Pomiary stężenia CO2 w pomieszczeniu mieszkalnym w zabudowie jednorodzinnej

Źródłem dwutlenku węgla w pomieszczeniach mieszkalnych są przede wszystkim ludzie – np. ilość CO₂ produkowana przez dorosłego mężczyznę zależy od jego aktywności fizycznej i waha się od 0,004 l/(s · os) przy odpoczynku do 0,032 l/(s · os) przy pracy bardzo ciężkiej [2].

Dodatkowo gaz ten może pochodzić od kuchenek gazowych czy kominków (stosowanie w mieszkaniach otwartego spalania gazu wymaga dostarczenia 200 m³/h świeżego powietrza [3]).

Ilość CO2 powstałego w wyniku metabolizmu człowieka można obliczyć z poniższego wzoru [2]:

gdzie:

RQ – współczynnik respiracyjny, -;

H – wzrost człowieka, m;

W – waga człowieka, kg;

a – poziom aktywności osób przebywających w analizowanej strefie, met.

Jak wspomniano powyżej, konsekwencje zbyt dużego stężenia dwutlenku węgla mogą być bardzo groźne. Za wysoka zawartość tego gazu powoduje zmniejszenie stężenia tlenu w danym pomieszczeniu (np. w salach szkolnych udział tlenu w powietrzu spadał o ok. 0,3% [4]).

Zwiększanie się stężenia CO2 objawia się początkowo dyskomfortem, a następnie dolegliwościami użytkowników pomieszczeń: od bólu i zawrotów głowy do zmiany szybkości oddechu, a nawet duszności, a w dalszej kolejności problemów z widzeniem, omdleń, a nawet śmierci (przy powyżej 12% CO2 w powietrzu w pomieszczeniu) [2].

W celu zapobiegania negatywnym skutkom działania dwutlenku węgla w poszczególnych pomieszczeniach stosuje się różne rodzaje wentylacji. Jak pokazują badania [1], w 60–70% sypialni domów jednorodzinnych stosowana jest wentylacja naturalna (okna), w 30–40% sal dydaktycznych wentylacja grawitacyjna i w takiej samej ilości mechaniczna, natomiast w nawet 80% gabinetów lekarskich i przedszkoli – grawitacyjna.

Przegląd wyników badań powietrza w pomieszczeniach

W trosce o wysoką jakość powietrza w budynkach prowadzi się pomiary stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniach oraz skuteczności stosowanych systemów wentylacyjnych. Przykładem mogą być badania przeprowadzone w warszawskich szkołach [4].

W celu określenia jakości powietrza w salach mierzono m.in. dwutlenek węgla metodą testu zaniku stężenia gazu znacznikowego. Pomiar realizowano za pomocą automatycznego czujnika dwutlenku węgla od poniedziałku do piątku, zapisując dane co minutę. Stężenie CO₂ sięgało nawet 4000 ppm.

Wartość ta zmieniała się co 12 godzin, tzn. od momentu rozpoczęcia pomiarów przez ok. 6 godzin rosła, a następnie przez kolejne 6 godzin malała do praktycznie stałego poziomu ok. 600 ppm, który utrzymywał się przez kolejne 12 godzin. Następnie cykl się powtarzał. Przekroczenie dopuszczalnego poziomu, równego 1000 ppm, występowało w każdej badanej sali szkolnej.

W większości przypadków była to wartość ponad dwukrotnie wyższa. Pomiary pozwoliły na określenie ilości powietrza przypadającej na jedną osobę, która praktycznie w 100% była niższa od wymaganej. Funkcjonująca w salach wentylacja grawitacyjna nie była w stanie zapewnić wymaganej krotności wymian powietrza [4].

Wyniki pomiarów przeprowadzonych w salach dydaktycznych [1] pokazują, że znaczący wpływ na stężenie dwutlenku ma liczba studentów oraz rodzaj zastosowanej wentylacji. Najlepsza jakość powietrza osiągana jest po dwudniowej przerwie w prowadzeniu zajęć, a stężenie CO2 jest porównywalne do wartości występującej w powietrzu zewnętrznym. Po 45 min zajęć stężenie przekracza 1000 ppm, w niektórych przypadkach sięgając blisko 1800 ppm.

