Школьный проект: качество воздуха07.09.2017 12:07

Начало учебного года — самое время поговорить о воздухе в школах. Однажды на волне ностальгии мы вспоминали свои школьные годы. Ранцы, форма, портрет Пушкина, булочки в столовой, дискотека в спортзале, «лес рук». А еще духота в классах, пыль на подоконниках, строгий запрет на открытие форточек… Словом, качество воздуха посредственное, если не сказать хуже. Нам стало интересно, изменилось ли что-то с тех пор, как мы были детьми. Тогда мы отправились в восемь новосибирских школ и провели эксперимент, из которого узнали много важного. А сейчас, в начале учебного года, вспомнили о нем и решили поделиться с вами.

В прошлом году мы уже проводили исследование микроклимата в одной из школ и написали по этому поводу статью. Тогда в качестве основного инструмента был использован датчик Testo 480 и фиксировались данные только по уровню углекислого газа в одной московской школе. В этом исследовании мы увеличили количество школ до восьми, а измеряемых параметров — до трех: уровень углекислого газа, влажность и температура.

Прежде чем переходить к самому опыту и его результатам, обратимся к теории. Каким должен быть микроклимат в школе, каковы стандарты и какие исследования уже проводились в этой области? Если эти данные Вам уже известны, переходите сразу к описанию опыта и результатов.

Теория микроклимата: существующие исследования

Мы не первые озадачились вопросом школьного микроклимата вообще и его влияния на человека. В 2015 году Всемирная организация здравоохранения назвала неблагоприятным качество воздуха во многих европейских школах и детсадах (новость можно прочитать здесь) и предложила свои пути решения этой проблемы. Помимо этого, по всему миру уже проведено несколько интересных исследований на эту тему.

Европейский союз. Ученые исследовали состояние и самочувствие школьников в комнатах с уровнем углекислого газа более 1 000 ppm. Результаты: дети, находящиеся в таких помещениях регулярно и на протяжении длительного времени, в 3,5 раза чаще страдают сухим кашлем и в 2 раза чаще болеют ринитом.

Корея. В 110 домах Сеула замеряли уровень СО, NO, аллергены клещей домашней пыли, тараканов, споры грибков плесени и СO2. В общей сложности в исследуемых помещениях проживал 181 ребенок младше 14 лет с диагностированной астмой. Один из основных выводов корейцев: повышение уровня углекислого газа увеличивает вероятность приступа астмы.

США. В институте Беркли исследовали взаимосвязь уровня углекислого газа и производительности труда. Цель исследования: оценить влияние СО2 на механизмы принятия решений. В качестве подопытных выступили 22 человека, которых подвергли 2,5-часовой интоксикации углекислым газом в концентрациях 600, 1 000 и 2 500 ppm. Во время исследования испытуемые проходили компьютерные тесты, требующие принятия решений. Результаты на уровне в 600 ppm считались базовыми, при достижении отметки в 1 000 ppm производительность труда снизилась на шесть из девяти показателей, при уровне в 2 500 ppm — на семь. Таким образом, была доказана прямая взаимосвязь качества воздуха и производительности труда. Хотя выводы ученых еще нуждаются в дальнейшем подтверждении, данных этого опыта уже вполне достаточно, чтобы понять, насколько важен свежий воздух для интеллектуальной деятельности.

Что же в России? На сегодняшний день нам, к сожалению, не удалось найти ни одного серьезного научного исследования качества воздуха в российских школах. Если Вы знаете подобную работу — будем рады увидеть ее в комментариях.

Факт: В Финляндии повышенный уровень углекислого газа является достаточным основанием, чтобы закрыть школу до решения проблемы с вентиляцией.

Теория микроклимата: нормы и стандарты

В большинстве европейских стран сейчас существуют четкие нормы микроклимата для учебных классов, основанные в том числе на предварительных исследованиях влияния углекислого газа на организм человека. Как таковых стандартов микроклимата для школ в России не существует. Однако в нашем государстве есть один весьма занятный документ — «ГОСТ 30494–2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». В нем прописаны нормы и стандарты, которым должен соответствовать воздух в помещениях.

