Початок навчального року — саме час поговорити про повітря у школах. Якось на хвилі ностальгії ми згадували свої шкільні роки. Ранці, форма, булочки у їдальні, дискотека у спортзалі, “ліс рук”. А ще задуха в класах, пил на підвіконнях, сувора заборона на відкриття кватирок… Словом, якість повітря посередня, якщо не сказати гірша. Нам стало цікаво, чи змінилося щось з того часу, як ми були дітьми. Тоді ми вирушили до восьми шкіл і провели експеримент, з якого дізналися багато важливого. А зараз, на початку навчального року, згадали про нього та вирішили поділитися з вами.
Минулого року ми вже проводили дослідження мікроклімату в одній із шкіл та написали з цього приводу статтю. Тоді як основний інструмент використали датчик Testo 480 і фіксувалися дані лише за рівнем вуглекислого газу в одній московській школі. У цьому дослідженні ми збільшили кількість шкіл до восьми, а параметрів, що вимірюються, – до трьох: рівень вуглекислого газу, вологість і температура.
Перш ніж переходити до самого досвіду та його результатів, звернемося до теорії. Яким має бути мікроклімат у школі, які стандарти та які дослідження вже проводились у цій галузі? Якщо ці дані Вам вже відомі, переходьте одразу до опису досвіду та результатів.
Теорія мікроклімату: існуючі дослідження
Ми не перші спантеличилися питанням шкільного мікроклімату взагалі та його впливу на людину. У 2015 році Всесвітня організація охорони здоров’я назвала несприятливою якість повітря в багатьох європейських школах та дитсадках і запропонувала свої шляхи вирішення цієї проблеми. Крім того, по всьому світу вже проведено кілька цікавих досліджень на цю тему.
Європейський Союз. Вчені досліджували стан та самопочуття школярів у кімнатах із рівнем вуглекислого газу понад 1 000 ppm. Результати: діти, які знаходяться в таких приміщеннях регулярно і протягом тривалого часу, в 3,5 рази частіше страждають на сухий кашль і в 2 рази частіше хворіють на риніт.
Корея. У 110 будинках Сеула заміряли рівень СО, NO, алергени кліщів домашнього пилу, тарганів, суперечки грибків плісняви та СO2. Загалом у досліджуваних приміщеннях проживала 181 дитина віком до 14 років з діагностованою астмою. Один із основних висновків корейців: підвищення рівня вуглекислого газу збільшує ймовірність нападу астми.
США. В інституті Берклі досліджували взаємозв’язок рівня вуглекислого газу та продуктивності праці. Мета дослідження: оцінити вплив СО2 на механізми ухвалення рішень. Як піддослідні виступили 22 людини, яких піддали 2,5-годинної інтоксикації вуглекислим газом у концентраціях 600, 1000 та 2500 ppm. Під час дослідження випробувані проходили комп’ютерні тести, які потребують прийняття рішень. Результати на рівні 600 ppm вважалися базовими, при досягненні позначки 1 000 ppm продуктивність праці знизилася на шість з дев’яти показників, при рівні 2 500 ppm – на сім. Таким чином, було доведено прямий взаємозв’язок якості повітря та продуктивності праці. Хоча висновки вчених ще потребують подальшого підтвердження, даних цього досвіду вже цілком достатньо, щоб зрозуміти, наскільки важливим є свіже повітря для інтелектуальної діяльності.
Практика: наш досвід
Як полігон для досліджень було обрано вісім шкіл і гімназій у різних районах одного з міст. Параметри шкільного мікроклімату відстежувалися за допомогою базових станцій системи розумного мікроклімату MagicAir із вбудованими датчиками вуглекислого газу, температури та вологості. Базові станції були встановлені у 13 кабінетах, де всі заняття протягом п’яти навчальних днів із понеділка по п’ятницю проходили за звичайним розкладом. Центральна вентиляція у школах або була відсутня (5 шкіл), або була відключена через сильний шум, який заважає учням під час уроків (2 школи), або включалася лише на змінах (1 школа). Усі дані про рівень вуглекислого газу, температуру та вологість у кабінетах надходили на хмарний сервер у режимі онлайн.
1. Один навчальний день, одна школа
Загальний обсяг даних, отриманий з досліджуваних майданчиків, обчислюється сотнями чисел та графіків. Для ясності розглядати результати ми розпочнемо на прикладі одного дня в одному кабінеті однієї школи. Позначимо її як «Школа 1». Для розуміння картини ми поєднали графіки зміни рівня вуглекислого газу, вологості та температури та шкільний розклад.