Najgorsze wyniki odnotowano w salach z nową, bardzo szczelną stolarką okienną i z wentylacją grawitacyjną. W wypadku okien starego typu wartość ta była mniejsza o ok. 20%. Najlepsze warunki pod względem stężenia dwutlenku węgla występują w salach, w których zainstalowano wentylację mechaniczną pracującą nieprzerwanie w trakcie zajęć i przerw.

Kolejnym miejscem wartym badań są sale seminaryjne. Dla sali znajdującej się w Politechnice Warszawskiej przeprowadzono symulacje komputerowe [2]. Poprzez analizę rozkładu stężenia dwutlenku węgla w różnych punktach sali określono najlepsze miejsce do zainstalowania czujnika CO₂.

Najwyższe stężenie dwutlenku węgla znajduje się w obrębie skupiska ludzi. Gaz miesza się z powietrzem i rozprzestrzenia po całym pomieszczeniu dzięki klimatyzatorowi oraz ciepłu pochodzącemu od ludzi. Stężenie dwutlenku węgla jest zmniejszane w wyniku nawiewu powietrza z zewnątrz. Jego rozkład w sali jest bardzo zróżnicowany.

Najwłaściwsze jest umieszczenie czujników CO₂ w pobliżu miejsca nawiewania i wywiewania powietrza, a następnie obliczenie wartości uśrednionej [2].

Podobne badania dotyczące sal dydaktycznych w szkołach prowadzone są także w innych krajach. Dla porównania badania przeprowadzone w salach szkolnych w Atenach [5] pokazują, że stężenie dwutlenku węgla w tego rodzaju pomieszczeniach w czasie trwania lekcji jest wysokie – średnie wartości przekraczają 1000 ppm. W okresie przerw z oczywistych względów wartości te są niższe (średnia wartość to 750 ppm).

W trakcie pomiarów zwrócono także uwagę, że nie istnieje żadna konkretna zależność pomiędzy stężeniem dwutlenku węgla w salach a częstotliwością otwierania okien.

Pomiary stężenia omawianego gazu w salach szkolnych przeprowadzono także we Frankfurcie przy użyciu czujników podczerwieni [6]. Również w tym wypadku w pomieszczeniach stwierdzono podwyższone stężenie dwutlenku węgla przekraczające 1000 ppm (najwyższą wartością było ok. 5000 ppm). Dopiero po zastosowaniu wzmożonej wentylacji udało się osiągnąć stężenie bliskie 1000 ppm.

Bardzo istotne jest również utrzymanie odpowiedniej jakości powietrza w przedszkolach. Jak pokazały badania [1], wysoka zawartość CO₂ w pomieszczeniach przedszkolnych istotnie wpływa na zachorowalność dzieci.

We wszystkich przebadanych przedszkolach stężenie dwutlenku węgla rano nie przekracza dopuszczalnych wartości, natomiast już po południu sięga 2000 ppm, a w niektórych pomieszczeniach jest jeszcze większe. W przedszkolu, w którym przeprowadzono termomodernizację łącznie z wymianą instalacji c.o., w pierwszym miesiącu po modernizacji zaobserwowano zwiększoną zawartość dwutlenku węgla w pomieszczeniach (związaną z uruchamianiem nowej kotłowni).

Poza pierwszym miesiącem prowadzenia badań stężenie dwutlenku węgla w żadnym pomieszczeniu przedszkola nie sięgało po południu 1200 ppm. Jak można zauważyć, istotny wpływ na jakość powietrza w przedszkolach ma sprawnie działająca instalacja wentylacyjna wyposażona w nawiewniki powietrza.

Jak się okazało na podstawie badań [1], bardzo trudno określić stopień stężenia dwutlenku węgla w gabinetach lekarskich. Przeprowadzone pomiary pokazały, że wartości te są różne dla poszczególnych gabinetów niezależnie od danego miesiąca i wynikają z indywidualnych przyzwyczajeń personelu. Najlepsze warunki pod względem zawartości tego gazu w powietrzu panują w gabinetach z istniejącą i sprawnie działającą wentylacją mechaniczną i regularnie wietrzonych niezależnie od pory roku.

