Научно-исследовательская работа "Определение качества воздуха школьного кабинета по измерению концентрации углекислого газа"

Аннотация

Первушин Георгий Святославович
г. Норильск, МБОУ «Гимназия №7», 9 класс
«Определение качества воздуха школьного кабинета по измерению концентрации углекислого газа»
руководитель: Бахматов Николай Николаевич, учитель физики.

Цель научной работы: Определить уровень качества воздуха по измерению концентрации углекислого газа и выявить способы её снижения. Методы проведенных исследований: проведение исследовательских работ по выявлению зависимости концентрации СО₂ от разных параметров, обработку и интерпретацию полученных результатов. Основные результаты научного исследования (научные, практические): Создан измеритель СО₂ для мониторинга качества воздуха в школьном кабинете и даны рекомендации по поддержанию оптимальных норм концентрации углекислого газа в учебных помещениях.

Оглавление

Введение....................................................................................................................................4

1.Обзор литературы ....................................... ...........................................................................5

1.1. Нормы содержания углекислого газа в помещениях и действие……..………..….….5

1. 2. Вредное действие СО₂................... ..................................................................................6

1.3 Измерители концентрации углекислого газа....…….........................................….... 8

1.4. Особенности платформы Arduino Mega 2560……..…………......................…………8

1.5. Блок-схема измерителя концентрации углекислого газа.....................………….….... 9

2.Практическая часть...............................................................................................................10

2.1. Освоение работы микропроцессора Arduino Mega 2560...............................................10

2.2. Исследование зависимости концентрации СО₂ от разных параметров......................10

2.3. Рекомендации по снижению концентрации СО₂ в классной комнате, поддержанию оптимального воздушного режима в помещении……..........................................................12

Заключение.................................................................................................................................13

Литература..................................................................................................................................14

Введение

Из всего спектра физико-химических параметров и гигиенические требований к воздушно-тепловому режиму школьных помещений, влияющих на здоровье человека, мы обратили внимание на особую значимость такого параметра, как концентрация углекислого газа.

Почти 90% своего времени современный человек проводит в помещении. Еще недавно уровень концентрации углекислого газа в помещении измеряли только для того, чтоб проверить качество работы вентиляции и считалось, что СО₂ опасен для человека только в больших концентрациях. И только совсем недавно исследования ученых о пагубном влиянии малых доз концентрации СО₂ на здоровье человека поставили вопрос о пересмотре отношения к допустимым нормам содержания углекислого газа в помещениях и постоянному мониторингу данного параметра не только специальными организациями, но и лично каждым из нас в тех помещениях, где мы учимся, работаем, живем.

Отсутствие явно прописанных норм и мониторинга содержания СО₂ в школьных помещениях побудило нас к решению этой проблемы. Изучив в разных источниках решение этой проблемы[3,4,9], мы определили тему нашей работы: «Определение качества воздуха школьного кабинета по концентрации углекислого газа». Выделили объект исследования – воздух в школьном кабинете и предмет – концентрация углекислого газа.

Поставили цель работы: определить уровень качества воздуха по измерению концентрации углекислого газа и выявить способы её снижения.

Для достижения поставленной цели выделили решение следующих задач:

- изучить литературу по данной тематике;

- смоделировать (с учетом на перспективу) и создать установку для измерения концентрации углекислого газа;

- научиться пользоваться приборами на аппаратном и программном уровне и осуществлять их взаимодействие;

- провести серию опытов по измерению концентрации СО₂ в зависимости от различных параметров и проанализировать полученные результаты;

- дать рекомендации по улучшению качества воздуха в школьном кабинете.

В своей работе использовали следующие методы исследования:

- анализ и синтез информации из Internet-ресурсов, специальной литературы по теме исследования;

- моделирование и разработка измерителя концентрации углекислого газа;

- проведение исследовательских работ по выявлению зависимости концентрации СО₂ от разных параметров, обработку и интерпретацию полученных результатов.

В работе над поставленной целью сформулировали гипотезу: если основной характеристикой качества воздуха является концентрация углекислого газа, то возможность поддержание её в определенных пределах различными способами позволяет решить проблему качества воздуха.

