Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Ochrona Środowiska

Systemy Ochrony Wód i Gleby

ŚRODOWISKOWE PROBLEMY AGLOMERACJI

Monitoring i zarządzanie jakością powietrza wewnętrznego

Autor: Izabela Pułka

Gliwice 2014

WSTĘP

Powietrze wewnętrzne można najprościej scharakteryzować jako powietrze otaczające każdego z nas w zamkniętym pomieszczeniu, o składzie odmiennym od atmosferycznego [1]. Polepszanie jakości powietrza wewnętrznego staje się coraz bardziej istotną sprawą ze względu na fakt, że dorosły człowiek spędza średnio 80% czasu w miejscach zamkniętych. Dlatego też stwierdza się, że to właśnie to środowisko w znacznym stopniu wpływa na nasze zdrowie [1-3].

1. JAKOŚĆ POWIETRZA WEWNĘTRZNEGO

   1. Znaczenie jakości powietrza wewnętrznego

Jak wspomniano wcześniej dorosły człowiek spędza w zamkniętych pomieszczeniach mniej więcej 80% swojego czasu. Okres ten jest znacznie dłuższy
w przypadku osób starszych oraz dzieci, co powoduje, że są one jeszcze bardziej narażone na działanie szkodliwych czynników znajdujących się w powietrzu wewnętrznym [1-2]. Na poniższych rysunkach przedstawiony został szacunkowy podział czasu jaki człowiek spędza w danym miejscu w dni robocze (rysunek 1) oraz w dni wolne (rysunek 2).

Rys.1. Procentowy podział czasu spędzanego w poszczególnych miejscach w dni robocze [1]

Rys.2. Procentowy podział czasu spędzanego w poszczególnych miejscach w dni wolne [1]

W dzisiejszych czasach ludzie oczekują, że będą spędzać swój czas w jak najmniej zanieczyszczonym środowisku – zarówno wewnętrznym, jak i zewnętrznym. Pracownicy mają prawo składać zażalenia, gdy uważają, że jakość powietrza
w miejscu ich pracy jest niezadowalająca. Jak wiadomo, ludzie mają różny poziom odporności i wrażliwości na niektóre czynniki znajdujące się w powietrzu tzn. część z nas będzie reagowała alergicznie na przykład na sierść zwierząt, podczas gdy pozostałym nie będzie ona przeszkadzała w codziennym życiu [4]. Dlatego też jakość powietrza wewnętrznego jest bardzo istotnym czynnikiem wymagającym stałej kontroli [2].

1. Czynniki wpływające na jakość powietrza wewnętrznego

Na jakość powietrza wewnętrznego wpływa wiele czynników. Do głównych należy zaliczyć:

• położenie budynku;

• system ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji budynku (tzw. HVAC system);

• jakość powietrza zewnętrznego;

• temperatura powietrza;

• wilgotność powietrza;

• ludzie znajdujący się w danym pomieszczeniu.

Położenie budynku oraz system HVAC określają sposób przemieszczania się powietrza w całym obiekcie oraz ilość powietrza przedostającego się z zewnątrz. Jest to jeden z ważniejszych parametrów, ponieważ na przykład zmieniając układ budynku przez wznoszenie ścian lub przegród wewnątrz można spowodować zmniejszenie cyrkulacji powietrza.

System ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji przeznaczony jest do dystrybucji powietrza z zewnątrz, usuwania zanieczyszczeń i nieprzyjemnych zapachów oraz regulowania temperatury i wilgotności wewnątrz budynku. W przypadku złego zaprojektowania takiego systemu może dojść do problemów z jakością powietrza
w pomieszczeniu.

Ludzie, którzy spędzają swój czas w budynku mają także wpływ na jakość powietrza wewnętrznego poprzez palenie, gotowanie czy też zapach perfum [2,4].

1. Źródła zanieczyszczeń powietrze wewnętrznego

Zanieczyszczenie powietrza w pomieszczeniach może pochodzić z wewnątrz lub zewnątrz budynku. Mogą one prowadzić do znacznego pogorszenia się jakości powietrza wewnętrznego, a nawet problemów zdrowotnych.

Do źródeł zanieczyszczeń pochodzących wewnątrz budynku można zaliczyć [2,4-5]:

• kurz, brud i pleśń w systemie ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji;

• sprzęty biurowe np. drukarki, ksero;

• czynności wykonywane przez ludzi np. palenie;

• czynności konserwacyjne np. malowanie;

• wycieki wody lub innych cieczy;

• obszary specjalistyczne np. laboratoria;

• procesy przemysłowe np. pranie chemiczne.

