Dwutlenek węgla stanowi powszechnie występujący gaz, gromadzący się szczególnie w pomieszczeniach przebywania ludzi. Powstaje w wyniku metabolizmu prowadzonego przez organizmy żywe. Emisja CO2 powodowana jest również przez: realizację procesu spalania w urządzeniach otwartych, czy palenia tytoniu. Kiedy i gdzie jednak jego stężenie w domu jest najwyższe i jak wietrzyć pomieszczenia, by odczuwalnie go zmniejszyć?
*dr inż. Krystian Kurowski, Katedra Inżynierii Środowiska WBNS / UKSW
Ditlenek węgla – nazwa zwyczajowa dwutlenek węgla – jest gazem nieco cięższym od powietrza, nie ma zapachu, smaku, ani barwy. Jest gazem niepalnym, zaś przy dużych stężeniach (powyżej 5000 ppm) o właściwościach duszących. Jest to gaz agresywny chemicznie dla elementów konstrukcyjnych. Zwiększone stężenie dwutlenku węgla wpływa na wzrost stężenia innych niepożądanych związków (m.in. wilgotności, czy formaldehydu).
Dwutlenek węgla – zanieczyszczenie czy nie?
Dwutlenek węgla stanowi wskaźnik jakości powietrza. Określenie zapotrzebowania na świeże powietrze może być określane na postawie różnych parametrów. Jednym z najlepszych jest bazowanie na zawartości CO2.
Stężenie CO2 w atmosferze wynosi 350-450 ppm (na obszarach mniej zurbanizowanych nawet poniżej 350 ppm), zaś w pomieszczeniach (wentylowanych) jest z przedziału 500-2000 ppm. Ilość CO2 w pomieszczeniu uzależnione jest od ilości przebywających osób, ich aktywności, sposobu i intensywności prowadzenia wentylacji, realizowanych procesów spalania w układzie otwartym, itd.
Wysokie stężenie dwutlenku węgla uwzględnione jest w tabeli substancji toksycznych (Rozporządzenie Ministerstwa Pracy i Polityki Społecznej w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy Dz.U. 2002 nr 212 poz. 1833). Najwyższe dopuszczalne stężenie NDS = 9000 mg/m3 (ok. 5000 ppm, czyli 0,5 %). Z kolei stężenie 10% uważane jest za śmiertelne.
Wzrost stężenia CO2 (przyjmuje się że powyżej 1500 ppm) powoduje dyskomfort przebywających w pomieszczeniu osób. Objawia się on m.in. przygnębieniem i spadkiem wydajności pracy. Wentylacja komfortu spełniająca warunki higieniczne (na poziomie 20-30 m3/h na osobę) zapewnia poziom dwutlenku węgla 800-1500 ppm. Podniesienie komfortu przebywania w pomieszczeniu (stężenie CO2 nieprzekraczające 1000 ppm tzw. wskaźnik Pettenkofera) można zapewnić wentylacją dostarczającą ok. 32 m3/h i osobę.
Z kolei w powietrzu wydychanym przez człowieka CO2 występuje w stężeniu 4-5,2%. Szacuje się, że dorosły człowiek podczas nieaktywnego odpoczynku wydziela w ciągu minuty ok. 200 ml dwutlenku węgla na minutę, czyli 12 l na godzinę. Podczas dużego wysiłku fizycznego ilość wydzielanego CO2 może wzrosnąć nawet 4-6-krotnie. Pośredni wpływ na emitowaną ilość dwutlenku węgla ma temperatura, gdyż w miarę jej wzrostu wzmaga się częstotliwość oddechów.
Przy założeniu emisji 12 l/h, w ciągu doby może być emitowane 288 l CO2. Wówczas stężenie (teoretyczne – przy braku jakichkolwiek przecieków powietrza) – przy założeniu 10 m2 /osobę wyniesie 1,152 % (czyli 11520 ppm). W rzeczywistości stężenia tak wysokie są na szczęście niespotykane, co świadczy o tym, że zawsze zachodzi chociaż minimalny przepływ powietrza.
Pomiary stężenia dwutlenku węgla
Badania prowadzone były w małym lokalu mieszkalnym „typu otwartego”, z wentylacją grawitacyjną, o powierzchni 35 m2, w zimie, zlokalizowanym pod Warszawą, z oknami od strony północnej.
Badania prowadzone były z rejestracją co minutową danych.
Podczas badań wykorzystano:
– zestaw przenośny – podręczny, składający się z: miernika uniwersalnego 9565 z sondą jakości powietrza 982 (pomiary jakości powietrza T, w, CO2, CO) z bieżącą ich rejestracją.
– zestaw przenośny – walizkowy, składający się z jednostki centralnej z modułem komunikacji bezprzewodowej oraz 10 czujników (mierzą T, w, CO2). Zestaw umożliwia pomiary, wizualizację, oraz analizę jednocześnie wielu czujników.
Badania zawartości CO2 w pomieszczeniach w ujęciu czasu/procesu
Przebywanie w pomieszczeniu
Stężenie CO2 w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie zmienia się dynamicznie, szczególnie zaobserwować to można „po wejściu do lokalu” – następuje wtedy systematyczny wzrost zawartości dwutlenku węgla.