1.Обзор литературы

1.1. Нормы содержания углекислого газа в помещениях

В 60-х годах прошлого столетия О. В. Елисеева в своей диссертации провела детальные исследования по обоснованию ПДК СО₂ в воздухе жилых и общественных зданий. Она проверила, как влияет углекислый газ в концентрациях 1000 ррm и 5000 ррm на организм человека, и пришла к выводу, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в этих концентрациях вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращения и электрической активности головного мозга. Согласно ее рекомендациям, содержание СО₂ в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 1000 ррm, а среднее содержание СО₂ должно быть около 500 ppm.[5,14]. Несмотря на то, что даже кратковременное воздействие вызывало нежелательный эффект, ни ПДК, ни какие-либо другие нормативы по углекислому газу в то время в СССР не были приняты. В странах Европы и Северной Америки нормой считается 1000 ppm. Именно в соответствии с этими цифрами рассчитывается вентиляция зданий. В школах проводится мониторинг качества воздуха по уровню углекислого газа. Конечно, не всегда и не везде этот уровень соответствует норме. Но в этом случае администрация школ обязана принять меры, чтобы улучшить положение. В Финляндии, например, школу, в классах которой обнаружен повышенный уровень углекислого газа, могут даже закрыть до тех пор, пока не будет налажена вентиляция.

Чистый воздух за городом содержит около 400ppm углекислого газа и, чем ближе содержание СО₂ в помещении к этой цифре, тем лучше чувствует себя человек.

Проблема углекислого газа в помещении реально существует. Для жилых, офисных, учебных и других помещений в России определённые нормы содержания СО₂ до сих пор отсутствуют. Для учебных помещений у нас существует ГОСТ 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях», в основу которого положен  Европейский стандарт 2004 года по качеству воздуха в помещениях с пребыванием людей. [12] В Европейском стандарте сказано, что воздух высокого качества в помещении должен отличаться от наружного воздуха населенного пункта всего на 350 ррм СО_2, но не должен превышать 1000 ppm. Если в России никто не замеряет уровень СО2, то для правильного расчета необходимого уровня подачи воздуха вентиляцией в помещение ориентиры отсутствуют. Классификация качества воздуха по концентрации СO₂ для помещений с людьми приведены в таблице. [11,15]

Для детских учреждений, больниц рекомендуют поддерживать воздух 1-го класса качества.

В Европейских странах и Северной Америке есть организации, которые следят за качеством воздуха в школах и офисах и проводят замеры уровня СО₂. Рекомендовано, чтобы уровень двуокиси углерода в школах, дошкольных учреждениях, офисах и жилых помещениях не превышал 1000 ppm. Обеспечить такое соотношение должны системы вентиляции и кондиционирования.

В России такие замеры не проводятся, более того, о существовании проблемы негативного влиянии повышенного уровня СО₂ в помещении на детей и взрослых пока мало кто знает, а самое главное, никто не обсуждает[8].

1. 2. Вредное действие СО₂ на человека

Последнее время в научных исследованиях стали много писать о «синдроме больного здания». «Больное здание» — это такое здание, в котором у большого количества находящихся там людей присутствуют одни и те же симптомы: головная боль, слабость, недостаточная концентрация внимания, сонливость, проблемы с кожей лица и носоглоткой, частые заболевания дыхательных путей. Когда человек перестает находиться в таком здании, все симптомы, описанные выше, у него исчезают. Известный всем синдром хронической усталости у человека — заболевание, причину которого долгое время не могли выявить, связан с нахождением человека в «больном здании». Углекислый газ является основным источником загрязнения воздуха в нем.

Углекислый газ в пределах, в которых он содержится в атмосфере на берегу моря или в лесу, необходим для нормальной жизнедеятельности человека. Однако при повышении предельно допустимых концентраций в воздухе диоксид углерода начинает отрицательно влиять на здоровье людей.

Европейскими учеными были проведены исследования того, как влияет высокий (приблизительно 1000 - 2000 уровень углекислого газа в классах на организм школьников. В результате исследований было выявлено, что повышенный уровень СО2 в классе ведет к снижении внимания школьников, к ухудшению успеваемости, а также к увеличению числа пропусков уроков по болезни. Повышенная концентрация углекислого газа в классе негативно влияет на результаты учебы детей, снижает их работоспособность.