Do źródeł zanieczyszczeń pochodzących z zewnątrz można zaliczyć [2,4-5]:

• spaliny samochodowe;

• pyłki, kurz;

• dym;

• położenie kontenerów lub gruzu blisko wlotu powietrza z zewnątrz.

Według Zabiegały i innych [1,2] źródłem emisji zanieczyszczeń może być cała masa przedmiotów codziennego użytku oraz przedmioty znajdujące się w naszym domu. Tabela znajdująca się poniżej przedstawia źródło emisji zanieczyszczeń oraz przykładowe emitowane związki organiczne.

Tab.1. Przykładowe zanieczyszczenia i ich źródła emisji [1,2]

1. Wpływ powietrza wewnętrznego na człowieka

Zła jakość powietrza wewnętrznego może wpływać na niezliczoną ilość fizycznych objawów i złego samopoczucia. Najczęściej spotykanymi przykładami są [4,6-8]:

• bóle głowy;

• zmęczenie;

• duszność;

• kaszel;

• kichanie;

• podrażnienie oczu i gardła;

• podrażnienie skóry;

• zawroty głowy;

• zdenerwowanie;

• astma;

• chrapanie;

• nudności.

1. MONITORING JAKOŚCI POWIETRZA WEWNĘTRZNEGO

Badania dotyczące jakości powietrza wewnętrznego stają się w dzisiejszych czasach coraz ważniejsze między innymi ze względu wzrostu świadomości ludzkiej
o zagrożeniach dotyczących zawartości zanieczyszczeń w ich otoczeniu. Pobieranie próbek powietrza wewnętrznego odbywać się może przy użyciu dwóch rodzajów technik [1]:

1. technika dynamiczna – polega na przepuszczaniu danej objętości powietrza przez pułapkę, w której dochodzi do zatrzymania analitu. Jest to technika pozwalająca na oznaczenie jedno- i dwunastogodzinnych stężeń zanieczyszczeń znajdujących się w badanym powietrzu.

2. technika pasywna – polega na wykorzystaniu samorzutnego ruchu cząsteczek w kierunku do powierzchni medium zatrzymującego. Jest to technika do długoterminowego monitorowania powietrza.

   1. Dyfuzyjna dozymetria pasywna

Dozymetry pasywne opierają się na wykorzystywaniu zjawiska transportu masy – I prawo Ficka. Podczas zastosowania dyfuzyjnych dozymetrów pasywnych transport analitów odbywa się na zasadzie ich swobodnej dyfuzji przez warstwę gazu [2,9]. W celu poprawnego funkcjonowania takiego urządzenia niezbędną rzeczą jest dobór odpowiedniego medium, aby zatrzymać jak najwięcej analitów
z badanego powietrza. Zabiegała wraz z innymi wymienia cztery istotne cechy, którymi powinniśmy się kierować podczas wyboru takiego medium [2]:

• siła oddziaływań pomiędzy medium zatrzymującym a analitem;

• łatwość przeprowadzenia oznaczeń końcowych;

• dogodność użycia sorbentu;

• koszt i łatwość utylizacji użytego sprzętu.

Ze względu na rozwój tej metody oznaczania zanieczyszczeń ciężko jest teraz spotkać się z użyciem dozymetru zawierającego sam sorbent. W dzisiejszych czasach częściej stosowane są tzw. próbniki, w których sorbent jest oddzielony membraną [2,11].

Na rysunku 3 przedstawiono schematyczną budowę próbnika pasywnego.

Rys.3. Schemat budowy dozymetru pasywnego [10]

1. Sieć sensorowa

Sieć sensorowa jest to bezprzewodowa sieć złożona z dużej liczby sensorów zbierających za pomocą czujników dane o środowisku. W 1980 roku, kiedy zaczęto pracę nad taką technologią, była ona używana wyłącznie w celach militarnych.
Z biegiem czasu odkryto wiele możliwości zastosowania sieci sensorowej. Jednym
z takich zastosowań okazało się monitorowanie środowiska m.in. wewnętrznego [3,12].

