Обзор результатов исследований влияния качества воздуха на обучение и посещаемость

Введение

Концентрация углекислого газа (CO₂) в помещении рассматривается как один из показателей качества воздуха, который может служить инструментом для его оценки и индикатором недостаточности воздухообмена (с увеличением концентрации CO₂ также будут увеличиваться концентрации других загрязняющих веществ, источники которых присутствуют в помещении). Тем не менее, величина концентрации CO₂ в зданиях общественного назначения не даёт исчерпывающего представления о качестве воздуха, так как выделения загрязняющих веществ от некоторых источников не зависят от количества людей в помещении (например, строительные материалы, мебель).

Также до сих пор недостаточно знаний о величине требуемого воздухообмена, при которой может быть обеспечена приемлемая безопасность в отношении заболеваний, передающихся воздушно-капельным путём [2]. Однако, при прочих равных условиях, более высокие концентрации CO₂ соответствуют меньшим величинам воздухообменов, а значит потенциальному повышению риска передачи таких заболеваний.

Появление симптомов, характерных для «синдрома больного здания», и снижение производительности людей при работе и обучении обычно связывают с уровнями CO₂, превышающими 1000 ppm [1].

При определении величины воздухообмена в учебных кабинетах [3, 4] в соответствии с требованиями ГОСТ 30494–2011 [5] учитывается не абсолютная концентрация CO₂ в воздухе помещения, а её превышение относительно концентрации в наружном воздухе. Стандарт ANSI/ASHRAE 62.1 (ASHRAE 2019b) [6] также не устанавливает ограничивающего значения концентрации CO₂ в помещениях (в издании стандарта вентиляции ASHRAE 1989 года было указано ограничение в размере 1000 ppm, но оно было удалено из последующих изданий из-за распространившегося неправильного толкования) [1].

CEN 16798–1 (2019) [7] предусматривает четыре класса качества внутреннего воздуха в зависимости от значения превышения концентрации CO₂ для индикации интенсивности вентиляции [1]. Стоит отметить, что величина превышения концентрации CO₂ в стандарте CEN 16798–1 (2019) [7] выше, чем в ГОСТ 30494–2011 [5] (например, для первого класса значения составляют 550 против 400 ppm, соответственно).

Несмотря на принимаемые мировым сообществом меры по достижению углеродной нейтральности, концентрация CO₂ в воздухе атмосферы продолжает увеличиваться [1], что оказывает непосредственное влияние и на концентрацию в воздухе помещений. При этом в месте расположения здания могут наблюдаться колебания концентрации CO₂, вызванные как местными источниками загрязнений (промышленными предприятиями, транспортной инфраструктурой и др.), так и текущим состоянием атмосферы. Колебания уровня CO₂ в атмосферном воздухе приводят к необходимости его измерения, как при наблюдении за уровнем CO₂ в воздухе помещений, так и при управлении производительностью систем вентиляции.

Также стоит отметить, что применение технологий по очистке внутреннего воздуха помещений общественного назначения от CO₂ (например, рециркуляционных адсорберов) может привести к неоправданному ожиданию повышения качества воздуха. Необходимо понимать, что при очистке воздуха помещения от CO₂ не удаляются другие загрязняющие вещества.

Особенно важно учитывать применение адсорберов углекислого газа при работе систем вентиляции с регулированием расхода воздуха на основании концентрации CO₂ в помещении [1].

В настоящей статье представлен обзор результатов работ [2, 8–27], в которых исследовалась связь качества воздуха в помещениях на основании данных о концентрации CO₂ и величины воздухообмена с обучением и посещаемостью.

Основная часть

Основные результаты исследований представлены в табл. 1. Часть работ рассмотрим подробнее.

В исследовании [12] участвовали 18 учащихся (возраст 10–11 лет), которые были набраны из одного класса начальной школы в Англии. Помещение учебного кабинета, в котором проводилось исследование, имеет площадь 50,8 м², высоту 3,9 м и возможность сквозного проветривания. Интенсивность вентиляции изменялась за счёт открытия окон для обеспечения низкой концентрации CO₂ в помещении и закрытия окон для создания ситуации с высокой концентрацией (во многих испытаниях окна открывались только с одной стороны, чтобы исключить слишком высокую интенсивность вентиляции). Тестирование проводилось на протяжении десяти учебных дней в течение трёх недель.

