Статья ВАК: Воздухообмен и воздухораспределение в учебных кабинетах

Согласно данным Федеральной службы государственной статистики (Росстат) за 2023 год [1] численность обучающихся по различным образовательным программам общего и профессионального образования составила 26,033 млн человек. Таким образом, примерно каждый шестой житель России в 2023 году обучался по одной из образовательных программ.

В учебном году значительную часть дня обучающиеся проводят в учебных кабинетах образовательных организаций. При этом качество внутреннего воздуха и параметры микроклимата в кабинетах оказывают непосредственное влияние как на здоровье, так и на освоение учебного материала и успеваемость [2–8].

Концентрация углекислого газа (CO₂) является одним из важных параметров, характеризующих качество внутреннего воздуха в помещениях. Оценки качества воздуха в учебных кабинетах показали [7, 8], что концентрация CO₂ и величина воздухообмена влияют на скорость выполнения заданий, количество допущенных ошибок и посещаемость. Например, в ходе анализа [7] было установлено, что снижение концентрации CO₂ с 2100 ppm (долей CO₂ на миллион долей воздуха) до 900 ppm улучшило бы скорость выполнения заданий на 12% и снизило бы количество ошибок на 2%, а увеличение расхода наружного воздуха на человека с 7,2 до 36 м³/ч могло бы улучшить посещаемость и успеваемость учащихся.

Данные недавно проведённых исследований свидетельствуют [8], что поддержание концентрации CO₂ на уровне ниже 900 ppm положительно влияет на обучение. При этом отмечается необходимость проведения дальнейших исследований в области качества воздуха в учебных кабинетах и его связи с энергопотреблением систем вентиляции.

Стоит отметить, что средняя концентрация CO₂ в атмосферном воздухе до начала XX века не превышала 300 ppm, потом медленно увеличивалась, достигнув в 1960 году значения 317 ppm, а в 2013 году превысила 400 ppm и продолжает расти [9].

С увеличением концентрации CO₂ в атмосферном воздухе также будет увеличиваться его концентрация и внутри помещений на протяжении всего жизненного цикла здания при условии сохранения в нём технологического процесса, величины и схемы организации воздухообмена.

Исследования, выполненные для оценки качества воздуха в учебных кабинетах школ в странах Европы, США и Австралии, показали, что фактические уровни концентрации углекислого газа во многих случаях превышают рекомендуемые значения, а существующей величины воздухообмена недостаточно.

Например, исследования, проведённые в десяти учебных кабинетах школ Австралии, показали [10], что концентрация CO₂ в среднем составляла от 657 до 2235 ppm, и во всех классах было отмечено превышение рекомендованного значения концентрации 850 ppm.

При исследовании качества воздуха в 45 учебных кабинетах 23 школ Швеции было установлено [11], что в кабинетах с естественной вытяжной вентиляций и открываемыми окнами для притока наружного воздуха наблюдались значительные колебания концентрации углекислого газа с установившимися значениями около 1500 ppm.

Для кабинетов с механическими приточными и вытяжными системами вентиляции колебания концентрации CO₂ были низкими, и установившиеся значения концентраций CO₂ составляли около 900 ppm. При этом средний расход воздуха на одного человека в кабинетах с естественной вентиляцией составлял 10,8 м³/ч, в кабинетах с механической вентиляцией и постоянным расходом воздуха — 23,6 м³/ч, в кабинетах с механической вентиляцией и переменным расходом воздуха — 27,7 м³/ч.

В ходе исследования в 36 учебных кабинетах 11 школ Нидерландов до и после карантина по COVID-19 было установлено [12] значительное снижение концентрации CO₂ (среднее максимальное значение снизилось с 1254 до 903 ppm) в связи с сокращением средней заполняемости классов с 17 человек до карантина до 10 человек во время карантина, что привело к увеличению расхода наружного воздуха на одного человека в 90% учебных кабинетов.

Таким образом, обеспечение надлежащего воздухообмена в учебных кабинетах из условия поддержания допустимых концентраций CO₂ является весьма актуальным вопросом.

Учебные кабинеты характеризуются компактностью, высокой плотностью посадки обучающихся и чёткими нормативными требованиями к объёмно-планировочным и технологическим решениям. В этих условиях вопросы анализа схем организации воздухообмена в данном классе помещений приобретают особую актуальность: условия воздухораспределения в компактном помещении (при достаточно малой расчётной длине приточной струи до входа в рабочую зону) должны удовлетворять условиям теплового комфорта, подвижности и газового состава воздуха в рабочей зоне.

