Мониторинг CO2 и качество воздуха в помещении

Углекислый газ не имеет цвета и запаха. Он является естественным компонентом окружающего воздуха, с концентрацией примерно 400 ppm (миллионных долей). CO₂ формируется при полном сгорании углеродосодержащих веществ с достаточным притоком кислорода.

Он также формируется в организмах живых существ как продукт клеточного дыхания. При высоких концентрациях до 1000 ppm CO₂ может оказывать значительное негативное воздействие на общее самочувствие (головные боли, усталость, недостаток концентрации).

• Формирование CO₂ и его воздействие на здоровье человека
• CO₂ в помещении
• Объёмный расход наружного воздуха, кратность вентиляции и оценка концентрации CO₂
• Синдром больного здания
• Качество воздуха в школах
• Нормы по содержанию CO₂ в воздухе помещения
• Технология измерения CO₂
• Загрузить в PDF

Формирование CO₂ и его воздействие на здоровье человека

Углекислый газ образуется в клетках организма (в количестве 0,7 кг в день) и из них распространяется по окружающим капиллярам. Он передается через кровь химически связанным в составе белков, таких как гемоглобин, или в растворенном виде. Большая часть CO₂ физически растворяется, и лишь незначительная его часть преобразуется карбоангидразой эритроцитов в углекислоту, которая в водной среде распадается на водород и ионы гидрокарбоната. Углекислый газ выделяется через альвеолярную мембрану в лёгких.

Главная физиологическая функция улекислого газа в организме состоит в регулировании дыхания через химические рецепторы аорты и продолговатого мозга, который стимулирует дыхательный центр в стволовой части мозга. Повышенное содержание CO₂ во вдыхаемом воздухе учащает дыхание, повышая дыхательный объём. При этом CO₂ оказывает отложенный эффект на бронхиолы, что приводит к увеличению объёма неиспользуемого пространства (пространства дыхательной системы, не задействованного в газообмене).

Однако отложенный эффект CO₂ на периферийные и центральные артериолы не приводит к снижению кровяного давления, поскольку повышенная выработка адреналина вызывает компенсирующее сужение сосудов.

Эффект различных концентраций CO₂

CO₂ в помещении

CO₂ считается основным параметром антропогенного загрязнения воздуха, поскольку повышение концентрации CO₂ в помещении коррелирует с ростом интенсивности запахов, являющихся продуктом человеческого метаболизма. Таким образом, содержание CO₂ в воздухе помещения прямо отражает интенсивность его использования. Оно также может служит ориентировочным маркером для других регулируемых областей, таких как планирование размеров систем вентиляции и кондиционирования или инструкции по проветриванию в таких активно используемых помещениях с естественной вентиляцией, как школьные классы или залы собраний.

В используемых помещениях концентрация CO₂ в основном зависит от следующих факторов:

• Число людей в помещении, объем помещения
• Активность пользователей помещения
• Время, которые пользователи проводят в помещении
• Процессы сгорания в помещении
• Воздухообмен и объёмный расход наружного воздуха

Быстрый рост концентрации CO₂ в помещении — типичное следствие присутствия множества людей в относительно небольших пространствах (например, в залах для собраний, конференций или в школьных классах) с низкой кратностью воздухообмена.

Критические концентрации CO₂ обычно соседствуют с другими факторами загрязнения воздуха, особенно с неприятными запахами пота или косметики, а также микроорганизмами. В герметичных помещениях с очень низкой кратностью воздухообмена концентрация CO₂ может расти даже в присутствии совсем небольшого количества людей (например, в квартирах или офисах).

В обоих случаях CO₂ прямо влияет на ощущение комфорта от нахождения в помещении. Европейские совместные действия (ECA) определяют следующие уровни недовольства микроклиматом на основе модельных расчётов. Начиная с 1000 ppm, примерно 20 % пользователей помещения могут быть недовольны, и это число вырастет примерно до 36 % при 2000 ppm.

В то время как залы для собраний и конференций обычно используются от случая к случаю и кратковременно, в школьных классах ученики и учителя регулярно находятся на протяжении многих часов, поэтому концентрация CO₂ в их воздухе имеет критическое значение. Текущие и прошедшие исследования в разных частях Германии, посвященные концентрации углекислого газа в школьных классах неизменно демонстрируют недостаточное качество воздуха, связанное с этим параметром.

