Непрерывный мониторинг качества внутреннего воздуха в школьных зданиях

R. Schulte, B. Bridges, D. Grimsrud, члены Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Значения температуры, относительной влажности и концентрации углекислого газа измерялись с периодом в один час, один день и одну неделю. При этом мы наблюдали необычные явления, одни из которых повторялись с определенной регулярностью, другие были нерегулярными. Кроме того, отмечались и исследовались значения концентрации угарного газа и летучих органических соединений, превышающие допустимые значения.

Исследования проводились в школах, которые проявили заинтересованность в решении проблем качества внутреннего воздуха и добровольно согласились участвовать в проекте. Несмотря на то, что мы исследовали здания, находящиеся в хорошем состоянии, были отмечены несколько проблем, связанных с качеством воздуха, и хотя проект мониторинга все еще продолжается, в школах уже начали проводить мероприятия по улучшению качества воздуха.

Характеристики проекта

Проект «Непрерывный мониторинг качества внутреннего воздуха в школах Миннесоты» финансируется Законодательной комиссией по ресурсам штата Миннесота. Результаты этого проекта имеют значение для школ и законодательных органов всей страны.

Школы, участвующие в проекте, имеют разный возраст, тип и мощность используемого оборудования, они расположены в разных местах штата.

В августе и сентябре 2003 года в них были установлены небольшие неподвижные мониторы с несколькими датчиками. Размер каждого монитора не превышает размер программируемого комнатного термостата. Анализ измерений проводился в августе 2004 года.

Мониторы непрерывно передают данные о температуре, относительной влажности, концентрации углекислого газа (СО₂), угарного газа (СО), а также общей концентрации летучих органических соединений, выражающейся в процентном содержании органических запахов и газов.

Эти данные передаются по Интернету на центральный сервер, который строит по этим данным графики и диаграммы. Пользователи при помощи компьютера, имеющего выход в Интернет, и пароля защиты могут просматривать эту графическую информацию (рис. 1).

Результаты наблюдений, проводимых в течение месяца, сводились в отчет для каждой школы. На рис. 2 дан пример собираемых данных. На этом рисунке представлены усредненные за час значения концентрации СО₂ для пяти школьных помещений в течение обычной зимней недели. На графике пунктиром обозначено номинальное значение концентрации 1 000 ppm (ppm, parts per million – частиц на миллион), соответствующее промышленным предписаниям¹.

Рисунок 1. Система непрерывного мониторинга качества внутреннего воздуха

Рисунок 2. Изменение уровня концентрации СО2 в школе F в течение недели (зима 2003/2004); усредненные за час показатели концентрации СО2 (красные линии обозначают полночь и начало новых суток)

¹ Стандарт ASHRAE 62-2001. Хотя предписание для превышения концентрации над концентрацией в окружающем воздухе равно 700 ppm, оно действовало во время строительства многих школ, а обычно используемое на практике промышленное предписание равно 1 000 ppm.

Особенности непрерывного мониторинга качества внутреннего воздуха

Ради сравнения мы можем показать, что, если единичное одномоментное традиционное измерение пяти параметров воздуха, используемых в этом проекте (такое единичное одномоментное измерение обычно использовалось для аппроксимации долговременных наблюдений в течение месяца, года и большего периода до тех пор, пока не будет сделано следующее измерение), эквивалентно блокнотному листу, то непрерывный мониторинг с 20-секундным интервалом только в течение месяца эквивалентен набору данных, умещающихся в двенадцати томах 19-томной энциклопедии.

Эта особенность очень важна, т. к. было установлено, что условия в школьных зданиях непостоянны. Качество внутреннего воздуха непрерывно изменялось в течение дня, недели, месяца.

Анализируя предыдущий опыт, рабочая группа указала на недостатки традиционного, одномоментного подхода к измерению качества воздуха. Эти недостатки обусловлены тем, что показатели качества воздуха в большинстве школ значительно изменяются в отдельных помещениях с течением времени.

Например, в одной из школ высокая концентрация СО₂ была вызвана тем, что персонал отключал систему вентиляции, т. к. ученики жаловались на дискомфорт в холодные весенние дни, когда отопительный котел был уже отключен. В остальное время концентрация СО₂ в этой школе была очень низкой. Угарный газ отмечался лишь один или два раза, аналогично значительные запахи и присутствие газообразных веществ – они отмечались лишь время от времени, например, при натирке пола в гимнастическом зале во время уроков. Подобные моменты, скорее всего, были бы пропущены при одномоментных измерениях.