Таблица 2. Негативные физиологические проявления при различных уровнях концентрации углекислого газа

В научных исследования описано влияние высокого уровня СО₂ в офисном помещении на здоровье человека[13,16]. Когда концентрация углекислого газа в помещении достигнет 600 ppm, люди начинают чувствовать признаки ухудшения качества воздуха. Если концентрация СО₂ продолжала расти, некоторые люди начинали испытывать симптомы отравления углекислотой, такие, как проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, гипервентиляция, потливость, усталость. При уровне 1000 ppm почти все из присутствующих в помещении начинали испытывать те или иные симптомы, описанные выше. И если уровень углекислого газа в офисном помещении был ниже 800 ppm, то симптомы  значительно снижались. К такому  выводу пришли в своей исследовательской работе финские  ученые под руководством Сеппянена в 2005 г. [10]

Схема1. Отрицательного воздействия высокого уровня СО₂

1.3.Измерители концентрации углекислого газа.

Известно, что существует связь между концентрацией СО₂ и ощущением духоты. Человек начинает ощущать симптомы «нехватки свежего воздуха» (а на самом деле повышенной концентрации углекислого газа) уже при его уровне 600-800 ppm (этот предел индивидуален для каждого человека, в зависимости от пола, возраста и состояния здоровья), такое измерение по самочувствию человека не всегда уместно, но имеет право быть.

Профессиональные измерители концентрации СО₂ относятся к дорогостоящему оборудованию.

Недавно в продаже появились недорогие точные инфракрасные датчики для замера уровня углекислого газа в помещениях. Они входят в состав газоанализаторов и показывают концентрацию углекислого газа в режиме реального времени, поэтому их удобно ставить в жилых и общественных помещениях, школах и детских садах.

Принцип измерения концентрации углекислого газа в воздухе инфракрасным оптическим анализом основан на поглощении молекулами газа инфракрасного излучения своей определенной длины волны. Амплитуда прошедшего через газ сигнала обратно пропорциональна концентрации. В качестве источников инфраизлучения используются светодиоды или твердотельные лазеры.   Преимущества метода: высокая точность измерения самого датчика, низкое энергопотребление, миниатюрность, простота Схема3.Принцип работы измерителя использования. В своей работе мы использовали инфракрасный датчика CO₂ MH-Z19, который используют в некоторых профессиональных измерителях. Чтобы принимать с него показания, необходимо подключить его к микропроцессору и запрограммировать.

1.4. Особенности платформы Arduino Mega 2560

От других подобных устройств Arduino отличается следующими свойствами[1,2]:

• доступность по цене разных версий Duino, плат расширения (Shield), датчиков и другого оборудования и доступность по применению на основе модульности;

• программное обеспечение базируется на простом в освоении языке Processing;

• в свободном доступе имеются библиотеки ПО, а также готовые программы, которые остается понять, применить, а если надо, то и доработать под свои задачи;

• существует множество форумов пользователей Arduino, на которых можно найти ответы на возникшие затруднения в работе с устройством.

Arduino состоит из двух основных компонентов: платы, с которой работает пользователь при создании им устройств, проектов и свободного программного обеспечения — среды разработки (Arduino IDE), установленного на компьютере. Среда разработки используется для создания программ, которые загружаются в Arduino с компьютера через USB-кабель. Именно программы управляют работой платы.

Для своей работы мы выбрали Arduino Mega 2560из-за обилия портов и большой производительности, что пригодится нам в будущем в реализации проекта. Arduino может получать питание как через подключение по USB от компьютера, так и от внешнего источника питания от 7 В до 12 В. Arduino работает под управлением свободного ПО Arduino IDE, которую мы загрузили с вебсайта www.arduino.cc. Связь с компьютером устанавливается через USB-кабель, предоставляя виртуальный COM порт программам на компьютере.

Основным применением аналоговых входов является чтение аналоговых датчиков. Разрешение аналого-цифрового преобразователя составляет 10 бит, что позволяет на выходе получать значения от 0 до 1023. Эти сигналы по формулам можно преобразовывать в значения физических величин (например: влажность до 100%, температура датчика от 0 до 150⁰С и т.д.).

