изучение, с тем чтобы либо уменьшить количество формальдегидов и ацетальдегидов, получаемых в результате реакции, либо соединить эту технологию с применением газоочистителей, для того чтобы улавливать токсичные побочные продукты до того, как они попадут в помещение. К этому необходимо добавить, что ФКО не удаляет углекислый газ, а наоборот – добавляет его в помещение, так как конечными продуктами реакции должны быть СО 2 и вода.

В настоящее время наиболее безопасными для очистки воздуха от газов в помещениях, где находятся люди, можно считать фильтры, основанные на методе адсорбции загрязняющих веществ в составе приточных вентиляционных установок. В качестве фильтрующего элемента используют активированный уголь и высокоэффективные материалы. Такие фильтры уже предлагаются на климатическом рынке.

Если возможность поддержания качества воздуха на высоком уровне при помощи вентиляционных систем не представляется возможным, можно удалять его избыток бытовыми адсорберами углекислого газа.

Выводы

1. Углекислый газ является токсичным для человека даже в относительно низких концентрациях. Его нельзя рассматривать только как индикатор эффективности вентиляции. Наилучшим для человека в помещении является уровень углекислого газа, максимально приближенный к атмосферному.

2. Концентрация СО 2 требует постоянного контроля в помещениях с пребыванием людей в промышленных городах и крупных мегаполисах, где промышленность и транспорт постоянно загрязняют атмосферный воздух углекислым и другими газами. Особенно это касается детских учреждений и других общественных зданий.

3. Рост углекислого газа в атмосфере, особенно в крупных городах из-за выбросов автотранспорта, предприятий энергетики и промышленности, вызывает необходимость в увеличении воздухообмена в помещениях с пребыванием людей. Это приводит к повышенным затратам энергии и увеличению выбросов СО 2 при ее выработке. Выход из ситуации заключается в достижении разумного оптимума между количеством приточного наружного воздуха и требуемой очисткой от углекислого и других газов.

Литература

1. ГОСТ 8050-85. Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия.

2. Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

3. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.2100-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (дополнение N 2 к ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны).

4. РД-06-28-93. Правила безопасности при строительстве (реконструкции) и горнотехнической эксплуатации размещаемых в недрах объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых.

5. СанПиН 2.2.3.570-96. Гигиенические требования к предприятиям угольной промышленности и организации работ.

6. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

7. СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям.

8. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Книга вторая. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Р. В. Щекин и др. – Киев: Будiвельник, 1976.

9. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пас-сажирских перевозок.

10. СанПиН 2.5.1.051-96. Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации.

11. АВОК СТАНДАРТ – 1 2002. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.

12. Dr. R. N. Chaudhuri, Dr. D. Sengupta. Report of the research project on evaluation of environmental N02, C02, benzene and lead exposures of Kolkata population by biological monitoring techniques.

13. D. S. Robertson. Health effects of increase in concentration of carbon dioxide in the atmosphere. Current science, vol. 90, no. 12, 25 june 2006.

14. D. S. Robertson. The rise in the atmospheric concentration of carbondioxide and the effects on human health. Med. Hypotheses, 2001, 56.

15. Olli Seppanen. Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качественного микроклимата помещений // АВОК. – 2000. – № 5.

16. Stanke. В библиотеку проектировщика. Технологии DCV в системах вентиляции // Мир климата. – № 43.

17. П. Оле Фангер. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате, и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей // АВОК. – 2006. – № 2.

18. C. D. Keeling, T. P. Whorf. Atmospheric carbon dioxide record from Mauna Loa. Period of record 1958–2003. Carbon Dioxide Research Group, Scripps Institution of Oceanography, University of California, Internet source.

Данная информация предназначена для специалистов в области здравоохранения и фармацевтики. Пациенты не должны использовать эту информацию в качестве медицинских советов или рекомендаций.

Основы СО 2 мониторинга

Практическое руководство (по материалам фирмы Datex)
Новосибирск 1995 г.

1.Введение 2

2.Что такое капнограмма. 3

Что такое PetСО 2 4

3.Как образуется СО 2 в выдыхаемом воздухе 4

Отличие PetCO 2 от напряжения СО 2 в артериальной крови 5

Небольшое артериально-альвеолярное различие (aAДСО 2) 5

Основные причины увеличения аАДСО 2 5

4.Почему измеряется PetCO 2 6

Клинические преимущества СО 2 мониторинга 6

Использование PetCO 2 для контроля вентиляции 7

Физиологические факторы, управляющие удалением СО 2 7

Что такое альвеолярная вентиляция 7

5.Диагностика гипер- и гиповентиляции 7

Нормокапния и нормовентиляция 8

Гипокапния и гипервентиляция 8

Гиперкапния и гиповентиляция 9

6.Интерпретация капнограммы и тренда СО 2 9

7.Практическое руководство по СО2 мониторингу 15

Основное правило для размещения отборника газа 15

Удаление газа с выхода монитора 15

Мониторинг при слабых воздушных потоках 15

8.СО2 мониторинг в посленаркозный период 16

Приложение 18

Практическое руководство составлено по материалам фирмы Datex научно-производственной фирмой ЗАО “ЛАСПЕК”

Перевод и компьютерная верстка - Д.Е. Грошев
Редактор к.м.н. - О.В. Гришин.

1 Введение.

Эти методические рекомендации рассчитаны на анестезиологов и реаниматологов, не знакомых с СО 2 -мониторингом, и имеют целью в простой форме ответить на вопрос: "зачем и как производится СО 2 -мониторинг?”. Освоение нескольких основных принципов СО 2 -мониторинга обеспечивает врача богатой информацией о состоянии пациента и функционировании наркозной аппаратуры. Список литературы, рекомендуемой для более подробного изучения, приведен в разделе "Справочная литература".

Проведение СО 2 -мониторинга в анестезиологии и реаниматологии считается очень важным и даже необходимым условием эффективного наблюдения за больным с управляемым или нарушенным дыханием, а также с нормальным дыханием при угрозе его нарушения. Быстрый рост популярности СО 2 -мониторинга отражает его значение в обеспечении безопасности пациента. Многие потенциально опасные ситуации с его помощью обнаруживаются на самых ранних этапах развития, предоставляя врачу достаточное время для анализа и исправления развивающегося критического состояния. Кроме того мониторирование значения концентрации СО 2 в конце выдоха (PetCO 2) и анализ его тренда дают наиболее объективную диагностическую информацию о состоянии пациента при наркозе.

В таблице приведена оценка относительного значения ряда методик для выявления критических ситуаций. (Whitcer C. et al. Anasthetic mishaps and the cost of monitoring: a proposed standart for monitoring equipment. J. Clin Monit 1988; 4:5-15p.).