Объёмный расход наружного воздуха, кратность вентиляции и оценка концентрации CO₂

Объёмный расход наружного воздуха или кратность вентиляции описывает объём потока (в л/с или м³/ч) наружного воздуха, поступающего в помещение или здание через систему вентиляции или каркас здания. Для помещений, в которых присутствуют люди, требуемый объёмный расход наружного воздуха устанавливается исходя из количества людей, например, л/с или м³/ч на человека. Кратность воздухообмена (n на 1/ч) — соотношение объёмного расхода наружного воздуха в м³/ч и объёма помещения в м³.

Микроклимат в помещении воспринимается как комфортный при температуре от 20 до 23 °C и влажности воздуха от 30 до 70 % ОВ. Однако для людей с аллергией на пылевых клещей рекомендуется максимум 50 % ОВ. При этом рекомендуются контрольные замеры официально поверенным гигрометром. Скорость воздуха в помещении не должна превышать 0,16 м/с (зимой) и 0,25 м/с (летом). Когда вы входите в комнату, где есть люди, иногда возникает ощущение “спёртого воздуха”. Причиной может быть выдыхаемый углекислый газ, пар и запах пота.

Макс фот Петтенкофер

150 лет назад немецкий химик Макс фон Петтенкофер уже указывал “плохой воздух” как негативный фактор долгого пребывания в жилых кварталах и образовательных учреждениях, и идентифицировал CO₂ как важнейший компонент оценки качества воздуха.

Он установил 0,1 % об. (= 1000 ppm) как стандарт концентрации CO₂ в помещении – так называемое число Петтенкофера, которое долго оставалось действующей нормой.

Симптомы плохого самочувствия, такие как головная боль, усталость и потеря внимания, проявляются при её повышении. 

Три уровня опасности при оценке концентрации CO₂ в воздухе в помещении

Синдром больного здания

Термин “синдром больного здания” можно трактовать двумя способами. С одной стороны, он относится к зданиям, в которых люди во время работы чувствуют себя больными, а с другой стороны, сами здания можно назвать “больными”.

Причиной возникновения синдрома больного здания обычно является система кондиционирования или недостаточная гигиена воздуха в здании. При этом наблюдается множество симптомов, таких как: раздражение глаз, носа и горла; ощущение сухости кожи и слизистой оболочки; психологическая усталость; частые респираторные заболевания и кашель; хрипота, одышка, зуд и неспецифическая гиперчувствительность.

Американское исследование. проводившееся в зданиях с системами кондиционирования и вентиляции, позволило на основе статистических данных продемонстрировать сильную прямую зависимость между жалобами на сухость в горле или раздражение слизистой оболочки и повышенной концентрацией CO₂, даже если она была ниже 1000 ppm в абсолютном выражении.

Более поздние исследования показали, что затраты на устранение проблем, связанных с неблагоприятным микроклиматом в здании, часто оказываются для работодателя, владельца здания и государства выше, чем затраты на энергообеспечение этого здания.

Также было доказано, что хороший микроклимат может повысить общую работоспособность и эффективность обучения, при этом снизив коэффициент отсутствия на рабочем месте.

Качество воздуха в школах

В одной только Германии насчитывается 34 000 общеобразовательных школ и 10 000 школ профессионального обучения. Соответственно, мониторинг концентрации CO₂ в них очень важен. При этом среднее содержание углекислого газа в атмосфере составляет 400 ppm.

Всего за один учебный час в классе этот показатель только за счёт воздуха, выдыхаемого учениками и учителями, повышается до 1500 ppm и более, а после 90 минут занятий фиксировались значения порядка 2700 ppm. В конце занятия это вызывает повышенную усталость и ослабление внимания – симптомы, которые прямо мешают обучению и преподаванию.

Исследование, проведённое в США, позволило сделать вывод, что концентрация CO₂ в учебных классах прямо влияет на посещаемость учеников. Повышение концентрации CO₂ до 1000 ppm ведёт к снижению посещаемости на 10 ... 20 %. Согласно другому исследованию, каждые лишние 100 ppm CO₂ снижают годовую посещаемость учеников на 0,2 %.14 Также было установлено, что повышение кратности вентиляции может снизить отсутствие по болезни на 10 ... 17 %. Таким образом, CO₂ влияет на посещаемость занятий в исследуемых школах. Однако степень этого влияния остаётся неясной, не в последнюю очередь из-за того, что нужно принимать во внимание индивидуальные обстоятельства в каждой школе.