В качестве иллюстрации изменения условий качества внутреннего воздуха рабочая группа на основании данных непрерывного мониторинга установила, что при использовании обычного ручного измерительного инструмента для взятия проб воздуха для определения одномоментного набора его параметров в школе, в которой регулярно повышается концентрация СО₂, вероятность обнаружить в помещении с наибольшей концентрацией СО₂ концентрацию, отличающуюся от максимального для этого помещения значения за месяц не более чем на 30 %, в наиболее вероятное время такого обнаружения (с 2 до 3 часов дня) в случайно выбранный школьный день, равна лишь приблизительно 0,47.

Вероятность зафиксировать в помещениях с наибольшей и со второй по величине концентрацией уровень концентрации, отличающийся от их максимальных за месяц значений не более чем на 30 %, в те же часы, равна только 0,16.

Вероятность зафиксировать в четырех или более помещениях с наибольшей концентрацией уровень концентрации, отличающийся от их максимальных за месяц значений не более чем на 30 %, не превосходит 0,01.

Соответствующие значения вероятности в школах с переменным уровнем СО₂ или для измерений, выполненных в другое время, были бы еще ниже.

Следует заметить, что точечные измерения, выполняемые персоналом, все еще имеют свое значение, очень часто они являются единственно возможным мероприятием из-за ограниченных финансовых возможностей.

Квалификация персонала является важнейшим фактором анализа набора измеренных параметров. Мы надеемся, что непрерывные измерения дадут нам качественно более ясную картину того, что происходит в воздушной среде здания.

Результаты непрерывного мониторинга качества внутреннего воздуха

Анализ данных, полученных в результате проведения данного проекта, продолжался в течение августа 2004 года. Ниже представлены результаты за 2003/2004 учебный год.

Вентиляция

• Данные за первые месяцы проведения непрерывного мониторинга качества внутреннего воздуха показали, что во многих помещениях большинства участвовавших школ необходимо усовершенствование систем вентиляции.

При норме 1 000 ppm, соответствующей предельно допустимой концентрации СО₂, во многих помещениях во время уроков отмечались максимальные за день значения, равные 1 500, 2 000, 3 000, а иногда 4 000 ppm. Так как высокий уровень СО₂ является запаздывающим индикатором состояния воздушной среды, значения, превышающие нормативное значение 1 000 ppm, указывают на недостаточную для учеников и учителей работу системы вентиляции школьного помещения².

• Существует необходимость разъяснения в школах важности вентиляции и последствий плохо организованной вентиляции. В ходе ведения проекта обнаружилось, что несмотря на то, что во всех школах были заинтересованы в хорошем самочувствии учеников и решении проблем качества воздуха, администрация и персонал в школах с плохой вентиляцией часто не знали о значении вентиляции, а также о том, как в действительности работает их вентиляционная система и когда она должна использоваться.

• Органические газы в качестве загрязняющих веществ могут присутствовать в воздухе, но часто это присутствие не совпадает по времени с уроками. Часто они проявляются, когда вентиляционная система остановлена или подвергается специальному техническому обслуживанию.

• В трех школах (А, В и С на рис. 3) постоянно отмечается лучшая работа вентиляционной системы, чем в других пяти. В течение всего учебного года в их помещениях концентрация СО₂ редко превышала значение 1 000 ppm. В этих трех школах недавно закончилась капитальная (стоимостью от 400 000 до 6 000 000 долларов на одну школу) реконструкция системы ОВК. Результаты проекта показывают, что эта инициатива властей штата приносит свои плоды. Однако результатом этой реконструкции являются также значительно увеличившиеся затраты энергии, как будет указано ниже.

• Сообщается, что в школе, в которой недавно была завершена самая крупная и самая дорогая (стоимостью 6 000 000 долларов) капитальная реконструкция системы вентиляции, значительно увеличилось потребление энергии, и как результат, – затраты на эту энергию. В этой школе (школа В на рис. 3) в результате усовершенствования системы вентиляции потребление природного газа и топочного мазута увеличилось на 30 % (из-за дополнительных затрат энергии для реагирования на погодные условия). Это также касается и других параметров, например, пространства, занимаемого оборудованием, или требований к отоплению. Из-за недавних повышений цен на природный газ растущие с каждым годом счета на отопление увеличились уже практически вдвое. Было установлено, что ограничения на капитальные затраты на момент разработки проекта усовершенствования вентиляции не позволяют учитывать влияние стоимости энергии на конструкцию или работу вентиляционной системы. В результате этого представляется, что усилия властей штата по улучшению вентиляции и экономии энергии могли бы быть скоординированы лучшим образом.