Пульсоксиметр

Капнограф

Спирометр

Тонометр

Фонендоскоп

Галометр

Анализатор О 2

Термометр

2.Что такое капнограмма.

Кривая изменения концентрации СО 2 во времени называется капнограммой. Она отражает различные стадии выдоха. Капнограмма является важным диагностическим средством, так как ее форма практически одинакова у здоровых людей. Поэтому следует анализировать любое изменение формы капнограммы.

*Мертвым пространством называется часть воздушных путей, где не происходит газообмен. В случае аппаратного мониторинга CO 2 в формировании капнограммы выдоха принимают участие следующие типы мертвого пространства. Механическое или аппаратное мертвое пространство - состоит из эндотрахеальной трубки и соединительных шлангов. Анатомическое мертвое пространство - составляют трахея и бронхи. Альвеолярное мертвое пространство - составляет часть дыхательных путей в которой не происходит газообмен, хотя они и вентилируются.

Что такое PetCO 2 .

Максимальная концентрация СО 2 в конце спокойного выдоха PetCO 2 (end-tidal CO 2) очень тесно связана с альвеолярной концентрацией СО 2 , так как она регистрируется во время поступления воздуха из альвеол.

3. Как образуется СО 2 в выдыхаемом воздухе.

	Углекислый газ (СО 2) выделяется всеми клетками во всех тканях организма, как продукт метаболизма. СО 2 является конечным продуктом процесса окисления глюкозы, и должен постоянно удаляться из тканей.
	Из клеток СО 2 диффундирует в капиллярную кровь, так как в ней концентрация СО 2 поддерживается более низкой. Из капиллярной крови СО 2 далее транспортируется по венам от периферии к правому предсердию.
	Сердце прокачивает венозную кровь через малый круг кровообращения к легким где происходит газообмен.
	Легкие состоят приблизительно из 300 миллионов альвеол, в которых кровь насыщается кислородом при легочном кровообращении. Стенки альвеол являются по существу очень тонкими мембранами (с общей площадью поверхности около 100м 2), позволяющими газам легко диффундировать между легочной кровью и альвеолярным воздухом. СО 2 диффундирует из крови в альвеолярное пространство. При дыхании (или искусственной вентиляции), концентрация СО 2 в альвеолах постоянно сохраняется ниже, чем в капиллярной крови легких. При вдохе “свежий” воздух поступает в легкие и смешивается с альвеолярным, слегка снижая альвеолярную концентрацию СО 2 . При выдохе СО 2 удаляется из организма. Газ, выходящий в конце выдоха, практически полностью соответствует альвеолярному газу.
	На протяжении выдоха воздух покидает различные участки легких, смешиваясь так, что СО 2 -монитор измеряет только усредненную концентрацию СО 2 . Диффузия СО 2 на альвеолярном уровне является непрерывным процессом. На капнограмме этот процесс отражается только в последней фазе выдоха. В других фазах наблюдается значительная динамика капнограммы, так как она отражает концентрацию СО 2 как во вдыхаемом, так и в выдыхаемом воздухе.

Сравнительный анализ артериальной крови и альвеолярного воздуха показывает, что величина PetCO 2 довольно близко отслеживает уровень напряжения СО 2 в крови (РаСО 2), но все же они не равны. В норме PetCO 2 на 1-3 мм рт.ст. ниже чем РаСО 2 . Однако у пациентов с легочной патологией различия могут быть значительно большими. Причины этого сложные и выявление увеличения этого различия дает нам дополнительный диагностический параметр: артериально-альвеолярное различие (аАDСО 2). Фактически аАDСО 2 может рассматриваться как количественный показатель альвеолярного мертвого пространства, поэтому значительные его изменения должны исследоваться дополнительно.

Небольшое артериально-альвеолярное различие.

Артериально-альвеолярное различие является результатом особенностей процессов вентиляции и перфузии легочных альвеол. Даже у здорового пациента вентиляционно-перфузионное отношения отличаются в разных участках легких. При наркозе несоответствие вентиляции и перфузии обычно слегка возрастает, однако обычно это не имеет клинического значения.

Основные причины увеличения аАДСО 2 .

Снижение уровня газообмена происходит в той части респираторных отделов легких, которые не имеет достаточной перфузии, но тем не менее хорошо вентилируется. При выдохе воздух из этих участков легких будет смешиваться с обогащенным СО 2 альвеолярным воздухом из остальных участков легких, уменьшая PetCO 2 . При этом aADCО 2 будет увеличено. Такая вентиляция называется вентиляцией альвеолярного мертвого пространства.

Возможными причинами вызывающими увеличение аАСО 2 являются:

положение пациента (положение на боку)

легочная гипоперфузия

легочная тромбоэмболия.

Рисунок А иллюстрирует эффект вентиляции альвеолярного мертвого пространства. В половине легких нет перфузии и, следовательно, газообмена. При выдохе альвеолярный газ смешивается и результирующая концентрация PetCO 2 будет в два раза меньше, чем РаСО 2 в крови. Для сравнения рисунок В иллюстрирует идеальную ситуацию, когда перфузия происходит во всем объеме легких и PetCO 2 =РАСО 2 =РаСО 2 .

4. Почему измеряется PetCO 2 .

СО 2 мониторинг дает информацию как о состоянии пациента, так и о системе обеспечения ИВЛ. Так как концентрация СО 2 зависит от многих факторов, она редко является достаточной для постановки специфического диагноза. Однако мониторирование СО 2 с быстродействующей индикацией и отображением концентрации СО 2 в каждом выдохе обеспечивает достаточный запас времени для принятия необходимых мер по исправлению ситуации.

Клинические преимущества СО 2 мониторинга.

В условиях стабильного состояния пациента (ИВЛ в сочетании с нормальной гемодинамикой) концентрация СО 2 тесно связана с изменением напряжения СО 2 в крови и, следовательно, является неинвазивным методом контроля РаСО 2 . Выделение СО 2 - величина довольно стабильная, поэтому резкие изменения PetCO 2 обычно отражают либо изменения кровообращения в малом круге (например легочную эмболию), либо легочной вентиляции (например отсоединение трубки или избыточная ИВЛ - гипервентиляция).

Использование мониторинга СО 2 позволяет:

• Быстро определить правильность интубации трахеи.

Быстро выявить нарушения в воздушном тракте (коннектор интубационной трубки, интубационная трубка, дыхательные пути) или в системе подачи воздуха (аппарат ИВЛ).

Объективно, непрерывно, неинвазивно контролировать адекватность вентиляции.

Распознавать нарушения в газообмене, легочном кровообращении и метаболизме.

Обеспечивает контроль безопасного использования малопотоковых наркозных методик с присущим им экономичным расходом ингаляционных анестетиков.