В статье [13] уже отмечалось, что в большинстве случаев при проектировании школ расчётный воздухообмен определяется по минимальным удельным требованиям. В проектной документации пяти зданий образовательных организаций, рассмотренной авторами статьи, расчётный воздухообмен также определялся либо по кратности 2 ч-1, либо по подаче 20 м³/ч наружного воздуха на одно место.

В тоже время, согласно ГОСТ 30494–2011, величину воздухообмена необходимо определять не только на основании удельных норм, но и по расчёту на обеспечение допустимых концентраций загрязняющих веществ, обеспечивая в помещениях общеобразовательных организаций первый класс качества воздуха, а в помещениях организаций профессионального образования — второй класс. При этом в качестве определяющего загрязняющего вещества предписывается принимать CO₂, выделяемый людьми.

Для определения расчётного воздухообмена по допустимым концентрациям данные по выделениям людьми CO₂ (табл. 1) приняты авторами настоящей статьи на основании работы [14] при температуре воздуха +19°C и давлении 101 кПа с учётом возрастной группы, пола, средней массы тела и уровня физической активности.

Общеобразовательные организации обеспечивают осуществление общеобразовательной деятельности в соответствии с тремя уровнями образования: начальное общее образование (1–4 классы), основное общее образование (5–9 классы), среднее общее образование (10–11 или восьмой, 9–11 классы).

При этом для учащихся начальных классов, как правило, предусматриваются закреплённые за каждым классом учебные кабинеты. Таким образом, с точки зрения определения расчётного воздухообмена, с учётом сильной зависимости выделений CO₂ от возраста человека [14, 15] можно выделить две группы учебных кабинетов школ: для 1–4 классов (дети до 11–12 лет) с закреплёнными за каждым классом кабинетами и для 5–11 классов (дети от 11–12 до 18–19 лет).

Для учителей, преподавателей и обучающихся по программам профессионального образования при определении расчётного воздухообмена принята возрастная группа от 21 года до 30 лет, для которой характерно максимальное выделение CO₂ среди всех возрастных групп [14, 15].

Количество выделяющегося CO₂ для обучающихся определено при уровне физической активности 1,2 met (met — отношение уровня метаболизма во время физической активности к уровню метаболизма в состоянии покоя), что соответствует спокойной учёбе, а для учителей и преподавателей при уровне физической активности 1,6 met, с учётом возможности выполнения работы в положении стоя и периодической ходьбы по учебному кабинету [14, 15].

В работах [13, 15], в ГОСТ 30494–2011 и СП 60.13130.2020 приведены различные методы определения расчётного воздухообмена, в том числе с учётом того, что процесс выделения CO₂ является нестационарным. Авторы настоящей статьи считают, что при определении воздухообмена необходимо учитывать возможность постоянного нахождения обучающихся в учебном кабинете, в том числе во время перемен, использование кабинета в две смены, а также возможность введения карантинных мероприятий, подобных тем, которые применялись для разобщения классов при пандемии короновирусной инфекции COVID-19 (нахождение одного класса на протяжении всего учебного дня в одном кабинете, даже во время школьных перемен).

Принимая для удобства расчётов в качестве единицы измерения концентрации CO₂ миллионные доли (ppm), формула, приведённая в СП 60.13130.2020 для определения воздухообмена по количеству выделяющихся вредных веществ, преобразуется к следующему виду:

где L — воздухообмен, м³/ч; GCO₂ — расчётные поступления CO₂, м³/ч; Cl — концентрация CO₂ в удаляемом воздухе, ppm; Cin — концентрация CO₂ в приточном воздухе, ppm; KLCO₂ — коэффициент воздухообмена [16].

В этой статье определение расчётного воздухообмена рассмотрено для часто применяемой в учебных кабинетах схеме воздухораспределения с подачей и удалением воздуха в верхней зоне помещения (перемешивающая вентиляция с равномерным распределением воздуха по помещению, для которой авторами принят коэффициент воздухообмена, равный 1,0).

Результаты расчёта воздухообмена для учебных кабинетов приведены в табл. 1, в последнем столбце которой средний расход воздуха на одного обучающегося определён при условии, что среди обучающихся в учебном кабинете 50% мужского пола и 50% женского пола.

На основании результатов расчёта можно сделать вывод, что для обеспечения требуемого качества воздуха при применении перемешивающей вентиляции необходимо принимать расчётные воздухообмены не по минимальным требованиям, а по расчёту на обеспечение допустимых концентраций CO₂.