При первом включении необходимо подсоединить плату через USB-кабель к компьютеру; загрузить среду разработки Arduino IDE; установить драйвера; запустить среду разработки Arduino; выбрать плату и последовательный COM порт и только после этого загрузить скетч. В дальнейшем для начала работы с Arduino необходимо подключить плату к компьютеру и загружать готовый скетч или созданный для своих задач, если же программа отлажена, то остается только подключить платформу к питанию. Выводы платы могут пропускать ток до 40 мА. Для больших токов требуется коммутация через транзисторы, электромагнитные реле[6,7].

1.5. Блок-схема измерителя концентрации углекислого газа

Мы представили следующую блок-схему установки (рис1). Для ее реализации необходимы компоненты: микроконтроллер, инфракрасный датчик СО₂MH-Z19, WiFiмодульESP8826, силовой ключ управления двигателем насоса, монитор LCD KeypadShield и др. Самый простой вариант подключения датчика к Arduino и вывод результатов на COM-порт в оболочке Arduino IDE.

Рисунок 4. Блок-схема установки

Для удобства работы с установкой можно вынести показания датчика на LCD-монитор, да и показания лучше передавать по WiFi модулю ESP8826 в Интернет на сервер или на мобильный телефон, что позволяет следить и управлять устройством(можно через мобильное приложение Blynk). Возможно подключить вентиляцию по показаниям датчиков, автоматически её включать-выключать

или дистанционно управлять этим процессом из любой точки с доступом мобильной связи. Этим самым мы задали перспективу развития своего проекта и дальнейшее совершенствование нашей работы с микроконтроллерами.

2.Практическая часть

2.1. Освоение работы измерителя СО₂ на микропроцессоре Arduino

После выбора и закупки компонентов устройства, изучения книг [1,2,3,4,5], и просмотра видеоуроков настало время оживления платформы. Изучались скетчи для работы с датчиками, программировались разные режимы. Изучалось взаимодействие платформы с подключенными устройствами и их прошивка. Через программyю оболочку Arduino IDE загружались разные программа для работы датчика и корректировали ее на работоспособность. Через COM порт выводили показаниями концентрации углекислого газа, а по этим данные для наглядности строили графики в Excel.

2.2. Исследование зависимости концентрации СО₂ от разных параметров

Первой нашей задачей измерения было выбор места установки оборудования, чтобы оно отражало зону с наибольшими показаниями концентрации углекислого газа. Для этого измерили её зависимость по высоте и вразных точках кабинета, разбив его на 24 зоны.

График1. Зависимости концентрации (ppm) от высоты (cм)

Наибольшая концентрация СО2 при закрытых дверях и окнах наблюдалась в диапазоне 130-170 см., т.е уровень головы сидящего или стоящего человека. От пола до 110 см была на одном уроне. На больших высотах концентрация уменьшалась. Т.е. располагать датчик по высоте следует в диапазоне 130-170 см.

Таблица1.Зависимость концентрации на высоте 150 см по зонам класса при закрытых окнах и дверях..

Наибольшая концентрация СО2 наблюдается в районе доски и первых вторых парт. Стационарный датчик следует располагать у около места Окно 4.

При сквозном проветривании кабинета за 12 минут уровень концентрации снизился более чем в два раза и пришел в норму. При этом температура в помещении осталась в допустимой норме.

График4. Зависимость изменения концентрации СО₂ от времени за два урока со сквозным проветриванием на перемене.

На графике видна динамика изменения содержания углекислого газа со временем. За 10 минут при сквозном проветривании на перемене концентрация СО₂ падает до оптимальных значений и затем снова растет. К концу урока уровень углекислого газа вырос в 3 раза. Анализ позволяет сделать несколько очевидных выводов. Во-первых, концентрация углекислого газа во время занятий выше нормы. Во-вторых, содержание углекислого газа в учебные дни можно снижать проветриванием помещения до допустимых значений, т.е. для нормальной работы во время урока необходима вентиляция, которую обеспечивают различные режимы проветривания
2.3.Рекомендации по снижению концентрации СО₂ в классной комнате, поддержанию оптимального воздушного режима в помещении.

1.Учебные помещения проветриваются во время перемен согласно действующему расписанию занятий, а рекреационные помещения - во время уроков.

2.До начала занятий и после их окончания осуществляется сквозное проветривание учебных помещений. Длительность проветривания определяется погодными условиями согласно рекомендациями СанПиНам по длительности сквозного проветривания приведенной в таблице

3. Температура воздуха в учебных кабинетах должна составлять 18 - 24˚. При достижении в помещении температуры воздуха плюс 18˚ проветривание кабинета следует прекращать.