Уменьшает необходимость в частых рутинных анализах газа крови, так как тренд PetCO 2 отражает тренд РаСО 2 . Газоанализ крови становится необходим в случаях значимого отклонения тренда PetCO 2 .

Общепринятые термины мониторинга СО 2

“капно” - означает уровень СО 2 при выдохе(от греческого “kapnos” курить);“гипер” - значит слишком много; “гипо” - значит слишком мало.

Использование PetCO 2 для контроля вентиляции.

В норме при спокойном естественном дыхании газообменная функция легких обеспечивает парциальное давление СО 2 в крови (РаСО 2) около 40 мм рт.ст. Это происходит путем регулирования частоты и глубины дыхания. При увеличении выделения СО 2 (например, при физических нагрузках) пропорционально возрастает частота и глубина дыхания. Во время наркоза с применением мышечных релаксантов, анестезиолог должен обеспечить надлежащий уровень вентиляции. Обычно этот уровень оценивается путем расчета необходимой вентиляции по номограммам. Гораздо более эффективный способ контроля адекватной вентиляции основан на мониторировании СО 2 .

Физиологические факторы, управляющие удалением СО 2 .

Удаление СО 2 зависит от 3-х факторов: скорости метаболизма, состояния системы легочного кровообращения и состояния системы альвеолярной вентиляции.

Необходимо помнить, что эти 3 фактора взаимосвязаны. Изменение кислотно-основного баланса (или состояния КОС), вызванное различными причинами, может так же влиять на удаление СО 2 .

Опыт диагностики различных критических ситуаций во время ИВЛ приходит довольно быстро. Так, если стационарное значение СО 2 возрастает при постоянной вентиляции, изменения в PetCO 2 обычно возникают из-за изменения в легочном кровообращении. При этом следует обратить внимание на изменения метаболизма или КОС.

В процессе наркоза, скорость метаболизма обычно меняется слабо (основным исключением является редкий случай злокачественной гипертермии, который вызывает резкий рост PetCO 2 .)

Что такое альвеолярная вентиляция.

Когда уровень вентиляции устанавливается, поддерживая стабильное и в пределах нормы PetCO 2 , то нет необходимости проводить какие-либо расчеты. Вместе с тем, чтобы быть готовым к любой ситуации, полезно знать особенности легочной вентиляции. Как уже говорилось, часть воздуха при дыхании не достигает альвеол и остается в механическом (соединительный коннектор, клапанная коробка, эндотрахеальная трубка) и анатомическом (трахея, бронхиальное дерево) мертвом пространстве, где газообмен не происходит. Чтобы рассчитать объем альвеолярной вентиляции в л/мин, который собственно и обеспечивает газообмен в легких, необходимо вычесть объем общего мертвого пространства из дыхательного объема. Умножив объем воздуха, проникающего в альвеолярные пространства, на частоту дыхания, можно получить альвеолярную минутную вентиляцию - показатель эффективной вентиляции.

5. Диагностика гипер- и гиповентиляции.

После начала наркоза и проведения интубации трахеи, анестезия обычно поддерживается системой искусственной вентиляции в стационарном состоянии выделения СО 2 . Заметим, что в течении продолжительной операции (более 1.5 часов), из-за угнетающего действия анестетиков и развивающейся гипотермии, слегка снижается метаболизм пациента и наблюдается постепенное уменьшение PetCO 2

Нормокапния и нормовентиляция.

Альвеолярная вентиляция обычно устанавливается так, чтобы обеспечить нормокапнию - то есть PetCO 2 должно находиться в диапазоне 4.8 - 5.7 % (36 -43 мм рт.ст.). Такая вентиляция называется нормовентиляцией, так как она характерна для здоровых людей. Иногда альвеолярную вентиляцию при ИВЛ устанавливают с легкой гипервентиляцией (PetCO 2 4-5%, 30-38 мм рт.ст.).

Преимущества нормовентиляции.

При поддержании нормовентиляции гораздо легче распознается развитие критических ситуаций: нарушения альвеолярной вентиляции, кровообращения или метаболизма. Спонтанное дыхание восстанавливается более легко. Кроме того, восстановление в посленаркозном периоде происходит гораздо быстрее.

Гипокапния и гипервентиляция.

Уровень PetCO 2 ниже 4.5% (34 мм.рт.ст.) называется гипокапнией. При наркозе наиболее частым случаем гипокапнии является слишком высокая альвеолярная вентиляция (гипервентиляция).

В после-наркозный период гипокапния при спонтанном дыхании пациента может быть результатом гипервентиляции вызванной страхом, болью или развивающимся шоком.

Недостатки длительной гипервентиляции.

К сожалению до сих пор распространенной практикой при ИВЛ является гипервентиляция пациента, которая по общепринятому мнению необходима для обеспечения адекватной оксигенации и даже для углубления наркоза. Однако современные лекарственные средства и способы мониторинга могут обеспечить лучшую оксигенация и анестезию без гипервентиляции "на всякий случай".

Гипервентиляция имеет достаточно серьезные недостатки:

вазоконстрикция, приводящая к снижению коронарного и церебрального кровотока;

избыточный дыхательный алкалоз;

угнетение дыхательных центров;

Все эти факторы приводят к более трудному и продолжительному восстановлению в посленаркозный период.

Гиперкапния и гиповентиляция.

Превышение PetCO 2 уровня 6.0% (45 мм рт.ст. при Ратм=760) называется гиперкапнией. Наиболее распространенной причиной гиперкапнии при наркозе является недостаточность альвеолярной вентиляции (гиповентиляция), обусловленная низким уровнем дыхательного объема и (или) частоты дыхания. Кроме того, в закрытом контуре ИВЛ продолжительная гиперкапния может быть вызвана недостаточно полным поглощением СО 2 . На капнограмме это проявляется в том, что концентрация СО 2 в фазе вдоха не падает до нулевого уровня.

В после-наркозный период продолжительная гиперкапния при спонтанном дыхании пациента может быть вызвана:

остаточным нейромышечным блоком;

медикаментозным подавлением дыхательных центров;

болевым ограничением дыхания (особенно после операции на органах брюшной полости).

Заметим, что гиперкапния может сопровождаться гипоксией, однако это не обязательно. Гипоксическое состояние наступает позже гиперкапнии при более низких значениях альвеолярной вентиляции.

Дополнительными клиническими проявлениями гиперкапнии являются: тахикардия, появление испарины, повышение напряжения, головная боль, беспокойство. При продолжительной гиперкапнии возникают нежелательные побочные эффекты, такие как склонность к сердечной аритмии (при воздействии летучих анастетиков), увеличение сердечного выброса, увеличение внутричерепного давления, легочная вазоконстрикция и периферическая вазодилатация.

6. Интерпретация капнограммы и тренда СО 2 .