На здоровье людей и освоение учебного материала оказывает влияние не только качество внутреннего воздуха, но и такие параметры микроклимата, как температура и подвижность воздуха, значение которых зависит от схемы подачи воздуха в помещение. Несмотря на то, что по вопросам воздухораспределения выполнено значительное количество работ, а в статье [13] приводится рекомендация по применению в учебных кабинетах многодисковых потолочных воздухораспределителей для обеспечения нормируемой подвижности воздуха, рассмотренная авторами проектная документация показывает, что при выборе схемы воздухораспределения в учебных кабинетах не учитываются возможные отклонения значения температуры внутреннего воздуха от расчётного, обусловленные наличием в кабинетах избытков теплоты даже в холодный период.

В рамках настоящей работы вопрос воздухораспределения рассмотрен на примере одного из учебных кабинетов существующей общеобразовательной организации, план которого представлен на рис. 1.

Учебный кабинет основного образования на 25 мест площадью 63,9 м² и высотой 3600 мм расположен на втором этаже здания. Величина потерь теплоты, определённая при температуре наружного воздуха −32°C и температуре внутреннего воздуха +19°C, составляет 3350 Вт. Величина воздухообмена в кабинете составляет 520 м³/ч, расчётная температура приточного воздуха равна +18°C. Проектная схема воздухораспределения: настилающиеся на потолок струи с применением настенных решёток типа АМН.

Авторами было рассмотрено изменение температуры внутреннего воздуха в учебном кабинете в зависимости от температуры наружного воздуха для холодного периода года. При этом поступления теплоты были учтены в минимальном количестве: от 25 учащихся, учителя и от искусственного освещения, а также было принято, что в рассматриваемом расчётном режиме теплопоступления от солнечной радиации и от оборудования отсутствуют.

Результаты расчёта температуры внутреннего воздуха, при которой в рассматриваемом учебном кабинете установится баланс между потерями и поступлениями теплоты, представлен на рис. 2.

В связи с тем, что в холодный период года величина потерь теплоты через ограждающие конструкции зависит от температуры наружного воздуха и с повышением температуры наружного воздуха уменьшается, а величина поступлений теплоты от температуры наружного воздуха не зависит, для рассмотренного случая при температурах наружного воздуха выше −29°C поступления теплоты превышают потери, и, как следствие, значение температуры внутреннего воздуха даже в холодный период года может существенно увеличиваться относительного расчётного.

В табл. 2 для рассматриваемого учебного кабинета представлены результаты расчёта воздухораспределения для двух схем воздухораспределения (настилающимися на потолок струями с применением настенных решёток типа АМН со скоростным и температурным коэффициентами m = 8,4 и n = 7,1; настилающимися веерными струями с применением диффузоров типа ДПУ-К с коэффициентами m = 1,0 и n = 0,9), при различных возможных температурах внутреннего воздуха: расчётной — +19°C, максимальной допустимой — +24°C и максимальной для рассматриваемого режима — +27°C.

Результаты расчёта показывают, что подача приточного воздуха настилающимися веерными струями может обеспечить нормируемые значения максимальной скорости и избыточной температуры приточной струи в месте внедрения в рабочую зону в достаточно широком диапазоне значений температуры внутреннего воздуха. Напротив, при подаче приточного воздуха настилающимися на потолок струями с увеличением температуры внутреннего воздуха относительно расчётного значения будет увеличиваться отклонение параметров приточной струи от нормируемых значений.

Также стоит отметить, что рассмотренная схема подачи воздуха неизотермическими настилающимися веерными струями позволяет принимать температуру приточного воздуха ниже, чем при подаче воздуха настилающимися на потолок струями, что может позволить уменьшить расход тепловой энергии на нагрев приточного воздуха и увеличить количество ассимилируемых в помещении избытков теплоты.

Выводы

1. Многочисленные исследования показывают, что для качественного образования и сохранения здоровья людей в учебных кабинетах образовательных организаций необходимо обеспечивать требуемое качество внутреннего воздуха. Одним из важных параметров качества воздуха является концентрация углекислого газа и, как показывают выполненные расчёты, величину воздухообмена в учебных кабинетах обходимо определять из условия поддержания требуемых концентрации CO₂ с учётом половой и возрастной групп учащихся и учителей, а также коэффициента воздухообмена. Дальнейшие исследования в области определения величины и коэффициента воздухообмена для различных схем воздухораспределения в учебных кабинетах представляются весьма актуальными и перспективными.

2. При выборе схемы воздухораспределения в учебных кабинетах необходимо учитывать весь диапазон возможных значений температуры внутреннего воздуха. При подаче воздуха в верхнюю зону можно рекомендовать предпочтительное применение потолочных диффузоров с относительно низкими значениями скоростного и температурного коэффициентов, в частности, рекомендовать потолочные диффузоры с веерной вставкой из нескольких диффузоров.