Głównymi elementami takiego systemu są: węzeł sensorowy, stacja bazowa, serwer baz danych, sieć oraz komputer (rysunek 4). Stacja bazowa odbiera dane pomiarowe z węzłów rozmieszczonych w różnych miejscach i przekazuje je do serwera bazy danych, gdzie są one przechowywane [3,6].

Stosując taką metodę stałego monitoringu jakości powietrza w pomieszczeniach zamkniętych można oznaczyć szereg zanieczyszczeń. Oprócz standardowego oznaczenia zawartości w powietrzu tlenku węgla i dwutlenku węgla istnieje także możliwość oznaczenia lotnych związków organicznych [6,12].

Rys.4. Schemat systemu bezprzewodowej sieci czujników do systemu monitoringu jakości powietrza w pomieszczeniach [6]

1. Detektor płomieniowo – jonizacyjny

Detektor płomieniowo – jonizacyjny (Flame Ionization Detector – FID) jest uniwersalnym, masowym detektorem. Znajduje on zastosowanie przy oznaczaniu niemal każdego związku organicznego. W celu poprawnego działania takiego urządzenia niezbędna jest obecność gazu nośnego oraz linii z wodorem
i powietrzem. W detektorze następuje spalanie wodoru, a płomień znajduje się między dwiema elektrodami. Podczas wykonywania analizy, gdy przez detektor przepływa wyłącznie gaz nośny, następuje ustalenie się stałego potencjału pomiędzy elektrodami. W momencie dotarcia do detektora wraz z gazem substancji zawartej
w analizowanej próbce, następuje jego jonizacja – jest to zasygnalizowanie wzrostem natężenia prądu. Fakt taki jest rejestrowany jako zmiana potencjału (pojawia się pik na chromatogramie) [13-14]. Uproszczony schemat działania detektora płomieniowo – jonizacyjnego przedstawiony został na rysunku 5.

Do zalet takiego detektora można zaliczyć [13]:

• duża czułość;

• stabilność;

• uniwersalność;

• możliwość oznaczenia prawie każdego związku organicznego.

Rys.5. Schemat działania detektora płomieniowo - jonizacyjnego [15]

1. ZARZĄDZANIE

Efektywne zarządzanie budynkiem może zapobiec wielu problemom związanym między innymi z jakością powietrza wewnętrznego. Proces ten można ściśle powiązać z pojęciem tzw. inteligentnego budynku (BI), który oznacza takie powiązanie technologii i procesów, aby stworzyć bezpieczne i użyteczne miejsce (zarówno do pracy, jak i do mieszkania) [16].

Zarządzanie powietrzem wewnętrznym w takim budynku opiera się głównie na zapewnieniu komfortu fizycznego oraz bezpieczeństwa. Pierwszy z nich polega głównie za zapewnieniu komfortu cieplnego oraz odpowiedniej jakości powietrza (wilgotność, prędkość, czystość oraz zawartość dwutlenku węgla). Nad bezpieczeństwem czuwa szereg różnych systemów między innymi system wykrywania gazów trujących i system oddymiania [16-18].

1. Zarządzanie komfortem fizycznym

Jak wspomniano wcześniej na komfort fizyczny składa się komfort cieplny oraz jakość powietrza wewnętrznego [16-17].

Komfort cieplny zależy od wielu czynników, wliczając w to temperaturę i względną wilgotność. Przy zarządzaniu tego rodzaju komfortem należy uwzględnić fakt, iż ludzie różnią się w preferencjach dotyczących temperatury panującej w ich otoczeniu. Na przykład to co dla jednej osoby jest zbyt dużym ciepłem, może się okazać optymalnym warunkiem dla innej osoby [4]. Zgodnie z Polską normą PN-82/B-02402 „Ogrzewnictwo – Temperatury ogrzewanych pomieszczeń
w budynkach” temperaturę dla danego pomieszczenia należy obliczyć uwzględniając temperaturę obliczeniową oraz ilość przegród chłodzących. W tabeli 2 podano obliczeniową temperaturę w pomieszczeniach w zależności od przeznaczenia [19].