Мониторы СО 2 обычно отображают кривую изменения концентрации СО 2 каждого выдоха в реальном времени (капнограмму) и тренд PetCO 2 за 30 минут. Резкие изменения в выделении СО 2 хорошо заметны на капнограмме выдоха, в то время как постепенные изменения лучше заметны по тренду СО 2 .

Нормальная капнограмма.

Капнограмма здорового человека при искусственной вентиляции имеет нормальную форму. Любое значительное отклонение от нормальной формы капнограммы отражает нарушение в дыхательной системе, комплексные или механические нарушения в контуре ИВЛ.

СО 2 резко перестал обнаруживаться.

Если капнограмма имела нормальный вид, а затем резко оборвалась до нуля, за один выдох, наиболее вероятной причиной является нарушение герметичности контура вентиляции.

Другой возможной причиной является полная обструкция дыхательного тракта, например вызванная перекручиванием (перегибом) интубационной трубки.

Экспоненциальное падение PetCO 2 .

Быстрое падение PetCO 2 за несколько дыхательных циклов может указывать на:

• выраженную легочную эмболию
• остановку сердца
• значительное падение артериального давления (сильная кровопотеря)
• выраженную гипервентиляцию (за счет ИВЛ).

Ступенчатое падение уровня PetCO 2

Наиболее вероятной причиной резкого (но не до нуля) падения уровня PetCO 2 является:

Перемещение эндотрахеальной трубки в один из главных бронхов, (например при изменении положения пациента).

• Внезапная частичная обструкция воздушных путей.

Резкое возрастание PetCO 2 .

Внезапно появившееся резкое, но плавно проходящее возрастание PetCO 2 , при концентрации СО 2 во вдыхаемом воздухе равной нулю, может быть вызвано внутривенным введением бикарбоната.

Постепенное снижение PetCO 2 .

Постепенное снижение PetCO 2 в течении нескольких минут может быть вызвано возрастанием минутной вентиляции, падением сердечного выброса, или ухудшением перфузии.

Постепенное возрастание PetCO 2

Постепенное возрастание PetCO 2 в течении нескольких минут может быть вызвано наступлением гиповентиляции, возрастанием скорости метаболизма в результате реакции пациента на стрессовое воздействие (боль, страх, повреждение и т.п.).

Интубация пищевода.

При интубации пищевода небольшая концентрация СО 2 может регистрироваться, благодаря ручной вентиляции через рот. После извлечения эндотрахеальной трубки и успешного ее введения некоторое время наблюдается повышенное значение PetCO 2 из-за накопления СО 2 при апноэ.

Злокачественная гипертермия.

Монитор СО 2 является быстродействующим индикатором злокачественной гипертермии. Быстрое возрастание скорости метаболизма легко обнаруживается по возрастанию PetCO 2 (СО 2 вдоха остается нулевым).

Неполная мышечная релаксация.

При неполной мышечная релаксация и недостаточной глубине наркоза у больного сохраняется собственное дыхание “работающее” против ИВЛ. Это неглубокое спонтанное дыхание вызывает провалы на капнограмме.

Частичная обструкция дыхательных путей.

Искаженная форма капнограммы (с медленной скоростью нарастания) может указывать на частичную обструкцию воздушных путей. Возможной причиной обструкции может быть:

генерализованный бронхоспазм,

слизь в дыхательных путях,

перегиб эндотрахеальной трубки.

Эффект возвратного дыхания.

Возрастание концентрации СО 2 вдоха отражает эффект возвратного дыхания, заключающийся в том, что пациент вдыхает СО 2 выдохнутый им в замкнутый контур ИВЛ (неполное поглощение СО 2 в контуре прибора ИВЛ).

Осцилляции капнограммы при сердечных сокращениях.

При слабом дыхании (особенно во второй половине выдоха при крайне низких скоростях потока) сердечные сокращения могут проявляться на спадающем участке капнограммы. Осцилляции капнограммы происходят из-за движения сердца против диафрагмы, вызывающего прерывистый поток воздуха в сторону эндотрахеальной трубки.

Восстановление естественного дыхания.

В критической ситуации пациента обычно вручную вентилируют 100% кислородом. При этом намеренно допускают рост PetCO 2 , чтобы запустить спонтанное дыхание. После чего пациент с не нарушенной вентиляцией быстро достигает удовлетворительной альвеолярной вентиляции.

Детская капнограмма.

На рисунке приведена типичная капнограмма, получаемая при использовании системы дыхания Jakson-Rees в детской анестезии. Начальное возвратное дыхание вызвано недостаточной очисткой газового потока, что было в дальнейшем скорректировано. Отчетливое альвеолярное плато подтверждает, что регистрируется "реальное" значение PetCO2.

Остановка сердца.

Быстрый спад высоты капнограммы, при сохранении правильной формы показывает резкое падение легочной перфузии из-за слабого сердечного выброса (1). При сердечной асистолии СО 2 не транспортируется к альвеолам легочным кровотоком (2). Начинается эффективная кардиопульмональная реанимация (3). Восстановление кровотока подтверждается ростом капнограммы.

Тренд СО 2 и капнограмма в реальном времени помогут Вам оценить всю процедуру и ее эффективность.

7. Практическое руководство по СО 2 мониторингу.

Мониторы CO 2 используют для измерения небольшие количества газа, который непрерывно забирается из воздушного тракта пациента (150 - 200 ml/min). Монитор с боковым отбором газа может использоваться со всеми типами контуров анестезии. Для мониторинга СО 2 при естественном дыхании используется носовой адаптер.

Основное правило для размещения отборника газа.

Размещайте адаптер отбора газа как можно ближе ко рту или носу пациента. Таким образом вы исключаете нежелательное “мертвое пространство” между местом отбора газа и пациентом, и измеренная концентрация PetCO 2 будет точнее соответствовать уровню альвеолярного СО 2 .

Когда для нагрева и увлажнения вдыхаемого воздуха используются нагреватель и влагообменник, адаптер отбора газа должен быть расположен между эндотрахеальной трубкой и нагревателем, и влагообменником.

В частности, когда используется закрытый контур вентиляции, адаптер отбора газа должен быть расположен возле эндотрахеальной трубки, чтобы предотвратить смешивание очищенного и выдохнутого газов.

Соединительные трубки не должны очищаться после использования. Очистка химическими веществами может испортить внутреннюю поверхность трубок и увеличить сопротивление потоку газа.

Стальные газоотборные адаптеры являются многоразовыми и могут быть стерилизованы, но пластиковые адаптеры предназначены только для одного пациента.

Используйте только фирменные трубки и адаптеры. Применение других образцов может привести к неправильным измерениям.

До использования воздуховодные трубки и адаптеры должны быть визуально проверены.

Удаление газа с выхода монитора.