Нормы концентрации СО2 в этом ГОСТе указывают допустимое содержание углекислого газа сверх его количества в наружном воздухе. Для простоты восприятия мы сразу пересчитали нормативы, взяв 400 ppm углекислого газа на улице за величину по умолчанию (кстати, указанной отметки атмосферный уровень CO2 достиг прошлой осенью, чему была посвящена отдельная статья в GeekTimes). Допустимое содержание СО2 по ГОСТу для помещений, в которых люди заняты интеллектуальным трудом или учебой (к ним относятся школьные классы), — 400–600 ppm сверх уровня CO2 в уличном воздухе. Путем нехитрых подсчетов вычисляем, что максимально допустимое содержание углекислого газа в учебных классах — 800–1 000 ppm. Мы сделали «поблажку» и взяли за норму верхнюю границу — 1 000 ppm.

Что касается температуры, тот же ГОСТ гласит, что в помещениях для учебных занятий оптимальна температура 20–22℃ в холодное время года и 22–25℃ в теплое. Данные для эксперимента собирались в холодное время года, поэтому за норму мы взяли «зимний» стандарт 22℃.

Уровень влажности в наибольшей степени зависит от климата города, и в Новосибирске воздух сухой. Поэтому в качестве точки отсчета в своих исследованиях мы берем минимум, допустимый в ГОСТе: норма для холодного времени года — от 30%, теплого — от 40% (мы ориентировались на 30%).

Все вышеперечисленные стандарты во время исследования рассматривались как норма и стали отправной точкой для обсуждения результатов нашего эксперимента.

Практика: наш опыт

В качестве полигонов для исследований были выбраны восемь школ и гимназий в разных районах Новосибирска. Параметры школьного микроклимата отслеживались с помощью базовых станций системы умного микроклимата MagicAir со встроенными датчиками углекислого газа, температуры и влажности. Базовые станции были установлены в 13 кабинетах, где все занятия в течение пяти учебных дней с понедельника по пятницу проходили по обычному расписанию. Центральная вентиляция в школах либо отсутствовала (5 школ), либо была отключена из-за сильного шума, который мешает ученикам во время уроков (2 школы), либо включалась только на переменах (1 школа). Все данные об уровне углекислого газа, температуре и влажности в кабинетах поступали на облачный сервер в режиме онлайн.

1. Один учебный день, одна школа

Общий объем данных, полученный с изучаемых площадок, исчисляется сотнями чисел и графиков. Для ясности рассматривать результаты мы начнем на примере одного дня в одном кабинете одной школы. Обозначим ее как «Школа 1». Для понимания картины мы совместили графики изменения уровня углекислого газа, влажности и температуры и школьное расписание.

На графиках 1–3 ниже числами в кружочках обозначены номера уроков, по шесть уроков в каждой из двух смен. Уроки начинаются с 8:00 и длятся по 45 минут, между ними — перемены по 10 или 20 минут. Между сменами — перерыв 10 минут. Зеленой линией на графиках обозначены нормативные значения параметров.

Все цифровые данные приложены в конце статьи, после списка литературы (см. файл с названием «Школа1_кабинет1»).

Углекислый газ

График 1. Уровень углекислого газа в течение учебного дня, Школа 1, кабинет 1

На графике 1 отображено изменение концентрации углекислого газа в учебном кабинете 1 Школы 1 в течение одного учебного дня (с 8:00 до 20:00). Погрешность измерения составляет ± 70 ppm при концентрации не более 2300 ppm, ± 3% при концентрации более 2300 ppm.

Перед началом уроков уровень CO2 еще соответствует нормативам, причем, казалось бы, с большим «запасом»: в 7:30 в воздухе всего лишь около 430 ppm. Но ближе к 8 часам дети приходят в класс, и уровень CO2 начинает неуклонно расти.