Tab.2. Temperatura obliczeniowa w pomieszczeniach [19]

Temperatura obliczeniowa [°C]	Sposób wykorzystania pomieszczenia	Przykład pomieszczenia
+5	pomieszczenia nie przeznaczone do stałego przebywania ludzi	- magazyny bez stałej obsługi, - garaże indywidualne, hale postojowe
+8	pomieszczenia nie przeznaczone do stałego przebywania ludzi, w których jednorazowy pobyt osób, znajdujących się w ruchu i w okryciach zewnętrznych nie przekracza 1 h	- klatki schodowe, w budynkach mieszkalnych - hale sprężarek, pompownie
+12	pomieszczenia przeznaczone do stałego przebywania ludzi, znajdujących się w okryciach zewnętrznych lub wykonujących ciężką prace fizyczną	- magazyny i składy wymagające stałej obsługi, - hale ciężkiej pracy, ładownie akumulatorów, - hale targowe, sklepy rybne i mięsne
+16	pomieszczenia przeznaczone do przebywania ludzi w okryciach zewnętrznych w pozycji siedzącej, bez okryć zewnętrznych znajdujących się w ruchu lub wykonujących lżejsze prace fizyczne	- hale pracy lekkiej, - szatnie odzieży wierzchniej, - korytarze, klatki schodowe - sale gimnastyczne, - sklepy spożywcze i przemysłowe
+20	pomieszczenia przeznaczone do przebywania ludzi bez okryć zewnętrznych nie wykonujących w sposób ciągły pracy fizycznej	- pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie - hale pracy siedzącej lekkiej, - pokoje biurowe, sale posiedzeń, - pomieszczenia do nauki, audytoria, biblioteki, czytelnie, - muzea i galerie sztuki z szatniami, - gabinety dentystyczne, gabinety lekarskie gdzie nie przewiduje sie rozbierania pacjentów, - sale chorych, - sale dziecięce w przedszkolach,
+32	pomieszczenia wymagające podwyższonej temperatury, nie wyposażone w specjalne urządzenia technologiczne	- suszarnie bielizny, - suszarnie odzieży

Za zarządzanie komfortem cieplnym w budynkach odpowiada system klimatyzacyjno – wentylacyjny (HVAC). W dzisiejszych czasach coraz częściej korzysta się z klimakonwektorów, częściej spotykanych pod angielską nazwą Fancoil. Urządzenie to jest częścią systemu HVAC w budynkach mieszkalnych, handlowych oraz przemysłowych. Zazwyczaj klimakonwektor nie jest podłączony do sieci kanałów i jest stosowany do kontrolowania temperatury w pomieszczeniu,
w którym jest zainstalowany. Urządzenie to wyposażone jest w wymiennik ciepła wykorzystujący wodę w celu ogrzania/ochłodzenia powietrza. Rysunek
6 przedstawia najprostszy model klimakonwektora [17,20].

Rys.6. Schemat klimakonwektora typu VKE [20]

Do zalet takiego klimakonwektora można zaliczyć [20]:

• indywidualna regulacja;

• cicha praca urządzenia;

• niski koszt instalacji;

• energooszczędność;

• konstrukcja łatwa w konserwacji.

  1. Zarządzanie bezpieczeństwem

Zarządzanie bezpieczeństwem odnośnie powietrza w budynku wewnętrznym opiera się współcześnie jedynie na bazie urządzeń sieci komputerowych. Ze względu na fakt, że bezpieczeństwo mieszkańców/pracowników jest sprawą priorytetową wymagana jest niezawodność działania takiego systemu. System taki działa podobnie jak sieć sensorowa, o której wspomniano w punkcie 3.2. Czujnikami
w przypadku badania powietrza wewnętrznego są takie urządzenia, które reagują na parametry takie jak np. temperatura czy płomień. Schemat funkcjonowania takiego systemu przedstawiono na rysunku 7 [ 16].

Rys.7. Schemat działania systemu bezpieczeństwa w budynku [16]

1. PODSUMOWANIE

Pomieszczenie zamknięte zazwyczaj każdemu z nas wydaje się być miejscem bezpiecznym i pozbawionym jakichkolwiek zanieczyszczeń. Wydawać by się mogło, że to tylko powietrze atmosferyczne jest silnie zanieczyszczone, jednak jak wynika
z licznych badań w tych zamkniętych pomieszczeniach następuje także kumulacja toksycznych związków. Ma to zatem bardzo duży wpływ na zdrowie człowieka.

Do monitoringu jakości powietrza w zamkniętym pomieszczeniu najczęściej używa się techniki dozymetrii pasywnej. Inną, rzadziej stosowaną metodą jest wykorzystanie detektora płomieniowo – jonizacyjnego oraz użycie sieci sensorowej. Sieć sensorowa służy zarówno do monitoringu, jak również do zarządzania jakością powietrza.