Jakość powietrza wewnętrznego jest bardzo ważna nie tylko w budynkach użyteczności publicznej, ale także w pomieszczeniach mieszkalnych. Pomiary przeprowadzone w dwóch sypialniach w domu jednorodzinnym [1] pozwoliły zarejestrować zmiany stężenia dwutlenku węgla w porze snu. W badaniu wykorzystano urządzenie do pomiaru stężenia CO2 (zakres od +2 do +10 000 ppm CO₂).

Z pomiarów wynika, że stężenia tego gazu są inne w sypialniach dzieci, a inne dla dorosłych. W tym pierwszym wypadku dopuszczalna wartość 1000 ppm została przekroczona w niewielkim zakresie i to przy zamkniętych drzwiach i oknach.

O wiele niższe wartości (praktycznie poniżej 600 ppm) odnotowano przy innych kombinacjach, tzn. rozszczelnione okna i otwarte drzwi, okna i drzwi otwarte, okna zamknięte i drzwi otwarte. Natomiast w sypialni dorosłych stężenie dwutlenku węgla w pierwszych godzinach snu sięgało prawie 1400 ppm nawet przy otwartych drzwiach.

Najniższe wartości, poniżej 600 ppm, odnotowano przy otwartych oknach. Według autorki badań wpływ na takie wyniki miał fakt, że ta druga sypialnia była mniejsza, a dorośli wydychają więcej dwutlenku węgla niż dzieci.

Znacznie wyższe stężenie dwutlenku węgla zaobserwowano w trakcie badań powietrza w sypialniach mieszkalnych budynków wielorodzinnych (bloków) [7]. Wartości w kilku przypadkach przekroczyły nawet 3800 ppm.

Autorzy zwracają uwagę na znaczenie wietrzenia sypialni albo przynajmniej rozszczelniania okien. W wypadku nowych budynków ze szczelną stolarką okienną wskazują na konieczność montowania nawiewników w oknach. W opracowaniu zaznaczono także, by nie montować czujników pomiarowych CO2 poniżej poziomu łóżka, w rogach oraz w pobliżu okien i drzwi.

Kolejnym interesującym obiektem badań są kabiny samochodów. Wyniki [1] wskazują, że bez względu na to, czy samochodem podróżują cztery osoby, dwie, czy jedna, ustawienie nawiewu na lekki nadmuch jest wystarczające do utrzymania odpowiedniego stężenia dwutlenku węgla, natomiast niedopuszczalny jest wewnętrzny obieg powietrza, gdyż diametralnie wzrasta stężenie omawianego gazu, co bardzo szybko jest odczuwalne przez kierowcę i pasażerów.

Dla kierowcy należy przyjmować taką ilość wydychanego dwutlenku węgla, jak podczas gimnastyki, tymczasem zazwyczaj przyjmuje się ją tak, jak dla osoby siedzącej w trakcie lekkiej pracy.

Warto tu wspomnieć również o pomiarach przeprowadzonych w kabinie samolotu pasażerskiego [1]. Wynika z nich, że praktycznie przez cały czas trwania lotu (ok. 3 godz.) stężenie dwutlenku węgla przekraczało 1000 ppm. Do najwyższych wartości dochodziło w pierwszym okresie lotu, tzn. przez pierwsze 20 min.

Inne badania dotyczące stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniach przeprowadzono przy użyciu programu CONTAM [8]. Dotyczyły sześciu referencyjnych budynków, takich jak: restauracja, mały hotel, szkoła, szpital, średnie biuro, budynek usługowy. Niezbędne dane potrzebne do obliczeń, np. te dotyczące warunków zewnętrznych, odniesione zostały do warunków panujących w Chicago.

Na podstawie przeprowadzonych symulacji stwierdzono, że wpływ na stężenie dwutlenku węgla ma nie tylko liczba osób i zastosowany system wentylacji. W obliczeniach brano pod uwagę cały budynek z podziałem na strefy. Uwzględniano przepływ powietrza pomiędzy poszczególnymi pomieszczeniami, różne natężenie osób w poszczególnych strefach, powierzchnie podłogi, ale także wpływ warunków zewnętrznych, stron świata.

Najwyższe wartości dwutlenku węgla odnotowano w restauracji ze względu na najmniejszą wartość powietrza nawiewanego w odniesieniu do powierzchni podłogi.