Из выходного штуцера прибора газ выходит с достаточным давлением. Для предотвращения загрязнения воздуха палаты анестезионными газами, выходная трубка монитора должна подключаться к шлангу вытяжной вентиляции.

Мониторинг при слабых воздушных потоках.

Небольшие объемы газа, которые отбираются для мониторинга, обычно удаляются. Однако если в закрытой системе используются ультранизкие потоки, газ после анализа должен быть возвращен в ветвь выдоха дыхательного контура.

8. СО 2 мониторинг в посленаркозный период.

С помощью носового адаптера отбора газа СО 2 монитор позволяет непрерывно измерять PetCO 2 у пациента со спонтанным дыханием. При этом СО 2 мониторинг является прекрасным методом для выявления апноэ или угнетения дыхательных центров.

Если пациент остается под искусственной вентиляцией СО 2 монитор позволяет Вам оценить необходимый уровень вентиляции пациента непрерывно и неинвазивно.

Часто нарушение вентиляционно-перфузного отношения, вызванное легочной патологией проявляется в артериально-альвеолярном различии (аАДСО 2). Измерение концентрации СО 2 в артериальной крови и сравнение его с PetCO 2 дает оценку состояния легких. Причины изменения аАДСО 2 обязательно должны быть выяснены.

Nunn JF. Applied Respiratory Physiology,2nd edition London: Butterworth,1977.

Smalhout B,Kalenda Z. An Atlas of Capnography, 2nd edition. The Netherlands: Kerckedosh-Zeist,1981

Kalenda Z. Mastering Ifrared Capnography. The Netherlands: Kerckebosh-Zeist,1989

Paloheimo M, Valli M,Ahjopalo H. A Guide to CO2 Monitoring. Helsinki,Finland: Datex Instrumentarium Corp,1983

Lindoff B, Brauer K. Klinick Gasanalys. Lund, Sweden: KF-Sigma,1988

Lillie PE, Roberts JG. Garbon Dioxide Monitoring. Anaesth Intens Care 1988;16:41-44

Salem MR. Hypercapnia, Hypocapnia and Hypoxemia. Seminars in Anesthesia 1987;3:202-15

Swedlow DB. Capnometry and Capnograpny: The Anesthesia Disaster Early Warning System. Seminars in Anesthesia 1986;3:194-205

Ward SA. The Capnogram: Scope and Limitations. Seminars in Anesthesia 1987;3:216-228

Gravenstein N, Lampotang S, Beneken JEM. Factors influencing capnography in the Bain circuit. J Clin Monit 1985;1:6-10

Badgwell JM et al. Fresh Gas Formulae do not accurately predict End-Tidal PCO2 in Pediatric Patients. Can J Anaesth 1988;35:6/581-6

Lenz G, Kloss TH, Schorer R. Grundlagen und anwendungen der Kapnometrie. Anasthesie und Intensivmedizin 4/1985; vol 26: 133-141

Приложение 1

“ГАРВАРДСКИЙ СТАНДАРТ” минимального анестезиологического мониторинга (1985).

Обязательное присутствие анестезиолога в течении всего времени проведения общей и региональной анестезии.

Артериальное давление и частота пульса (каждые 5 минут).

Электрокардиография.

Постоянный мониторинг/вентиляция и гемодинамика/.

для вентиляции: наблюдение за размерами дыхательнго мешка,аускультация дыхательных шумов, мониторинг вдыхаемых и выдыхаемых газов (PetCO2).

для кровообращения: пальпация пульса, аускультация сердечных тонов, наблюдение за кривой артериального давления, пульсовая плетизмография или оксиметрия.

Мониторинг разгерметизации дыхательного контура с звуковым сигналом.

Кислородный анализатор с заданным уровнем тревоги по минимальной концентрации кислорода.

Измерение температуры.

Воздух состоит, как известно, из молекулярного азота (78%), молекулярного кислорода (21%), аргона (1%), небольшого количества паров воды и еще ряда веществ, содержание которых измеряется сотыми и тысячными долями процента. Среди них и углекислый газ, или, как его предпочитают называть ученые, - диоксид углерода (CO 2). Для удобства содержание CO 2 в воздухе оценивают не в процентах (сотых долях), а в миллионных долях, которые обозначают латинскими буквами ppm (part per million - частиц на миллион). Содержание углекислого газа в атмосфере Земли за всю историю ее существования колебалось в довольно широких пределах (см.: 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас). Сейчас его концентрация оценивается в 380–390 ppm (или 0,038–0,039%), хотя еще 50 лет назад она составляла всего 310–320 ppm. Основная причина роста содержания углекислого газа в атмосфере за последнее столетие - выбросы его при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа), а также сведение лесов.

Само существование жизни на Земле теснейшим образом связано с наличием в атмосфере углекислого газа. Во-первых, углекислый газ, наряду с парами воды и метаном, создает парниковый эффект - обеспечивает сохранение тепла, которое излучает нагретая солнечными лучами земля. Если бы в атмосфере не было парниковых газов, то средняя годовая температура воздуха у поверхности Земли была бы не +15°C, как сейчас, а –23°C.

Во-вторых, углекислый газ - это источник углерода для всех зеленых растений, планктонных микроскопических водорослей и цианобактерий. Используя энергию солнечного света, все эти организмы в ходе фотосинтеза производят из углекислого газа и воды органическое вещество, а в качестве побочного продукта выделяют кислород. Суть процесса фотосинтеза отражается простым уравнением:

CO 2 + H 2 O + энергия → (CH 2 O) + O 2 ,

где (CH 2 O) - обобщенная формула органического вещества.

Однако если в ходе фотосинтеза углекислый газ связывается (соответственно, изымается из атмосферы), то в ходе другого процесса - дыхания - он снова выделяется:

(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O + энергия .

В современной биосфере подавляющее большинство организмов получают необходимую им энергию именно в процессе аэробного дыхания - окисления органического вещества кислородом. Таким образом, жизнедеятельность множества организмов сама по себе оказывается важным источником углекислого газа. Наибольший вклад вносит дыхание грибов и бактерий, разлагающих отмершее вещество растительных тканей, а также дыхание самих растений (в первую очередь корней).

Сейчас ученые научились очень точно измерять концентрацию углекислого газа в воздухе. В самых разных точках Земного шара, от Аляски до Южного полюса существуют специальные станции, на которых в течение круглого года ведутся наблюдения за всеми изменениями содержания CO 2 . Собранные данные позволили построить трёхмерный график, показывающий зависимость количества углекислого газа в воздухе сразу от двух параметров - географической широты расположения станции и времени года (см. рис. 1).