I tak poziom CO2 po intensywnym wietrzeniu pomieszczenia, w którym przebywają ludzie bardzo szybko rośnie, np. wzrost o 300 ppm zachodzi w ciągu 30 min, zaś nawet po krótkiej, ale intensywnej aktywności fizycznej następuje istotne zwiększenie poziomu CO2 (od 300 do 500 ppm).
Zamykanie szczelne pomieszczeń podczas przebywania w nim osób w powoduje zdecydowane zwiększenie ilości CO2. Podniesiona temperatura wewnątrz pomieszczeń np. do ok. 27°C przyczynia się do dodatkowego zwiększenia ilości dwutlenku węgla o 200-300 ppm. Wydłużenie okresu między wietrzeniami powoduje dalszy wzrost ilości CO2.
Pusty lokal
Obniżanie poziomu CO2 następować może na drodze odprowadzenia zużytego powietrza przez kanały wentylacji grawitacyjnej (przy braku obecności osób) w ciągu godziny od 100 do 250 ppm przy zamkniętym oknie (przy początkowej wysokiej wartości CO2 – ok. 2000 ppm). Przy niższym poziomie CO2 szybkość samoistnego obniżania zawartości dwutlenku węgla ulega obniżeniu, spadek o 250 ppm (od wartości 1500 ppm trwa 3 godziny). Obniżanie się zawartości CO2 ma charakter liniowy (dla określonych zakresów stężeń).
Rzeczywista szybkość obniżenia dwutlenku węgla uzależniona jest od: kubatury i kształtu pomieszczenia, stopnia szczelności okien, sposobów funkcjonowania kanałów wentylacji grawitacyjnej, a przede wszystkim od warunków zewnętrznych (głównie temperatury).
Wietrzenie
Brak intensywnego ruchu w mieszkaniu (mniejsze wydzielenie CO2) – nawet przy rozszczelnieniu okna – może powodować obniżenie poziomu CO2.
Obniżenie stężenia CO2 o 200-300 ppm jest możliwe nawet przy krótkim i nieintensywnym wietrzeniu (uchylone okno przez 10 min). Poziom CO2 ulegnie jednak zdecydowanemu obniżeniu podczas intensywnego wietrzenia. Pozwala ono obniżyć poziom CO2 do poziomu nawet 500 ppm, odpowiadającemu stężeniu CO2 dla obszarów miejskich. Wychłodzenie pomieszczeń podczas wietrzenia (nawet dłuższego) jest minimalne, np. dla temperatury na zewnątrz 8°C po 20 min intensywnego wietrzenia pomieszczenia następuje obniżenie temperatury maksymalnie o 1,5 K. Powrót jednak do stężenia CO2 na poziomie 1000 ppm może nastąpić w ciągu 1 godziny normalnego użytkowania pomieszczeń.
Okno uchylone w ciągu dłuższego czasu może także obniżyć poziom CO2 do ok. 500 ppm. Okno może być uchylone także w innym pomieszczeniu, trzeba tylko otworzyć drzwi pomieszczeń.
Pora nocna
Podczas nocy następuje zdecydowany wzrost stężenia CO2. Dla lokali o powierzchni ponad 20 m2 na osobę, stężenie dwutlenku węgla wzrasta do 1700-2000 ppm (mieszkanie niewietrzone w nocy przez 6-7 godzin). Przy czym nie ma większego znaczenia z jakiego poziomu następuje wzrost stężenia CO2 (od 800, czy 1200 ppm) i czy pomieszczenia w mieszkaniu są otwarte, czy są przewiewy przez nieszczelności. W przypadku ograniczenia wielkości dostępnej powierzchni do 10-15 m2 na osobę (brak wietrzenia w nocy przez 6-7 godzin) wartość stężenia CO2 może przekraczać 4000 ppm i w skrajnych przypadkach dochodzić do 5000 ppm, czyli poziomu uznanego za toksyczny.
Wzrost stężenia CO2 nie następuje równomiernie, jest dynamiczny. Uzależniony jest o liczby osób w pomieszczeniu, „stężenia tła”, kubatury pomieszczenia, sposobu wentylacji i „godziny”. Można wyróżnić okresy intensywnego wzrostu, stabilizacji, oraz okresy wzrostu umiarkowanego. Intensywne wzrosty obserwuje się w pierwszych kilkudziesięciu minutach od pójścia na spoczynek, potem są okresy stabilizacji poziomu dwutlenku węgla i umiarkowanego wzrostu. Po opuszczeniu sypialni następuje intensywny spadek poziomu dwutlenku węgla.
Na stężenie dwutlenku węgla może mieć wpływ także obecność roślin w pomieszczeniu. Większość z nich w okresie nocy pobiera potrzebny tlen, wydzielając CO2. Występują jednak rośliny, które cykl mają odwrotny – w nocy pobierają CO2 i należą do nich m.in.: storczyk, skrzydłokwiat, aloes, wężownica, kaktus wielkanocny, drzewko szczęścia, gerbera.