Второй урок начинается в 8:55 с 770 ppm, и уже через пятнадцать минут уровень CO2 переваливает за нормативную отметку, превышая 1 000 ppm. Вообще, как нетрудно заметить, концентрация CO2 превышает норму подавляющую часть времени (8,3 ч за исследуемый временной период, т.е. 69% времени).

Самое значительное превышение, 3 170 ppm, фиксируется во время пятого урока первой смены.

По графику 2, отображающему изменения температуры воздуха в классе (см. ниже), можно отследить, когда открывали окна: на улице было холодно, поэтому открытое окно неизменно приводило к понижению температуры. Можно, например, заметить, что в описываемый день на перемене перед третьим уроком первой смены кабинет хорошо проветрили: температура упала почти на 3 градуса, а уровень CO2 снизился до 660 ppm. Но в начале третьего урока окна закрыли, и концентрация углекислого газа снова стала возрастать (температура тоже), пока не достигла критических 3 169 ppm на пятом уроке. Это в три с лишним раза выше нормы. Температура воздуха при этом дошла до отметки 29℃.

Эффект от проветривания при полном классе из 20–30 человек сошел на нет за каких-то 15–20 минут.

Благоприятный по уровню CO2 период пришелся на второй урок второй смены. Объясняется такая «удача» просто: во-первых, кабинет проветрили, открыв окна. А во-вторых, учеников в нем не было, класс стоял пустым. Как только школьники вернулись на третьем уроке, концентрация CO2 снова пошла вверх и достигла 2 630 ppm (максимум во второй смене).

Температура воздуха

График 2. Температура воздуха в течение учебного дня, Школа 1, кабинет 1

На графике 2 отображено изменение температуры воздуха в учебном кабинете 1 Школы 1 в течение одного учебного дня (с 8:00 до 20:00). Погрешность измерения составляет ± 1,5°С (пределы измерения -10… + 85°С).

Температура воздуха на протяжении всего учебного дня превышает норму, доходя до почти 30°С. «Лучший» результат — 23°С, но достигался он лишь на короткие промежутки времени. По изменению температуры можно установить периоды, когда в кабинете открывали окна. Из-за того, что исследование проводилось в холодное время года, открытое окно неизменно приводило к понижению температуры в кабинете. А установив периоды проветривания, можно сопоставить их с графиком CO2. Как только окно закрывают, и температура, и уровень CO2 возобновляют свой рост.

Влажность воздуха

График 3. Влажность воздуха в течение учебного дня, Школа 1, кабинет 1

На графике 3 отображено изменение влажности воздуха в учебном кабинете 1 Школы 1 в течение одного учебного дня (с 8:00 до 20:00). Погрешность измерения составляет ± 4% (пределы измерения 0… 95%).

Как видите, влажность тоже далека от желаемой. Большую часть времени она понижена и крайне редко добирается до нормативной отметки — в общей сложности нормальная (30% и выше) влажность держалась всего 2,8 ч за учебный день (23% времени). И это притом, что за норму мы взяли ГОСТовские 30%, а не рекомендуемые многими физиологами 40–60%.

Не можем также не отметить, что периоды нормальной влажности сопровождались значительным превышением температуры воздуха (28–29°С) и уровня CO2 (2 3770 — 3 170 ppm).

Выводы
Итак, в наблюдаемый учебный день в исследуемом кабинете, согласно нашим данным, средний уровень CO2 во время уроков составлял 1 250 ppm, максимальное пиковое значение равнялось 3 170 ppm. Средний уровень влажности составил 19%, а средняя температура — 27℃.

Температура воздуха на протяжении всего учебного дня превышает норму. Влажность, напротив, критически снижена. Уровень углекислого газа в воздухе демонстрирует большую по сравнению с другими параметрами амплитуду колебаний, однако в основном превышает норму, иногда перебираясь даже за отметку 3 000 ppm.
В общем, важнейшие для комфорта, самочувствия и полноценной работы мозга микроклиматические параметры не соответствуют нормам на протяжении либо всего исследуемого периода, либо большей части исследуемого периода. Не зафиксировано ни одного промежутка, когда все три параметра микроклимата соответствовали бы нормативам одновременно.