На графіках 1–3 нижче числами у кружечках позначено номери уроків, по шість уроків у кожній із двох змін. Уроки починаються з 8:00 та тривають по 45 хвилин, між ними – зміни по 10 або 20 хвилин. Між змінами – перерва 10 хвилин. Зеленою лінією на графіках позначені нормативні значення параметрів.
Усі цифрові дані додані наприкінці статті, після списку літератури (див. файл під назвою «Школа1_кабінет1»).
На графіку 1 відображено зміну концентрації вуглекислого газу у навчальному кабінеті 1 Школи 1 протягом одного навчального дня (з 8:00 до 20:00). Похибка вимірювання становить ± 70 ppm при концентрації не більше 2300 ppm, ± 3% при концентрації понад 2300 ppm.
Перед початком уроків рівень CO2 ще відповідає нормативам, причому, здавалося б, з великим “запасом”: о 7:30 у повітрі лише близько 430 ppm. Але ближче до 8 години діти приходять у клас, і рівень CO2 починає неухильно зростати.
Другий урок починається о 8:55 з 770 ppm, і вже за п’ятнадцять хвилин рівень CO2 перевалює за нормативну позначку, перевищуючи 1 000 ppm. Взагалі, як неважко помітити, концентрація CO2 перевищує норму переважну частину часу (8,3 год за досліджуваний період часу, тобто 69% часу).
Найбільше перевищення, 3 170 ppm, фіксується під час п’ятого уроку першої зміни.
За графіком 2, що відображає зміни температури повітря в класі (див. нижче), можна відстежити, коли відкривали вікна: надворі було холодно, тому відкрите вікно незмінно призводило до зниження температури. Можна, наприклад, помітити, що описуваний день на зміні перед третім уроком першої зміни кабінет добре провітрили: температура впала майже на 3 градуси, а рівень CO2 знизився до 660 ppm. Але на початку третього уроку вікна закрили, і концентрація вуглекислого газу знову стала зростати (температура теж), поки не досягла критичних 3169 ppm на п’ятому уроці. Це в три з лишком рази вище за норму. Температура повітря при цьому сягнула позначки 29℃.
Ефект від провітрювання при повному класі з 20-30 осіб зійшов нанівець за якихось 15-20 хвилин.
Сприятливий за рівнем CO2 період припав на другий урок другої зміни. Пояснюється така «удача» просто: по-перше, кабінет провітрили, відчинивши вікна. А по-друге, учнів у ньому не було, клас стояв порожнім. Як тільки школярі повернулися на третьому уроці, концентрація CO2 знову пішла вгору і досягла 2630 ppm (максимум у другій зміні).
На графіку 2 відображено зміну температури повітря у навчальному кабінеті 1 Школи 1 протягом одного навчального дня (з 8:00 до 20:00). Похибка виміру становить ± 1,5°С (межі виміру -10 … + 85°С).
Температура повітря протягом усього навчального дня перевищує норму, сягаючи майже 30°С. «Найкращий» результат — 23 ° С, але досягався він лише на короткі проміжки часу. За зміни температури можна встановити періоди, коли у кабінеті відкривали вікна. Через те, що дослідження проводилося в холодну пору року, відкрите вікно постійно призводило до зниження температури в кабінеті. А встановивши періоди провітрювання, можна порівняти їх із графіком CO2. Щойно вікно закривають, і температура, і рівень CO2 відновлюють своє зростання.
На графіку 3 відображено зміну вологості повітря у навчальному кабінеті 1 Школи 1 протягом одного навчального дня (з 8:00 до 20:00). Похибка виміру становить ± 4% (межі виміру 0 … 95%).
Як бачите, вологість теж далека від бажаної. Більшу частину часу вона знижена і вкрай рідко дістається нормативної позначки – загалом нормальна (30% і вище) вологість трималася всього 2,8 год за навчальний день (23% часу). І це при тому, що за норму ми взяли ГОСТівські 30%, а не рекомендовані багатьма фізіологами 40-60%.
Не можемо також не відзначити, що періоди нормальної вологості супроводжувалися значним перевищенням температури повітря (28–29°С) та рівня CO2 (23770–3170 ppm).