Zapobieganie wysokiemu stężeniu CO₂

Przekroczeniu stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniach można zapobiegać, wietrząc je poprzez otwieranie okien. Daje to bardzo dobre rezultaty, ale w wielu budynkach nie zawsze jest możliwe, np. w szkołach w czasie lekcji może to być przyczyną przenoszenia się zbyt dużego hałasu do sal z zewnątrz lub gwałtownego wychłodzenia w zimie. Rozwiązaniem może być wietrzenie sal w czasie przerw [4].

W przypadku domów jednorodzinnych, a szczególnie sypialni, istotne jest wietrzenie pomieszczeń oraz ciągłe rozszczelnianie okien [1]. Podobnie w przedszkolach, gdzie infiltracja powietrza przez niewielkie roz­szczel­nienia w oknach znacząco wpływa na polepszenie warunków pod względem stężenia dwutlenku węgla, jednak pod warunkiem sprawnie działającej wentylacji grawitacyjnej. W związku z tym kanały wentylacji grawitacyjnej muszą być regularnie czyszczone, nie można też zaklejać kratek wentylacyjnych [1].

Innymi metodami zapobiegania zbyt wysokiemu stężeniu dwutlenku węgla w pomieszczeniach są:

• instalowanie nawiewników powietrza w oknach lub ścianie
• montaż wentylatorów wywiewnych (skutecznym rozwiązaniem jest zastosowanie wentylacji hybrydowej) [4],
• montaż wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła [4],
• instalowanie klimatyzacji wraz z czujnikami CO₂ (najczęściej w salach konferencyjnych, muzeach, teatrach) [9].

Symulacje [4] pokazały, że stosowanie wentylacji naturalnej, nawet wspomaganej nawiewnikami okiennymi, nie gwarantuje odpowiednio niskiego stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniach szkolnych. Średnia jego wartość przekracza w takich przypadkach dopuszczalne 1000 ppm, czyli tzw. minimum higieniczne.

Zgodnie z rozporządzeniem w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia [10] najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS) wynosi ok. 9000 mg/m3, natomiast najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (NDSCH) – ok. 27 000 ppm [10]. Najlepszym rozwiązaniem [4] jest zainstalowanie wentylacji mechanicznej, która zapewni spadek tej wartości poniżej 900 ppm.

Żeby określić wymaganą ilość powietrza wentylacyjnego zapewniającą odpowiednią wymianę, stosuje się określoną w normach ilość powietrza przypadającą na jedną osobę i/lub odnoszącą się do powierzchni podłogi. Bardzo dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie systemu wentylacji, której działanie zależy od zaprogramowanych wymagań. Jest to tzw. system DCV (Demand Controlled Ventilation) [2], w skład którego mogą wchodzić czujniki CO2.

Jak pokazują obserwacje i literatura, czujniki te stosowane są często w celu zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych wentylacji, np. by zminimalizować ilość dostarczanego do pomieszczeń powietrza zewnętrznego [9]. Jednak automatykę systemu klimatyzacji wraz z czujnikami CO₂ można tak zaprogramować, by zapewniała komfort związany ze stężeniem dwutlenku węgla na wymaganym poziomie (badania pokazują zależność procentową osób niezadowolonych przebywających w danym pomieszczeniu od stężenia dwutlenku węgla, np. przy stężeniu 800 ppm prawdopodobnie ok. 15% osób będzie niezadowolonych).

W wypadku przedszkoli również zaleca się sterowanie wentylacją naturalną na podstawie zawartości dwutlenku węgla w powietrzu, wpłynie to też korzystnie na zawartość wilgoci w pomieszczeniu. Sterowanie układem na podstawie wilgoci nie byłoby dobrym rozwiązaniem, gdyż jak pokazały badania, powietrze w przedszkolach po termomodernizacji instalacji c.o. jest zbyt suche i doprowadzano by zbyt małe ilości powietrza zewnętrznego [1, 11].

Przy zastosowaniu wentylacji, której działanie uzależnione jest od ilości dwutlenku węgla w pomieszczeniu, można określić wymaganą ilość powietrza świeżego zgodnie z poniższym wzorem [12]:

gdzie:

m· – emisja dwutlenku węgla, l/h;

S – stężenie objętościowe dwutlenku węgla w pomieszczeniu, ppm;

Sn – stężenie objętościowe dwutlenku węgla w powietrzu nawiewanym, ppm;

V· – ilość powietrza wentylacyjnego, l/h.