2. Одна учебная неделя, все школы

Далее мы взяли данные по всем школам, выделили промежутки с 8:00 до 19:00 (в эти часы проходят уроки в большинстве школ) в будние дни с понедельника по пятницу и подсчитали средние показатели параметров микроклимата.

Картина получилась такая:

В столбцах «Средний уровень CO2», «Средняя влажность» и «Средняя температура» мы поместили усредненные показатели концентрации углекислого газа, влажности и температуры воздуха соответственно в каждой исследованной школе за весь период наблюдений. Для среднего уровня СO2 мы указали также разброс значений — среднее стандартное отклонение (дисперсию) с уровнем надежности 95%.

В столбце «Среднее пиковое значение CO2» зафиксированы усредненные максимальные значения уровня углекислого газа в каждой из школ за весь период наблюдений (пять учебных дней с понедельника по пятницу, с 8:00 до 19:00).

Как видим, средняя температура соответствует норме (20–22℃) только в трех школах. Средняя влажность — в четырех. Но ни одна школа не сдала бы «экзамен» на концентрацию CO2: во всех восьми случаях она превышает нормативную отметку 1 000 ppm, нередко в полтора-два раза.

На графике 4 показано среднее значение уровня CO2 в воздухе (взяты данные по всем тринадцати кабинетам в восьми школах), а также средний максимум и средний минимум на протяжении учебного дня.

График 4. Сводные показатели уровня CO2 в воздухе по всем школам

Нужно, впрочем, отметить, что протяженность учебного дня отличается в зависимости от школы. Где-то дети занимаются в две смены, а где-то только в одну, первую, так что во второй половине дня кабинеты пустеют. Именно этим объясняется траектория линий в правой части графика. Например, линия среднего минимума во время второй смены стабильно держится в рамках нормы. Но заблуждаться не стоит: дело вовсе не в проветривании. Просто источники CO2 разошлись по домам. В первой смене (когда во всех без исключения кабинетах проходят занятия) даже средний минимум в основном превышает норму.

На линию «Среднее» можно ориентироваться, чтобы представить себе типичное состояние воздуха в типичный учебный день типичной школы. Большую часть времени уровень CO2 выше нормы. Заметно, как концентрация CO2 демонстрирует быстрый рост с началом уроков. Даже «свежий» ранним утром класс к концу первого урока (около 9:00) становится душным.

Цифровые данные по всем школам мы приложили в конце этой статьи, после списка литературы.

Выводы

Исходя из наших данных, мы делаем общий вывод о том, что в исследованных школах Новосибирска наблюдается превышение уровня углекислого газа во время уроков, в среднем на 500 ppm, недостаточная влажность воздуха и слишком высокая температура. Другими словами, микроклимат в школах не соответствует нормативным требованиям. Состояние воздуха в учебных классах не только не способствует эффективному интеллектуальному труду, но и зачастую препятствует учебе.

По среднему уровню углекислого газа ни одна школа не показала уровень ниже 1 000 ppm. А максимальное зафиксированное нами во время эксперимента значение CO2 равнялось 4 230 ppm! Такое превышение уже представляет серьезную опасность для здоровья.

По данным исследователей Миддлсекского университета, полученным в результате опыта с исследуемой группой из 300 взрослых человек, при достижении уровня углекислого газа в 800 ppm внимание снижается на 30%, а при концентрации более 1 500 ppm 79% участников эксперимента испытывали чувство усталости и головную боль. Кроме того, в исследовании другого ученого из Великобритании, Д.С.

Робертса, усталость и потеря концентрации внимания наблюдаются уже при уровне углекислого газа в 600 ppm и возрастают по мере увеличения количества СО2. На основании результатов этих опытов и других исследований можно говорить, что углекислый газ напрямую влияет на самочувствие (подробнее здесь), а также на успеваемость школьника, мешая ему сосредоточиться и усваивать информацию на уроке.