Gotowanie
Gotowanie posiłków na kuchence gazowej przyczynia się do wzrostu stężenia CO2.
Da się zaobserwować gwałtowny wzrost ilości CO2 o 1000 ppm podczas 50-minutowego gotowania jednopalnikowego. Tak wysokie wzrosty przekreślają sensowność wykorzystania kuchni gazowej w mieszkaniach o niewielkich metrażach i wątpliwej wentylacji.
Badania zawartości CO2 w pomieszczeniach w ujęciu miejsca
W centralnym punkcie pomieszczenia
Czujniki pomiarowe powinny być zlokalizowanie w tzw. miejscach reprezentatywnych. Takim niewątpliwie jest środek pomieszczenia na wysokości ok. 1 m. Umiejscowienie w ten sposób czujnika pozwala na pomiar średnich wartości parametrów i poznanie warunków przebywania w pomieszczeniu.
Z krzywej przebiegu stężenia zaobserwować można zdecydowanie za mało wydajną wentylację. Stężenia na poziomie 2000-2500 ppm nie zapewnią komfortu przebywania w pomieszczeniu. Wietrzenia o 11:05; 13:50; 20:40 są zdecydowanie niewystarczające, szczególnie dwa pierwsze są zupełnie śladowe. Obserwowany wysoki wzrost stężenia (ponad 1200 ppm) od 11:23 do 11:55 spowodowany był gotowaniem. Zakończenie gotowania spowodowało samoistny, powolny spadek stężenia CO2 do 13:46. Od godziny 14:20 do 16:50 podczas normalnego, ale niezbyt intensywnego, użytkowania lokalu nie obserwuje się wzrostu ilości dwutlenku węgla. Świadczyć to może o wypełnianiu roli przez wentylację. Po tym czasie wraz z zwiększoną aktywnością następuje wzrost stężenia (w tym gotowanie), aż do 20:40 czyli intensywnego, ale zbyt krótkiego wietrzenia, kiedy to realny spadek stężenia wynosił około 500 ppm.
Przy nawiewnikach i wywiewnikach
Przy wywiewnikach obserwuje się maksymalne „pikowania” stężenia CO2 w momencie otwierania okien celem przewietrzenia (następuje usuwanie nadmiaru dwutlenku węgla z pomieszczenia). Z kolei podczas normalnego funkcjonowania pomieszczenia poziomy CO2 przy wywiewniku znajdują się na niższym poziomie średnio o 500-700 ppm. Jednocześnie obserwuje się intensywne zmiany ilości dwutlenku węgla spowodowane turbulencyjnym charakterem przemieszczania się powietrza.
W strefie przyokiennej stężenie CO2 są na poziomie niższym niż średnie w pomieszczeniu, średnio o 100-300 ppm, jednak wyższym niż w przypadku lokalizacji czujnika przy wywiewniku. W początkowym okresie wietrzenia obserwuje się zwiększoną ilość CO2.
W najwyższym punkcie pomieszczenia
Obserwuje się tutaj podwyższony poziom CO2, co może wydawać się zastanawiające (nieco większa gęstość dwutlenku węgla niż powietrza). Z drugiej strony w górnej części pomieszczenia mogą gromadzić się zanieczyszczenia w związku z ich usuwaniem w tej właśnie części pomieszczenia. Stężenie zwiększone jest o ok. 200 ppm. Obserwuje się jednocześnie wysokie „pikowania” w początkowych okresach wietrzenia (tutaj przyrost w stosunku do wartości średnich dochodzi do 700 ppm.
Przy kuchni gazowej
Stężenie CO2 przy kuchni gazowej wydaje się być zwiększone w stosunku do średniego w pomieszczeniu, jednak średnie wartości są na podobnym poziomie. Występują jedynie przesunięcia czasowe. Doskonale widać wzrost stężenia dwutlenku węgla przy gotowaniu w bardzo krótkim okresie czasu (rys.).
Podsumowanie
Badania potwierdzają ogromną rolę wentylacji (szczególnie dla małych lokali), a przy jej braku – przewietrzania pomieszczeń. Szczególnie newralgiczne są okresy „po nocy” i przed „pójściem spać”, kiedy to przy nieskutecznej wentylacji stężenie CO2 może zbliżać się do wartości NDS. Oprócz procesów życiowych na zdecydowany wzrost stężenia CO2 przyczynia się gotowanie posiłków na palniku gazowym. Z tego też względu należy się zastanowić nad sensem montażu kuchni gazowej w małych lokalach do ok. 30 m2.
Intensywne wietrzenie, jednak zbyt krótkie przyczynia się do szybkiego obniżenia poziomu CO2, ale jednocześnie jest to często „spadek pozorny” i już po kilku minutach od zamknięcia okna następuje podniesienie poziomu CO2. Należałoby wydłużyć wietrzenie, aby afekt był rzeczywiście widoczny. I tak ok. 5-minutowe wietrzenie (przy wysokim stężeniu początkowym ponad 3300 ppm) obniża jego poziom o 500 ppm, ale i tak poziom zdecydowanie jest za wysoki. Wietrzenie o długości kwadransu pozwala na uzyskanie pożądanego efektu (ΔT = 15K).