Задача

Рассмотрите внимательно приведенный выше график сезонных изменений содержания углекислого газа в атмосфере на разных широтах. Обратите внимание на то, что для Северного полушария, особенно - области высоких его широт, характерны необычайно сильные колебания в содержании CO 2 . Максимальные значения отмечаются весной - в апреле–мае, а минимальные - осенью, в сентябре–октябре. В Южном полушарии подъемы и спады количества CO 2 также наблюдаются, но в противофазе тому, что происходит в Северном полушарии, а главное - с совсем незначительной амплитудой.
Задание. Попробуйте объяснить полученную картину. Из-за чего так сильно колеблется содержание углекислого газа в течение года и почему в Северном полушарии размах колебаний значительно больше, чем в Южном?

Если вам трудно разобраться в трёхмерном графике, приведенным выше, посмотрите еще на один (рис. 2). Он ориентирован по-другому: Южное полушарие ближе к вам, а Северное - дальше. Это другие годы, но характер сезонных изменений на разных широтах тот же самый: в Южном полушарии они выражены очень слабо, в Северном - сильно.

Подсказка 1

В качестве подсказки советую взять глобус (лучше даже сломанный, отвалившийся от подставки) и посмотреть на него внимательно со стороны Северного полюса и со стороны Южного. Ниже приведена соответствующая пара рисунков (рис. 3). Вам нужно понять, чем различаются Северное и Южное полушария и как эти различия могут сказаться на процессах поглощения и выделения углекислого газа.

Подсказка 2

Посмотрите на график сезонных изменений содержания углекислого газа, полученный за последние годы на астрофизической обсерватории Мауна-Лоа на острове Гавайи (рис. 4). Хотя это всего 20° с. ш., колебания концентрации CO 2 выражены очень четко. Самая высокая концентрация отмечается в мае, самая низкая - в сентябре-октябре.

Решение

Наверное вы обратили внимание на то, что Северное полушарие - преимущественно континентальное (бо льшую часть его занимает суша), а Южное - океаническое (в центре - покрытая льдом Антарктида, а вокруг - огромное пространство океана). Можно предположить далее, что суша и океан различаются по интенсивности процессов связывания и выделения углекислого газа. Из графика сезонных изменений концентрации CO 2 , полученным на Мауна-Лоа (рис. 4), следует, что в летние месяцы в Северном полушарии количество этого газа сильно снижается (минимум достигается осенью), а в зимние месяцы растет и достигает максимума к весне. Теперь нетрудно догадаться, что уменьшение содержания углекислого газа летом происходит благодаря деятельности растений, а именно - фотосинтезу, в ходе которого CO 2 потребляется. Рост растений, увеличение массы листьев, стеблей и корней происходит за счет углерода, который был поглощен ими из воздуха в форме углекислого газа.

Если за изъятие углекислого газа из атмосферы отвечает фотосинтез, то за его поступление - дыхание всех организмов, в первую очередь бактерий и грибов, разлагающих органическое вещество отмерших растений. Дыхание происходит и весной, и летом, и осенью, а с небольшой интенсивностью - и зимой, по крайней мере в тех местах, где сохраняются положительные температуры. Период вегетации (активного роста растений) в умеренных и высоких широтах ограничен концом весны - началом лета. Но именно тогда количество углекислого газа, связываемого быстро растущими растениями, существенно превосходит количество его, выделяемое в процессе дыхания всех организмов. Поэтому мы и наблюдаем в это время снижение концентрации углекислого газа в воздухе. Затем фотосинтез резко ослабевает, а дыхание всех организмов продолжается, что и приводит к накоплению CO 2 . Еще один дополнительный источник углекислого газа, работающий круглогодично, - это сжигание человеком ископаемого топлива.

Здесь читатель вправе заметить, что процессы фотосинтеза и дыхания имеют место не только на суше, но и в океане. Почему же над океаном мы не наблюдаем столь значительных изменений в содержании CO 2 в воздухе? Ведь наиболее активный фотосинтез происходит в море также весной и в начале лета, когда становится тепло, а главное - светло, и когда в воде содержится еще достаточно много элементов минерального питания (азота и фосфора в доступной форме). На самом деле сезонные колебания концентрации углекислого газа в Южном, океаническом, полушарии также существуют, но протекают они, естественно, в противофазе тому, что происходит в Северном. Удивительно, почему у них такая небольшая амплитуда. Здесь могут работать несколько механизмов.

Во-первых, океан (даже его верхние слои) обладает огромной теплоемкостью, что сглаживает сезонные колебания температуры в сравнении с происходящим на суше. Во-вторых, в воде углекислый газ хорошо растворяется (в холодной лучше, чем в теплой) - то есть существует физико-химический механизм связывания CO 2 ; правда, поверхностные слои океана могут и отдавать CO 2 атмосфере в случае низкого его там парциального давления. В-третьих, и это, пожалуй, самое главное - величина чистой первичной продукции, то есть количество органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза автотрофными организмами, в расчете на единицу площади для суши примерно в 2,5 раза выше, чем для океана. Фитопланктон не может обеспечить изъятие из окружающей среды такого количества CO 2 , которое изымает наземная растительность умеренных и северных широт. Колебания в содержании углекислого газа, обнаруживаемые обсерваторией на Мауна-Лоа, определяются прежде всего сезонностью в развитии растительности Евразии и Северной Америки.

Послесловие

Вообще-то, воздушная среда в сравнении с водной очень подвижна. Невольно возникает вопрос: почему перемешивание воздушных масс не выравнивает содержание углекислого газа в атмосфере Земли? Здесь необходимо напомнить, что воздух легко и быстро перемещается в широтном направлении, но не в меридиональном. Поэтому на Гавайских островах можно наблюдать результаты сезонного развития растительности на удаленных материках. Но в направлении «север - юг» мы видим сохранение серьезных различий в содержании CO 2 на разных широтах. Мешает меридиональному переносу ячеистая структура воздушной циркуляции. Воздух в районе экватора нагревается сильнее всего, поэтому он поднимается там вверх, расширяясь, движется к северу и югу, постепенно охлаждается и опускается в обоих полушариях к земле примерно на 30°. Потом этот охлажденный воздух движется у поверхности земли к экватору и замыкает круговорот. Таким образом формируются ячейки Гадлея , названные по имени описавшего их английского ученого XVIII века Джорджа Гадлея (George Hadley). Движение воздушных масс в каждой из этих ячеек заставляет двигаться соседние воздушные массы вниз, а затем к северу и югу (в зависимости от полушария). Это уже ячейки Феррела , названные в честь американского метеоролога XIX века Уильяма Феррела (William Ferrel). Наличие подобной ячеистой структуры циркуляции сильно препятствуют перемешиванию воздушных масс в меридиональном направлении, но не создает препятствий для движения по широте.

Обеспечение комфортных и безопасных условий труда является важной обязанностью работодателя. Окружающая среда, в которой работает человек, непосредственно влияет на его здоровье, самочувствие и, как следствие, на его работоспособность и производительность.