• Другие пять участвующих в проекте школ уже предпринимают или планируют действия по улучшению качества внутреннего воздуха на основании результатов проекта:

– Используя данные проекта, благодаря которым были выявлены определенные помещения, имеющие проблемы с вентиляцией, в двух школах (школы G и Н на рис. 3) уже предприняли шаги по изменению в техническом обслуживании и управлении, которые улучшили параметры их вентиляции до 94–96 % максимального уровня СО₂. Наличные расходы этих школ для этих изменений составили только 500 и 2 300 долларов соответственно, плюс затраты времени своего персонала.

– В другой школе (школа D на рис. 3) результаты проекта были использованы для выявления проблемы системы управления установкой обработки воздуха, находящейся на четвертом этаже, которая ограничивала работу вентиляции и отрицательно сказывалась на качестве воздуха в холодные зимние месяцы (рис. 4). Для решения данной ситуации в этой школе зимой 2004/2005 года была выполнена теплоизоляция воздуховода и тщательно исследованы уже имеющиеся элементы управления. Эти мероприятия не потребовали больших затрат. В этой школе также рассматривается возможность проекта капитальной реконструкции для модернизации системы вентиляции.

– В другой школе (школа F на рис. 3) с ограничением работы вентиляции на это лето была запланирована основательная (стоимостью 400 000 долларов) модернизация установленного оборудования ОВК. Эта школа отличалась тем, что в ней были зафиксированы самые большие значения концентрации СО₂ (временами превышающие 4 000 ppm) среди всех школ, участвовавших в проекте.

Несмотря на то, что модернизация систем ОВК была отложена до лета 2005 года, школой использовались данные проекта для подтверждения того, что инвестиции будут эффективными. Здесь вместо программы капитальной реконструкции были необходимы целенаправленные действия по устранению отмеченных проблем системы перед 2004/2005 учебным годом.

– Было установлено, что вентиляционная система в школе Е (рис. 3) некоторое время не использовалась и не готова к работе. Поэтому персонал школы запросил и получил от рабочей группы план усовершенствования системы вентиляции и уже предпринял начальные шаги для реализации этого плана.

• Результаты проекта показывают, что нормальная работа системы вентиляции во многих классных помещениях может определяться одновременно в различные периоды времени (в реальном времени, ежечасно, ежедневно, ежемесячно) и контролироваться в дистанционном режиме по Интернету. Это дает новые возможности школам, региональной школьной администрации и властям штата для мониторинга работы систем вентиляции в школах и других зданиях на долговременной основе.

Рисунок 3. Сравнение параметров вентиляции в нескольких школах при помощи показателя СО2 (в течение 2003/2004 года). Представлены усредненные значения по всем помещениям школы за учебный день

² Утверждение, что уровень концентрации СО2 ниже 1 000 ppm означает то, что обеспечивается должная вентиляция, неверно. Каждый день, в первые часы, когда помещения заполняются людьми, все помещения характеризуются концентрацией меньше 1 000 ppm, независимо от того, обеспечивается должная вентиляция или нет.

Температура внутреннего воздуха

Результаты мониторинга температуры внутреннего воздуха, полученные рабочей группой, включают следующее:

• В зимний период учебного года температура в помещении в большинстве школ обычно была выше требуемого температурного диапазона, особенно ночью и в выходные дни, когда школы были пустыми и персонал не мог контролировать отклонения температуры. Причиной такого повышения температуры были неработоспособные, неправильно установленные и неверно настроенные термостаты. Кроме того, во время отопительного сезона днем, во время уроков, система вентиляция использовалась в том числе и для отвода излишнего тепла, а когда ночью вентиляция в этих помещениях отключалась, температура возрастала.

• Такая высокая температура во время отопительного сезона демонстрирует возможности энергосбережения, которые будут исследованы в дальнейшем. Соответствующие возможности существуют и летом в зданиях, в которых используется кондиционирование воздуха.