1. LITERATURA

[1] Jędrzejewska – Ścibak T., Sowa J. „Problemy jakości powietrza wewnętrznego
w Polsce 2003”, Wydawnictwo Instytutu Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004, str. 303 – 314.

[2] Zabiegała B., Partyka M., Namieśnik J. „Jakość powietrza wewnętrznego – analityka i monitoring”, rozdział 25.

[3] Tsang-Chu Y., Chung-Chin L., Chun-Chang C., Wei-Lun L, Ren-Guey L., Chao-Heng T., Shi-Ping.L “Wireless sensor networks for indoor air quality monitoring”, Medical Engineering & Physics 35 (2013), str. 231-235.

[4] WCB Publications „Indoor Air Quality: A guide for building owners, managers and occupants”, Work Safe BC, Canada, 2005.

[5] Wolverton B.C., Wolverton J.D. „Interior Plants: Their influence on Airbone Microbes inside Energy – efficient Buildings”, Journal of the Missisipi Academy of Science, 1996, Vol 41, No. 2.

[6] Sherin A., Xinrong L. „A cost – effective sensor network system for indoor air quality monitoring applications”, Procedia Computer Science, 34/2014, str. 165-171.

[7] Wolkoff P. „Indoor air pollutants in office environments: assessment of comfort, helath and performance”, International Journal of Hygiene and Environmental Health, 216/2013, str. 371-394.

[8] United States Environmental Protection Agency „Moisture control guidance for building design, construction and maintenance”, 2013. (http://www.epa.gov/iaq/moisture/)

[9] Olszewski J., Chodak M., Jankowski J. „Rozpoznanie aktualnego stanu narażenia na radon pracowników uzdrowisk w Poslce”, Medycyna Pracy, 59(1)/2008, str. 35-38.

[10]www.zgora.pios.gov.pl/ 2004/ZielonaGora_miasto/3-charak.htm

[11] Materiały z Sympozjum Naukowego Ślesin 2014 „Nowa aparatura – stare problemy”.

[12] Mohd F.O., Khairuniisa S. „Wireless Sensor Network Applications:
A study in Environment Monitoring System”, Procedia Engineering, 41/2012,
str. 1204-1210.

[13] Jihyung K., Byunghoon B., Hammonds. J, Taekyu K., Shanno M.A. „Development of a micro – flame ionization detector using a diffusion flame”, Sensors and Actuators, 168(2012), str. 111-117.

[14] Zimmermann S., Krippner P., Vogel A., Muller J. „Miniaturized flame ionization detector for gas chromatography”, Sensor and Actuators, 83(2002), str. 258-289.

[15] http://pl.wikipedia.org/wiki/Detektor_płomieniowo-jonizacyjny

[16] Mikulik J. „Zarządzanie bezpieczeństwem i komfortem w budynkach inteligentnych. Cz. I”, Systemy – Zintegrowane systemy bezpieczeństwa, nr 1, Styczeń – Luty 2007.

[17] Mikulik J. „Zarządzanie bezpieczeństwem i komfortem w budynkach inteligentnych. Cz. II”, Systemy – Zintegrowane systemy bezpieczeństwa, nr 3, Maj – Czerwiec 2007.

[18] http://www.inteligentnybudynek.eu

[19] PN-82/B-02402

[20]Materiały promocyjne LTG Aktiengesellschaft The Innovation Company „Fan Coil Units for Ceiling Installation”

7. SPIS TABEL

Tab.1. Przykładowe zanieczyszczenia i ich źródła emisji [1,2] 6

Tab.2. Temperatura obliczeniowa w pomieszczeniach [19] 11

8. SPIS RYSUNKÓW

Rys.1. Procentowy podział czasu spędzanego w poszczególnych miejscach w dni robocze [1] 3

Rys.2. Procentowy podział czasu spędzanego w poszczególnych miejscach w dni wolne [1] 4

Rys.3. Schemat budowy dozymetru pasywnego [10] 8

Rys.4. Schemat systemu bezprzewodowej sieci czujników do systemu monitoringu jakości powietrza w pomieszczeniach [6] 9

Rys.5. Schemat działania detektora płomieniowo - jonizacyjnego [15] 10

Rys.6. Schemat klimakonwektora typu VKE [20] 12

Rys.7. Schemat działania systemu bezpieczeństwa w budynku [16] 12