Нашим государством установлен ряд правил, которые необходимо соблюдать для создания оптимальных условий на рабочем месте. В первую очередь – это метеорологические условия . К ним относятся влажность и температура воздуха, его газовый состав и скорость движения. Другими важными факторами, влияющими на самочувствие сотрудников офиса, являются освещенность рабочего места и интенсивность фонового шума.

Температура

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 температура воздуха в офисном помещении должна составлять 22-24 °С зимой и 23-25 °С в теплое время года. Это оптимальный диапазон, при котором не происходит перегрев или переохлаждение организма. Чтобы сохранять рекомендуемый температурный режим офисы должны быть оснащены соответствующим охлаждающим или нагревательным оборудованием. Для контроля температуры в помещении используют цифровые термометры. Они крепятся на стену или в другом удобном месте и позволяют постоянно следить за текущей температурой воздуха в офисе.

Влажность

Нормальная для работы относительная влажность воздуха должна находиться в пределах от 40 до 60%. Влажность воздуха больше 70% способствует развитию болезнетворных плесневых грибков. Эти грибки выделяют большое количество спор, которые попадают в легкие человека. Следствием могут стать воспалительные процессы дыхательных путей. Высокая влажность приводит к развитию бронхиальной астмы и может стать причиной обострения аллергических реакций. При понижении влажности воздуха до 20-30% человеческий организм начинает активно терять влагу. Из-за этого пересушиваются слизистые оболочки, появляется заложенность в носу, слезливость глаз и т.п.

Очень важно постоянно следить за влажностью в рабочем помещении. Для этой цели были созданы – приборы для измерения относительной влажности воздуха. Они имеют компактные размеры, что позволяет устанавливать их практически в любом месте. Часто гигрометры комбинируют с термометрами и часами. Это делает такие приборы очень удобными в использовании.

Понизить влажность в сырых помещениях можно с помощью отопительных приборов или влагопоглотителей. Средствами для повышения влажности являются бытовые увлажнители воздуха. Также для этих целей можно проводить влажные уборки или озеленение помещений.

Концентрация углекислого газа в воздухе

Еще одним важным параметром хорошего самочувствия человека на рабочем месте является правильный состав воздуха, которым он дышит. Химический состав воздуха нормируют по содержанию кислорода, азота, углекислого газа, инертных газов, пыли и других вредных веществ.

Согласно нормам, установленным нашим государством для рабочих помещений, процентное соотношение кислорода в воздухе должно составлять 19,5-20%, азота – 78%, а углекислого газа 0,06-0,08%.

Очень часто бывает, что углекислый газ, который накапливается в помещении при дыхании людей, во много раз превышает допустимые нормы . Это негативно сказывается на самочувствии людей и их работоспособности. Предельно допустимая норма на концентрацию углекислого газа составляет 0,1-0,12%.

Если уровень углекислого газа в помещении превышает отметку 0,1%, он становится токсичным. В таких концентрациях углекислый газ влияет на клеточную мембрану, вызывая в ней биохимические изменения, которые приводят к серьезным заболеваниям сердечнососудистой системы, снижению иммунитета, головной боли, общей слабости.

Чтобы не допустить превышение концентрации углекислого газа в воздухе, в офисных помещениях устанавливаются специальные. С их помощью можно вовремя узнать, когда нужно сделать проветривание помещения. Если же уровень углекислого газа часто повышается выше критического, необходимо установить в помещении очистители воздуха.

Скорость движения воздуха

Рекомендованная скорость воздуха в рабочей зоне должна находиться в диапазоне 0,13-0,25 м/с. При меньшей скорости может возникнуть духота и повышение температуры окружающей среды . Большая скорость воздушных потоков приводит к сквознякам, которые негативно сказываются на здоровье людей, работающих в помещении. Предельным значением скорости ветра является величина 1 м/с (согласно ГОСТ 12.1.005-88). Прибор для контроля скорости воздушных потоков называется.

Освещение

На утомляемость человека сильно влияет освещение. Очень мало работодателей уделяют освещению рабочих мест сотрудников достаточно внимания. Пониженное освещение приводит к быстрой утомляемости глаз и к уменьшению работоспособности человека. Согласно стандарту международной комиссии освещения, норма естественного и искусственного света для офисов общего назначения с использованием компьютеров составляет 500 люкс. Российские СНиП (строительные нормы и правила) указывают оптимальную освещенность 200-300 люкс.

Уровень освещенности можно измерить. Часто бывает, что общего освещения недостаточно для комфортной работы. В этом случае на рабочем месте необходимо установить местное освещение. Желательно, чтобы это были лампы с белым светом, так как желтый свет обладает расслабляющим действием. Нужно также обратить внимание на тип лампочек, применяемых для местного освещения. Лампы накаливания и галогеновые лампы выделяют много тепла и могут приносить дискомфорт в жаркое время года. В этом случае рекомендуется использовать энергосберегающие флуоресцентные лампы.

Фоновый шум

Еще одним фактором, влияющим на самочувствие человека, является уровень фонового шума. Результаты исследования Британского психологического журнала показали, что интенсивный фоновый шум снижает уровень производительности офисных сотрудников на величину до 60%.

Верхний предел фонового шума для офисных помещений по европейским нормам составляет 55 дБ (эта величина соответствует отчетливо слышному разговору). Шум может происходить от разных источников: компьютеры, лампы освещения, уличный шум и т.п. Для измерения уровня шума применяется прибор.

2. Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings - Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

3. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.2100-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вред­ных веществ в воздухе рабочей зоны (дополнение № 2 к ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны).

4. СанПиН 2.2.3.570-96. Гигиенические требования к предприятиям угольной промышленности и организации работ.

5. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

6. СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помеще­ниям.

7. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пас-сажирских перевозок.

8. АВОК СТАНДАРТ - 1 2002. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.

9. Olli Seppanen . Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качественного микро­климата помещений // АВОК. - 2000. - № 5.

10. Оле Фангер П. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате, и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей // АВОК. - 2006. - № 2.

Сегодня, особенно в России, люди недооценивают важность контроля и поддержания нормального уровня углекислого газа (CO2) в квартире (офисе, школе, в любом помещении, где мы проводим хотя бы пол часа). В этой статье, я бы хотел подробнее рассказать про качество воздуха в доме:

• о важности поддержания правильного уровня СО2 в помещениях;
• о методах измерения уровня СО2;
• вкратце об организации правильной системы вентиляции воздуха.

Почему важно контролировать уровень углекислого газа в помещениях?