Относительная влажность внутреннего воздуха

• Зимой во всех помещениях восьми школ относительная влажность воздуха часто снижалась до 10–20 %. Несомненно, такая сухость воздуха влияет на самочувствие учеников и преподавателей, однако, к сожалению, влажность не может быть повышена из-за отсутствия систем искусственного увлажнения.

Угарный газ (СО)

• В течение учебного года концентрация угарного газа в основном редко превышала фоновые значения 1–3 ppm. Иногда очень небольшой уровень СО регистрировался в химических лабораториях (из-за работающих на газе горелок), в кабинетах труда при использовании работающего на природном газе оборудования для приготовления пищи, а также в классных помещениях, расположенных вблизи перекрестков с интенсивным транспортом. Ни один из этих случаев не представлял какой-либо опасности для здоровья учеников и преподавателей.

• Весной 2004 года в трех школах отмечалась значительная концентрация СО – в помещениях, расположенных вблизи авторемонтных предприятий и мастерских, где проводятся сварочные работы. Во всех трех случаях повышенная концентрация СО регистрировалась в то время, когда система вентиляции была отключена. В двух из этих случаев превышение концентрации угарного газа отмечалось в выходные дни. В одном случае система вентиляции была отключена во время уроков, и уровень концентрации СО в помещениях вблизи источника загрязнения почти достиг предельных значений, задаваемых международными нормами безопасности.

• Ложные показания превышения концентрации угарного газа иногда отмечались во время повышенного уровня органических газов, в то время как независимые измерения показывали, что в действительности повышения концентрации СО не было. Это свидетельствует о том, что датчик СО может активироваться некоторыми веществами, не содержащими СО. В результате этого в рабочей группе выработалось правило – при обнаружении повышенных показаний СО всегда проверять, не совпадает ли это с повышенным уровнем органических газов.

Запахи и газы

В целом в помещениях школ с хорошо организованной работой системы вентиляции отмечался низкий уровень запахов и газов, хотя наблюдалось и обратное.

Результаты измерений показывают, что в помещениях с низким уровнем СО₂ обычно отмечается и низкий уровень СО. В этих помещениях система вентиляции эффективно удаляла загрязняющие вещества, выделяемые людьми (СО₂) и другими источниками.

• В ходе исследований было выявлено, что большая часть сигналов о наличии запахов и газов шла от источников, не представляющих какой-либо опасности, например, от мест приготовления пищи в столовой, раковин для мытья рук. Однако были и места, в которых средства для обработки пола, клей для напольного покрытия, дезинфицирующие вещества и чистящие средства вызывали сигналы о повышенном содержании запахов и газов. Сигналы из таких источников были часто наиболее сильны ночью и в выходные дни, когда в школе никого не было, и постепенно уменьшались, когда включалась система вентиляции.

• Повышенный уровень запахов и газов в течение длительного периода времени привел к насыщению датчиков до конца учебного года приблизительно в половине помещений. Такие условия, которые чаще всего возникали в помещениях с ограниченной вентиляцией, приводили к тому, что датчики показывали содержание запахов и газов выше, чем оно было на самом деле. Условия возникновения сигналов о повышении уровня запахов и газов из-за насыщения датчиков легко распознавались, и периодическая повторная калибровка датчиков разрешала эту проблему.

Проблемы связи

Во время проведения проекта рабочая группа использовала данные непрерывных измерений качества внутреннего воздуха для сравнения результатов измерений в разных школах и в разных помещениях одной школы.

Показателем для СО₂ является площадь поверхности под кривой усредненных за час значений СО₂ в учебные дни с 8 до 17 часов, но выше линии 1 000 ppm, соответствующей предписаниям для концентрации СО₂. Таким образом, этот показатель является мерой того, насколько часто и на какую величину уровень СО₂ превышает значение 1 000 ppm.

Аналогичные показатели используются для сравнения температуры в школьных помещениях в разные учебные дни, ночью, в выходные и праздники для определения возможной дополнительной экономии энергии в результате усовершенствованного регулирования температуры внутреннего воздуха.

Кроме этого, рабочая группа использовала показатели для того, чтобы удостовериться, что недавняя инициатива Отдела образования штата Миннесота по увеличению расхода вентиляционного воздуха в школах штата до 7 л/с работает.