Висновки
Отже, у навчальний день у досліджуваному кабінеті, згідно з нашими даними, середній рівень CO2 під час уроків становив 1 250 ppm, максимальне пікове значення дорівнювало 3 170 ppm. Середній рівень вологості становив 19%, а середня температура – 27℃.
Температура повітря протягом усього навчального дня перевищує норму. Вологість, навпаки, критично знижена. Рівень вуглекислого газу в повітрі демонструє більшу порівняно з іншими параметрами амплітуду коливань, проте переважно перевищує норму, іноді перебираючись навіть за позначку 3 000 ppm.
Загалом, найважливіші для комфорту, самопочуття та повноцінної роботи мозку мікрокліматичні параметри не відповідають нормам протягом усього досліджуваного періоду, або більшої частини досліджуваного періоду. Не зафіксовано жодного проміжку, коли всі три параметри мікроклімату відповідали нормативам одночасно.
2. Один навчальний тиждень, усі школи
Далі ми взяли дані по всіх школах, виділили проміжки з 8:00 до 19:00 (в цей час проходять уроки в більшості шкіл) у будні з понеділка по п’ятницю і підрахували середні показники параметрів мікроклімату.
Картина вийшла така:
У стовпцях «Середній рівень CO2», «Середня вологість» та «Середня температура» ми помістили середні показники концентрації вуглекислого газу, вологості та температури повітря відповідно в кожній дослідженій школі за весь період спостережень. Для середнього рівня СO2 ми також вказали розкид значень — середнє стандартне відхилення (дисперсію) з рівнем надійності 95%.
У стовпці «Середнє пікове значення CO2» зафіксовано усереднені максимальні значення рівня вуглекислого газу в кожній зі шкіл за весь період спостережень (п’ять навчальних днів із понеділка по п’ятницю, з 8:00 до 19:00).
Як бачимо, середня температура відповідає нормі (20–22℃) лише у трьох школах. Середня вологість – чотири. Але жодна школа не склала б «іспит» на концентрацію CO2: у всіх восьми випадках вона перевищує нормативну позначку 1 000 ppm, нерідко у півтора-два рази.
На графіку 4 показано середнє значення рівня CO2 у повітрі (взято дані по всіх тринадцяти кабінетах у восьми школах), а також середній максимум та середній мінімум протягом навчального дня.
Слід зазначити, що довжина навчального дня відрізняється залежно від школи. Десь діти займаються у дві зміни, а десь лише в одну, першу, тож у другій половині дня кабінети порожніють. Саме цим пояснюється траєкторія ліній у правій частині графіка. Наприклад, лінія середнього мінімуму під час другої зміни стабільно тримається у межах норми. Але помилятися не варто: справа зовсім не у провітрюванні. Просто джерела CO2 розійшлися додому. У першій зміні (коли в усіх кабінетах проходять заняття) навіть середній мінімум в основному перевищує норму.
На лінію «Середнє» можна орієнтуватися, щоб уявити типовий стан повітря у типовий навчальний день типової школи. Більшість часу рівень CO2 вище норми. Помітно, як концентрація CO2 демонструє швидке зростання із початком уроків. Навіть «свіжий» рано-вранці клас до кінця першого уроку (близько 9:00) стає задушливим.
Цифрові дані про всі школи ми доклали наприкінці цієї статті, після списку літератури.
Висновки
Виходячи з наших даних, ми робимо загальний висновок про те, що у досліджених школах спостерігається перевищення рівня вуглекислого газу під час уроків, у середньому на 500 ppm, недостатня вологість повітря та надто висока температура. Іншими словами, мікроклімат у школах не відповідає нормативним вимогам. Стан повітря у навчальних класах не тільки не сприяє ефективному інтелектуальному праці, а й часто перешкоджає навчанню.
Проблема мікроклімату актуальна не тільки для шкіл, а й для дитячих садків, спортивних секцій та різноманітних гуртків – загалом для всіх приміщень, де збирається одночасно багато дітей. При цьому численні дослідження доводять, що стан мікроклімату в цих приміщеннях, і особливо рівень вуглекислого газу, негативно впливає на самопочуття, концентрацію уваги і успішність школярів.
Ніхто не буде сперечатися, що у виховних та навчальних закладах необхідні хороші умови для того, щоб це виховання та навчання протікало ефективно та комфортно. Але, на жаль, досі мало хто розуміє, що “хороші умови” – це не лише нові парти, проектор та пластикові вікна, це ще й комфортний мікроклімат: свіже повітря нормальної температури та вологості.