Про важность соблюдения уровня CO2 сказано уже много (советую почитать: , , ветка на форуме iXBT , ). Но вкратце: углекислый газ выделяется при дыхании человека (основной источник, а при плохой вентиляции скапливается в больших концентрациях в помещении. Незначительное повышение концентрации СО2 вызывает у людей ощущение «спертости» воздуха, духоты. При более значительном повышении концентрации симптомы становятся хуже: «тяжелая» голова, головокружение, головные боли и вплоть до необратимых изменений в организме человека. Концентрацию углекислого газа принято измерять в ppm (parts per million - частей на миллион).

Реакция организма взрослого человека в зависимости от уровня CO2

Опасные концентрации СО2

Почему в квартире высокий уровень CO2?

Основных причин — три:

• Пластиковые окна
• Не работающая вытяжка и отсутствие приточной вентиляции
• Несоблюдение санитарных нормативов — большое количество людей в комнате.

Пластиковые окна без клапанов — источник повышенного уровня СО2 в квартире

Сегодня мы любим устанавливать пластиковые окна и гордиться тем, что они полностью герметизируют квартиру (ведь дома станет тепло!), но не задумываемся о будущих последствиях (особенно если дома есть дети!). Причина в том, что современные окна полностью перекрывают приток воздуха с улицы и тем самым блокируют работу естественной системы вентиляции квартиры, а как следствие — воздух в квартире не обновляется и повышается уровень СО2. Некоторые устанавливают специальные оконные клапаны, через которые проходит воздух с улицы — это хоть какое-то, но решение.

К стати, старые советские окна с немаленькими щелями так проектировались специально, чтобы обеспечить хоть какой-то приток свежего воздуха!

Неработающая вытяжка

Часто люди не обращают внимание на вытяжные вентиляционные отверстия в кухне и сан.узле. Некоторые даже «закладывают» их при ремонте. Иногда сетка на вентиляционных отверстий настолько засорена, что практически останавливает работу вентиляции. Эти факторы способствуют ухудшению качества воздуха в квартире. Представьте, что вы и еще несколько человек находятся в одном небольшом замкнутом пространстве, активно двигаются, готовят кушать и т.д. Через какое-то время, если воздух не обновляется, в этом пространстве становится очень тяжело находиться, в воздухе сконцентрировано много загрязняющих веществ, в том числе углекислого газа. А теперь представьте, что многие из нас так живут годами после установки пластиковых окон! А потом удивляемся откуда у нас/наших детей появляются хронические болезни?

Чтобы проверить качество работы вытяжной вентиляции в вашей квартире лучше обратиться к профессионалам. Как правило достаточно звонка в управляющую компанию с жалобой на плохо работающую вентиляцию. Но, чтобы понять действительно ли вентиляция плохо работает лучше предварительно проверить менее точными, но «подручными» способами. Сделать это можно, поднеся к вентиляционным отверстиям тонкую полоску бумаги, свечу или горящую спичку, а можно попробовать тлеющими ароматическими палочками — от них достаточно умеренный и безопасный дым (Соблюдайте правила пожарной безопасности! ). Бумажка или дым должны «всасываться» потоком воздуха внутрь вентиляционного отверстия. Если этого не происходит или поток воздуха очень слаб, попробуйте открыть окно, чтобы «разгерметизировать» квартиру. Даже если это не помогло — то с вентиляцией проблемы и их нужно обязательно исправлять! В многоквартирных домах ответственность за работу вентиляции несет управляющая компания и в большинстве случаев они должны заниматься восстановлением работы вентиляции, не требуя с вас дополнительной оплаты. Возможно, вас будут убеждать, что сделать ничего уже нельзя (или вымогать оплату), что в вашем доме старая и засоренная система вентиляции — рекомендую быть более настойчивым и в случае отказа УК исправлять работу вентиляции обратиться с заявлением в вышестоящие инстанции.

В Интернете существует несколько отличных форумов, посвященных теме вентиляции в доме, там вы можете найти много полезной информации и задать интересующие вас вопросы профессионалам:

• ветка на форуме «Город мастеров» http://www.mastercity.ru/forumdisplay.php?f=22

Приточная вентиляция

Если в вашем доме/квартире исправна система вытяжной вентиляции и у вас хорошо утепленные или пластиковые окна, то для создания условий для естественной очистки воздуха в квартире я бы очень рекомендовал устанавливать приточную вентиляцию. Сегодня это не очень дорого и установка не портит ремонт в вашей квартире.

У меня установлены пассивные клапаны Домвент, в ближайшее время напишу про них отдельную статью. Очень много информации по поводу приточной вентиляции можно найти на форуме iXBT в этой ветке .

Несоблюдение санитарных нормативов

Соблюдайте санитарные нормы. Даже самая хорошо работающая вентиляция может не справиться с большим количеством людей в комнате. Существуют некоторые способы расчета необходимого притока свежего воздуха в зависимости от количества людей в помещении (конечно же, они очень условные, но для грубой оценки вполне полходят):

• поступление свежего воздуха 15 cfm = 25,5 м3/час на одного человека, находящегося в помещении, соответствует уровню концентрации CO2 в 1000 ppm
• поступление свежего воздуха 20 cfm = 34 м3/час на одного человека, находящегося в помещении, соответствует уровню концентрации CO2 в 800 ppm

Что делать?

• Контролировать уровень СО2
• Проверить хорошо ли работает у вас дома вытяжка (и работает ли вообще)
• Установить приточную вентиляцию (пассивную — клапаны; или активную — бризеры с электромоторами и подогревом воздуха)
• Если приточной вентиляции нет, то рекомендуется проветривать помещение (малоэффективный способ, т.к. вставать ночью, особенно зимой, чтобы открыть окно на несколько минут — вряд ли получится)

Как измерить уровень углекислого газа?

Сегодня существует огромное количество разных приборов для измерения CO2. Приведу пример нескольких из них, самых надежных и распространенных.

Sensair K-30

Нужны навыки программирования, пайки и работы с микроэлектроникой, но самый универсальный по соотношению цена/качество. Я использую именно его. Где купить в России, к сожалению, я не нашел и заказал на сайте co2meter.com

Подключение к сенсора K-30 к Raspberry Pi или Arduino расскажу в следующих статьях.

TIM (ссылка)

Симпатичный, кроме измерения CO2 умеет измерять влажность и температуру, существуют версии со встроенной памятью, для хранения замеров. Купить можно там же — co2meter.com .

Netatmo

Симпатичный, дорогой, удобный, мега-многофункциональный. Можно купить в России.

Заключение

Надеюсь в данной статье я смог донести о важности контроля уровня СО2 и обеспечении свежего воздуха в помещениях, где мы проводим много времени. Это ваше здоровье и здоровье ваших близких! В следующей серии статей я расскажу о том, как подключать датчики СО2 в единую систему Умного дома и как правильно организовывать вентиляцию (с автоматизацией или без).