С принятием в Германии в 2002 году Закона об энергосбережении (переработанного в 2007 году) все, кто занимается переоборудованием школьных зданий, столкнулись с новыми задачами. Ограждающие конструкции и окна стали намеренно делать герметичными для выполнения требований по сбережению энергии. В случае недостаточной вентиляции это может привести к таким негативным последствиям, как накопление химических и биологических вубстанций в воздухе в помещениях.

Хотя проблема с углекислым газом в помещениях с большим числом людей известна уже давно, убедительных решений её в образовательной сфере пока так и не найдено. В то же время не существует чётких правил насчёт того, кто и когда должен открывать окна в классах, особенно в зимние месяцы. В результате концентрация CO₂ там ожидаемо оказывается очень высокой (3000 ppm и более). Это прямо влияет на риск инфекционных заболеваний в школах: при большом количестве CO₂ число микробов также резко возрастает.

Например, в 2003 году американские учёные Радник и Милтон изучали риск заболевания гриппом в классе. На протяжении четырёх часов в классе присутствовало 30 человек, один из которых страдал от острого гриппа. В результате при концентрации CO₂ в 1000 ppm заразились пять человек, при 2000 ppm заразившихся было двенадцать, а при 3000 ppm уже 15.

Текущая ситуация во многих школах демонстрирует: в некоторых случаях требования регулярно и интенсивно проветривать классы недостаточно, чтобы решить проблему CO₂. Неизбежны технологические меры по организации вентиляции, позволяющие достичь постоянного качества воздуха с низким содержанием CO₂ при любой интенсивности использования.

Нормы по содержанию CO₂ в воздухе помещения

В Германии и Европе нет всесторонних юридически обязательных норм по качеству воздуха в помещениях. Вместо этого существует множество оценочных величин, которые называются ориентировочными или целевыми. В Германии в качестве гигиенической ориентировочной величины согласно стандарту DIN 1946 часть 2 применяется значение CO₂ 0,15 % об. (= 1500 ppm).

Ориентировочные значения по концентрации CO2 в помещениях были опубликованы Комиссией по гигиене воздуха в помещении (IRK) Федерального министерства окружающей среды и Государственным ограном по здравоохранению. Ряд соседних стран опубликовал нормы и рекомендации по вентиляции в зданиях, включая школы, в которые входят положения об ограничении концентрации CO₂ в воздухе помещений.

В Финляндии максимально допустимая концентрация CO₂ в используемом помещении при нормальных погодных условиях составляет 1200 ppm. В норвежских и шведских нормах для жилых помещений, школ и офисов установлена максимальная концентрация CO₂ 1000 ppm. В Дании, согласно нормам органа по охране труда, содержание углекислого газа в детских садах, школах и офисах не должно превышать 1000 ppm. Воздухообмен считается недостаточным, если несколько раз в день на короткое время концентрация CO₂ превышает значение 2000 ppm.

Для рабочих мест, подпадающих под положения Директивы об опасных веществах, согласно TRGS 900 установлено предельное значение 5000 ppm CO₂.

Технология измерения CO₂

Существуют три типа приборов для измерения и мониторинга концентрации углекислого газа в помещениях:

Приборы для измерения CO2 (например, testo 535):	Логгеры данных CO2 (testo 160 IAQ):	Многофункциональные приборы (например, testo 440):
Портативные, но также подходящие для долгосрочных измерений, они быстро и точно измеряют содержание CO2 в воздухе.	Помимо CO2 они непрерывно регистрируют температуру и влажность. Результаты по WiFi передаются в облако, что позволяет рассылать уведомления о нарушениях граничных значений по e-mail или SMS. Наглядная система оценки по типу “светофора” позволяет ответственным сотрудникам моментально видеть текущее состояние качества воздуха.	Помимо CO2, они измеряют все параметры вентиляции и кондиционирования, такие как скорость воздуха, температуру, влажность, степень турбулентности, CO или освещенность.

Логгеры Testo 160 IAQ недавно внесены в Государственный реестр СИ РФ под № 74221-19. Электронную версию свидетельства найти на официальном сайте Testo в России.

Загрузить Экспертную статью в PDF