В школах, затративших средства для выполнения этого предписания (школы А, В и С на рис. 3), явным образом отмечались наилучшие результаты работы системы вентиляции. В этих трех школах концентрация СО₂ в любом из помещений в течение всего школьного года редко превышала значение 1 000 ppm. Полученные показатели подтвердили также усовершенствования, которые месяц за месяцем проводились в других школах в течение учебного года для улучшения работы систем вентиляции (рис. 3).

Вычисления показателей для отдельных помещений школ выявили проблемы системы управления школы D, которые возникали только в системе обработки воздуха четвертого этажа и только во время самых холодных зимних месяцев (рис. 4).

Рисунок 4. Сравнительный показатель уровня СО2 для помещений школы D по месяцам. Средние значения в помещении за день

Аналогично, рабочая группа сформировала обратный показатель СО₂, устанавливающий количество помещений и школ, в которых концентрация углекислого газа во время учебного дня не превышала 800 ppm. Этот обратный показатель, наряду с соответствующими данными для запахов и газов, источниками которых не являются люди, может помочь выяснить, в каких школах и помещениях возможна экономия энергии при снижении интенсивности работы системы вентиляции, когда в них почти отсутствуют люди.

На основании данных уникального непрерывного мониторинга качества внутреннего воздуха, проводившегося в ходе проведения этого проекта, а также по наблюдению рабочей группы отмечается очевидная разница между требованиями стандартов ASHRAE по расходу вентиляционного воздуха и предписаниями, основанными на фактической концентрации СО₂.³

Указанная разница говорит о том, что использование стандартов интенсивности вентиляции обычно обеспечивает требования по уровню СО₂, но при этом связано с более высокими энергозатратами по сравнению с регулируемой вентиляцией, основанной на фактическом уровне СО₂, регистрируемом в режиме реального времени. Этот контраст является причиной более высоких счетов за электроэнергию в школах, участвовавших в проекте, в которых недавно была проведена модернизация систем ОВК для обеспечения соответствия требованиям стандарта ASHRAE по интенсивности вентиляции. Эти результаты поддерживают стратегию, согласно которой регулирование работы системы вентиляции осуществляется на основании степени заполнения помещения людьми (например, по концентрации СО₂).

 

³ Это же отмечалось на основании данных аналогичного «Проекта мониторинга воздуха в школах для повышения эффективности обучения и использования энергии (SAMPLE2)», направленного на исследование возможности энергосбережения и проводившегося в 2003 году в трех школах штата Миннесота. В рамках проекта SAMPLE2 рабочая группа обнаружила, что во всех трех школах, участвовавших в проекте, использовались системы вентиляции с постоянным расходом воздуха, обеспечивавшие только от 40 до 60 % текущих требований стандарта ASHRAE по расходу наружного воздуха: 7 л/с на человека. Однако во всех помещениях в этих трех школах обычно удовлетворялись, с несколькими исключениями, предписания по максимальной концентрации СО₂, равной 1 000 ppm. Контролируемый уровень запахов и газов был также минимален. Поэтому увеличение расхода вентиляционного воздуха до 7 л/с привело бы к увеличению затрат на энергию и только к небольшому улучшению качества внутреннего воздуха.

Следующие шаги

В настоящее время рабочая группа работает над завершением анализа данных, полученных в ходе измерений качества внутреннего воздуха в течение последних трех летних месяцев. Кроме того, в рамках проекта проводилось изучение и анализ литературных источников, посвященных влиянию качества внутреннего воздуха на здоровье детей, и была выдвинута гипотеза о влиянии содержания СО₂ на передачу заболеваний воздушно-капельным путем. В другом исследовании была выявлена связь между концентрацией СО₂ в школьных помещениях и количеством пропусков уроков школьниками. Если данная гипотеза будет подтверждена результатами дополнительных проверок, это окажет очень большое влияние на отношение к качеству воздуха и вентиляции в школах.

Другие результаты проекта, полученные в течение 2004 года, включали в себя рекомендации по энергосбережению, а также серию инструкций для персоналов школы о проведении мер по улучшению качества воздуха в школах.

В настоящее время рабочая группа работает над расширением списка школ, в которых планируется проводить непрерывный мониторинг качества внутреннего воздуха. Эта работа, вероятно, будет проводиться совместно с разработками других исследователей, занимающихся изучением связи между качеством внутреннего воздуха, посещаемостью школы учениками, их здоровьем и работоспособностью на уроках.

 

Перепечатано с сокращениями их журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.