4. При более низкой температуре и большей скорости движения воздуха сквозное проветривание - во время перемен при отсутствии обучающихся или проводить одностороннее проветривание.

5. Площадь форточек, используемых для проветривания, в учебных помещениях должна быть не менее 1/50 площади пола.

6. При проветривании во время занятий окна должны находиться в надежно зафиксированном режиме проветривания. Не допускать сквозного проветривания.

Заключение

Углекислый газ является токсичным для человека даже в относительно низких концентрациях и требует постоянного контроля в школьных помещениях. Наши измерения показали: больше половины учебного времени количество углекислого газа в воздухе превышает 1000 ppm, а иногда и1500 ppm. В таких условиях невозможно сосредоточиться, способность к восприятию информации критически снижается, повышаются риски заболеваний. Проветривание на переменах через дает снижение СО₂. Этого достаточно для поддержания допустимого уровня — 1000 ppm. Однако для поддержания уровня концентрации около 600-8000 ppm необходимо держать окна в режиме проветривания в течение всего урока.

В заключение отметим, что с поставленной целью исследовательской работы мы справились. Все поставленные задачи решены, т.е.:

1. Изучена литература по работе Arduino и концентрации углекислого газа.

2. Создана установка измерения концентрации СО₂ на платформе Arduino.

3. Исследованы оптимальные нормы содержания углекислого газа в помещении.

4. Предложен ряд рекомендаций по вентиляции школьного кабинета.

5. Определены направления аппаратного и программного совершенствования данной установки.

Новизна работы состоит в том, что создана установка для мониторинга содержания углекислого газа в помещениях, проведены исследования изменения зависимости концентрации СО₂в школьном кабинете и даны рекомендации по поддержания оптимального качества воздуха.

Данная работа для нас станет шагом для дальнейшего использование Arduino и другой микропроцессорной техники в разработках автоматизированных устройств.

Литература

1. Банци М. Arduino для начинающих волшебников / М. Банци. — М.: Рид Групп,2012. — 128 с.

2. Блум Джереми Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015. — 336 с.

3. ГуринаИ. В. Безопасный уровень углекислого газа требует ревизии /И.В.Гурин //Экологический Вестник России.–2008.- №10.

4. Гурин И.В.Кто ответит за духоту в помещении? /И.В.Гурин//С-О-К.- 2011. - N 6.

5. Елисеева О.В. К обоснованию ПДК двуокиси углерода в воздухе /О.В.Елисеева // Гигиена и санитария. - 1964. - № 8.

6. ИгоТ.Arduino, датчики и сети для связи устройств: Пер. с англ. — 2-е изд. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015. —544 с.

7. Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino / В. А. Петин— СПб.:БХВ-Петербург, 2014. — 400 с.

8. ФангерП.Оле. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате, и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей/П.Оле. Фангер// АВОК. – 2006. – № 2.

9. Шилькрот Е.О., Губернский Ю.Д. Сколько воздуха нужно человеку для комфорта?/Е.О. Шилькрот, Ю.Д. Губернский//AВОК.–2008.- №4

10.Olli Seppanen.Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качественного микроклимата помещений // АВОК. – 2000. – № 5.

11.ГОСТ 30494-2011 Здания и общественные помещения. Параметры микроклимата в помещениях. М.:, Стандартинформ, 2013.

12. ГОСТ РЕН 13779-2007. Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к системам вентиляции и кондиционирования.М.: Изд-во стандартов, 2009.

13.Здоровье человека и углекислый газ (СО2). Режим доступа: http://enontek.ru/CO2/zdorove-cheloveka

14. Наука и жизнь. Углекислый газ как начало жизни и её финал.Режим доступа: http://www.nkj.ru/archive/articles/19306/

15. Санитарно-эпидемиологические правила СанПиН 2.4.2.1178-02 "Гигиенические требования к условиям обучения в общеобразовательных учреждениях".Режим доступа: www.tehbez.ru/Docum/DocumShow_DocumID_566.html

16. Гесс М. Сколько вешать в граммах: нормы CO₂.М. Гесс Режим доступа: https://tion.ru/blog/normy-co2/