Участники завершили по четыре сеанса тестирования в условиях низкого уровня углекислого газа (диапазон 501–983 ppm) и по четыре сеанса в условиях высокого уровня CO₂ (2096–4140 ppm). Значительное влияние уровня CO₂ было отмечено на показатели времени реакции и уровня внимания (снижение примерно на 5% при высоком уровне CO₂). Авторы исследования пришли к выводу, что при более высоких концентрациях CO₂ учащиеся, скорее всего, будут менее внимательны и хуже сконцентрированы.

В работе [13] влияние вентиляции в учебных кабинетах на успеваемость учащихся исследовалось в восьми начальных школах Англии. В каждой школе в течение трёх недель в двух классах измерялась концентрация CO₂. Результаты заданий, выполненных более чем 200 учащимися с применением компьютеров, показали более быстрые и точные ответы (в различных тестах от 2,2 до 15%) при более высокой величине воздухообмена.

Исследование показывает, что низкая величина воздухообмена в учебных кабинетах снижает внимание и бдительность учеников и отрицательно влияет на память и концентрацию.

Анализ результатов эксперимента [15], в котором принимали учащиеся (возраст 10–12 лет) четырёх классов показал, что при выполнении различных тестов на успеваемость количество правильных ответов увеличилось на 3,2–7,4% при изменении расхода воздуха на одного учащегося с 6,1 до 23,8 м³/ч.

В исследовании [16], целью которого было определение степени влияния параметров микроклимата, вентиляции и освещения на академические способности, принимали участие 92 учащихся в возрасте 10–12 лет. В течение четырёх недель учащиеся отвечали на вопросы анкеты и выполняли три теста, с помощью которых измеряли концентрацию, скорость обработки, логическое мышление и способность решать математические задачи. В ходе эксперимента применялось два варианта освещения: постоянный тёплый свет со средней цветовой температурой 2900 К (освещённость 450 люкс) и динамический холодный свет со средней цветовой температурой 4900 К (освещённость 750 люкс). При этом низкой интенсивности вентиляции соответствовал расход воздуха на одного учащегося 14,0 м³/ч, высокой интенсивности — 38,2 м³/ч.

Наибольшее улучшение результатов тестирования (скорость обработки на 6,6%, концентрация на 8,3%, решение задач по математике на 11,8%) было зафиксировано при высокой интенсивности вентиляции и динамическом холодном свете. При этом результаты теста на внимание показали, что одновременное увеличение величины воздухообмена и улучшение освещённости усиливают положительный эффект друг друга.

Исследование [24] проводилось в 434 учебных кабинетах в 22 начальных школах штата Вашингтон (США). Учебные кабинеты были оснащены индивидуальными системами отопления, вентиляции и кондиционирования (в двух кабинетах отсутствовала система механической вентиляции). В ходе эксперимента фиксировалось количество учащихся, посещающих и пропускающих занятия, проводились краткосрочные измерения концентрации CO₂ в наружном атмосферном воздухе и в центре учебных кабинетов на высоте 1,0 м. Полученные данные были обработаны с помощью специального программного обеспечения. По результатам работы были отмечено, что увеличение концентрации CO₂ в воздухе учебных кабинетов на 1000 ppm относительно концентрации в наружном воздухе было связано с уменьшением годовой посещаемости на 0,5–0,9%, что соответствует относительному увеличению отсутствия учащихся на 10–20%. Авторы исследования предполагают, что одним из возможных объяснений полученных результатов является увеличение случаев респираторных заболеваний, вызванное уменьшением воздухообмена.

Целью работы [26] было изучение наличия связи между вентиляцией в детских дошкольных организациях и больничными листами, выданными по причине инфекционных заболеваний. В эксперименте приняли участие 635 детей в 20 детских дошкольных организациях Дании. Наибольшее количество дней, пропущенных по болезни, было зафиксировано при меньших величинах воздухообмена. Результаты исследования показали, что при увеличении воздухообмена на 1,0 ч-1 количество дней на больничном уменьшается на 12%.

Выводы

Рассмотренные исследования показывают, что при обеспечении большей величины воздухообмена и низкого уровня концентрации CO₂ в учебных кабинетах можно ожидать улучшения результатов обучения и снижения количества пропущенных по болезни занятий.