При этом проблема превышения углекислого газа в воздухе во многих случаях либо не осознается, либо игнорируется в силу различных причин (часто финансовых). Сейчас между уроками проводятся форточные «микропроветривания» или проветривания через коридор, однако эффект от их использования исчезает почти мгновенно с появлением детей в классе. Также нужно отметить, что форточные проветривания проводятся не в каждом кабинете, так как зачастую подоконники заставлены учебниками, цветами или наглядными материалами, которые необходимы для обучения. В любом случае, сейчас в классах наблюдается недостаточный воздухообмен.

Высокая температура и недостаточная влажность также считаются неблагоприятными условиями для интеллектуального труда. Высокая температура снижает уровень насыщения крови кислородом, что, в свою очередь, выливается в ощущение слабости, вялости, возможно также появление головокружения и одышки. При температуре воздуха около 30℃ увеличивается потоотделение и нарушается водно-солевой баланс организма. Что касается сухого воздуха, то он воздействует на глаза, вызывая покраснения, сухость и способствуя их утомляемости.

Так как рассмотрены были школы в разных районах города, мы предполагаем, что выводы эксперимента с известными допущениями возможно экстраполировать на все школы Сибирского федерального округа, а также на регионы со схожим климатом. Впрочем, климатическая разница между регионами может оказать влияние только на температуру и влажность воздуха, но не на уровень CO2. Поэтому мы допускаем, что выводы, касающиеся положения дел с вентиляцией и концентрацией углекислого газа в школах, справедливы для большинства школ по всей России (а может быть даже по всему миру: недаром западные исследователи тоже озабочены этой проблемой).

Вы можете самостоятельно провести аналогичный эксперимент в своем городе, установив базовую станцию MagicAir в школе. Возможно, Вы поделитесь результатами здесь, на GeekTimes.

Заключение

Мы провели исследование качества воздуха в восьми школах Новосибирска, в течение пяти учебных дней каждые пять минут замеряя три основных параметра микроклимата: температуру, влажность воздуха и уровень CO2. В результате мы обнаружили, что во всех исследованных школах один или несколько указанных параметров не соответствуют норме (ГОСТу 30494–2011). При этом средняя концентрация CO2 ни в одной из восьми школ не соответствует норме.

Проблема микроклимата актуальна не только для школ, но и для детских садов, спортивных секций и разнообразных кружков — в общем, для всех помещений, где собирается одновременно много детей. При этом многочисленные исследования доказывают, что состояние микроклимата в этих помещениях, и особенно уровень углекислого газа, напрямую негативно влияет на самочувствие, концентрацию внимания и успеваемость школьников.

Никто не будет спорить, что в воспитательных и учебных учреждениях необходимы хорошие условия для того, чтобы это самое воспитание и обучение протекало эффективно и комфортно. Но, к сожалению, до сих пор мало кто понимает, что «хорошие условия» — это не только новые парты, проектор и пластиковые окна, это еще и комфортный микроклимат: свежий воздух нормальной температуры и влажности.

Список литературы:

1. D.S. Robertson. Health effects of increase in concentration of carbon dioxide in the atmosphere // Current science. 2006. Vol. 90, N 12.
2. K.E. Schaefer. Effect of increased ambient CO2 levels on human and animals // Experientia. 1982. Vol. 38.
3. И.В. Гурина. Кто ответит за духоту в помещении? // Химия и жизнь. 2010. №2.
4. Неблагоприятные условия внутренней среды помещений школ
5. Когда углекислый газ становится ядом
6. Охота на душный воздух, часть 1. Сколько СО2 в Москве?
7. VENTILATION PERFORMANTE DANS LES ECOLES
8. Is CO2 an Indoor Pollutant? Direct Effects of Low-to-Moderate CO2.
9. Concentrations on Human Decision-Making Performance. Environmental Health Perspectives, December 2012, N 12.
10. ГОСТ 30494–2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.

→ Данные эксперимента

© Geektimes