Sposób utrzymania stężenia CO₂ na wymaganym poziomie należy przede wszystkim dostosować do rodzaju pomieszczenia, liczby i wieku osób w nim przebywających oraz ich aktywności fizycznej. Stosowanie wentylacji mechanicznej powinno być połączone z odzyskiem ciepła w celu zmniejszenia nakładów eksploatacyjnych.

Autorzy artykułu w sezonie grzewczym wykonali pomiary stężenia CO₂ w pomieszczeniu mieszkalnym w zabudowie jednorodzinnej. Wartości te zawierały się w przedziale 400–2200 ppm. Nieznaczny wzrost stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniu wiązał się z obniżeniem temperatury powietrza zewnętrznego i zwiększeniem stężenia CO₂ na zewnątrz. W przypadku domów jednorodzinnych istotne jest przewietrzanie pomieszczeń również przez ciągłe rozszczelnianie okien.

Artykuł powstał na podstawie referatu prezentowanego podczas XII Ogólnopolskiej Konferencji „Problemy jakości powietrza wewnętrznego w Polsce”, Warszawa 2013.

Opracowanie wykonano w ramach Pracy Statutowej Katedry Ciepłownictwa Politechniki Białostockiej S/ WBiIŚ/4/2014

Literatura

1. Gładyszewska-Fiedoruk K., Jakość powietrza wewnętrznego ze szczególnym uwzględnieniem stężenia dwutlenku węgla, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2013.
2. Sowa J., Systemy wentylacji ze zmiennym strumieniem powietrza sterowane poziomem stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniu, „Problemy jakości powietrza wewnętrznego w Polsce 2003”, Warszawa 2004.
3. Rylewski E., Aspekty zdrowotne wentylacji, „Problemy jakości powietrza wewnętrznego w Polsce 2003”, Warszawa 2004.
4. Sowa J., Wentylacja a jakość powietrza w budynkach szkolnych, „Problemy jakości powietrza wewnętrznego w Polsce 2001”, Warszawa 2002.
5. Santamouris M., Synnefa A., Assimakopoulos M., Livada I., Pavlou K., Papaglastra M., Gaitani N., Kolokotsa D., Experimental investigation of the air flow and indoor carbon dioxide concentration in classrooms with intermittent natural ventilation, „Energy and Buildings” No. 40 (2008).
6. Heudorf U., Neitzert V., Spark J., Particulate matter and carbon dioxide in classrooms – The impact of cleaning and ventilation, „International Journal of Hygiene and Environmental Health” No. 212 (2009).
7. Batog P., Badura M., Dynamic of Changes in Carbon Dioxide Concentration in Bedroom, „Procedia Engineering” No. 57 (2013).
8. Ng L.C., Musser A., Persily A.K., Emmerich S.J., Indoor air quality analy’ses of commercial reference buildings, „Building and Environment” No. 58 (2012).
9. Zawada B., Wybrane problemy układów sterowania w kształtowaniu jakości powietrza wewnętrznego, „Problemy jakości powietrza wewnętrznego w Polsce 2003”, Warszawa 2004.
10. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (DzU nr 217/2002, poz. 1833).
11. Gładyszewska-Fiedoruk K., Correlations of air humidity and carbon dioxide concentration in the kindergarten, „Energy and Buildings” No. 62/2013.
12. Kaiser K., Tlenek i dwutlenek węgla w pomieszczeniach, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2010.
13. Adamski M., Zastosowanie rekuperatorów: warunki techniczno-ekonomiczne, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2003.
14. Adamski M., Instalacje wentylacyjne ze spiralnym rekuperatorem, Forum Wentylacja, Warszawa 2004.
15. Adamski M., Rekuperatory spiralne – świeże, zdrowe powietrze, VI Seminarium Ogólnokrajowe „Nowoczesne techniki instalacyjne w szpitalnictwie”, Warszawa 2004.
16. Adamski M., Wentylacja XXI w. – wentylacja z odzyskiem ciepła, „Energooszczędne kształtowanie środowiska wewnętrznego” Popiołek Z. red., Politechnika Śląska, Gliwice 2005.
17. Adamski M., Efektywność odzyskiwania ciepła w rekuperatorach spiralnych o wzdłużnym przepływie przeciwprądowym, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 7–8/2006.
18. www.gazex.com.pl/pdf/w19.pdf.