Измерение параметров воздуха в помещении

 

Объект исследования: воздух в учебном кабинете.

Предмет исследования: зависимость показателей воздуха (температуры и концентрации углекислого газа) от продолжительности проветривания.

Как известно, самочувствие и продуктивность работы человека тесно связаны с качеством воздуха в месте, в котором он трудится и отдыхает. А качество воздуха можно определить по концентрации углекислого газа СО2.

CO2 или углекислый газ — неотъемлемая часть любой воздушной смеси, содержание которого измеряется в миллионных долях (ppm — parts per million). Условно нормальный уровень CO2 в свежем уличном воздухе принято считать за 400ppm.

Воздух в помещении считается качественным, если содержание CO2 в нем колеблется в пределах 800ppm. При достижении концентрации углекислого газа 1000ppm у многих людей уже появляется ощущение духоты и вялости, а 1400ppm — предел нормы. Из-за переизбытка СО2, чаще всего, появляются головные боли, усталость, воспаление слизистой оболочки глаза, и человек может попросту начать задыхаться. В связи с этим сложно сконцентрироваться, внимательность и возможность получать новые знания уменьшается.

Поэтому встает проблема исследования качества воздуха в учебных кабинетах. А так как большая часть учебного года проходит в холодные месяцы, то и проблема энергосбережения тоже актуальна.

Цель нашей работы: исследование качества воздуха в кабинете информатики и разработка оптимального режима проветривания с учётом потерь тепла в холодные поры года.

Для  достижения цели нами были выделены следующие задачи:

- создание прибора на основе микроконтроллера ардуино для измерения температуры воздуха и концентрации углекислого газа в помещении;

- измерение параметров воздуха при проветривании различной продолжительности;

- анализ полученных данных;

- выбор оптимального времени проветривания;

- разработка путей совершенствования методики исследования и использование её в будущем.

Мы создали прибор на основе платы arduino uno, датчика углекислого газа MH-Z14A. Он детектирует CO₂ в диапазоне от 0 до 5000 ppm и соединяется с arduino по serial-интерфейсу (Tx и Rx). А так же датчика температуры и влажности dht11 и текстового дисплея LCD 1602.

Так как датчик MH-Z14A имеет уровень входного и выходного сигнала 3.3В, а микроконтроллер ардуино 5В, нам пришлось в схему дополнительно включить конвертер логических уровней, чтобы согласовать сигналы.

Нами был написан скетч, который анализирует информацию поступающую с датчиков, преобразует ее в нужные нам единицы (ppm и °С) и выводит результат на текстовый дисплей.

После создания прибора, перед применением его для измерений, датчик концентрации углекислого газа необходимо было калибровать. Для этого мы во включенном состоянии вынесли его на «свежий воздух» и замкнули 8 и 2 контакты. При этом датчик в течение суток измеряет значение концентрации углекислого газа и минимальное полученное значение принимает за уровень в 350ppm.

 В ходе проверки прибора перед измерениями выяснилось, что иногда при сквозном проветривании (при открытых дверях кабинета) воздух шёл в кабинет не из улицы, а из коридора. При этом концентрация углекислого газа и температура воздуха практически не изменялась. Поэтому мы решили производить проветривание при закрытых дверях.

Измерения мы проводили с 15 ноября по 19 ноября на перерывах между уроками. Измеряли концентрацию углекислого газа до и после проветривания, температуру воздуха и продолжительность проветривания. Температура атмосферного воздуха в этот период времени судя по данным синоптиков колебалась в пределах от 4°С до 8°С. Результаты измерения заносились в таблицу.

Были получены следующие результаты.

Дата/перемена	Концентрация до проветривания (ppm)	Концентрация после проветривания (ppm)	Температура до проветривания (°С)	Температура после  проветривания (°С)	Продолжительность проветривания (мин)
15.11/1	1247	900	20	19	10
15.11/2	1137	850	19	19	10
15.11/3	1269	956	19	19	5
15.11/4	1055	757	20	19	10
15.11/5	1200	680	20	18	15
15.11/6	1313	938	20	19	10
16.11/2	1156	906	20	20	5
16.11/3	900	654	20	20	10
16.11/5	1576	420	19	17	20
16.11/6	1259	902	20	19	10
17.11/1	1139	560	19	18	15
17.11/3	1290	962	19	19	5
17.11/4	1072	765	20	19	5
17.11/5	1201	693	20	18	15
17.11/6	1336	938	20	19	10
18.11/1	1363	786	20	19	15
18.11/3	908	658	20	20	10
18.11/6	1268	620	19	19	15
19.11/3	1161	673	20	19	15
19.11/5	1305	443	19	17	20
19.11/6	1059	794	19	19	5

 

Исследуя данные получили:

- проветривание продолжительностью 5 минут неэффективно, так как в большинстве случаев (даже при маленькой концентрации перед проветриванием) значение не опускалось до нормы 800 ppm и ниже.

- неэффективным можно так считать проветривание, которое длится 10 минут. Норма достигается только при относительно небольшой концентрации углекислого газа перед проветриванием.

- при продолжительности проветривания 15 минут воздух во всех случаях содержал нормальное количество углекислого газа.

- при продолжительности проветривания 20 минут концентрация достигала значений чистого атмосферного воздуха, но при этом было значительное падение температуры (на 2 °С) и значения опускались ниже 18°С, что не удовлетворяет нормам СанПиН.

В результате проведения исследования у нас появились идеи для усовершенствования прибора. В будущем планируем добавить к прибору модуль флеш-карты, чтобы записывать данные в электронном виде. Питание прибора сделать автономным (подключить к повербанку). Подключить к прибору модуль измерения времени и запрограммировать прибор на включение во время перерывов для экономии энергии.

В результате выполнения исследования мы выяснили, что оптимальным режимом проветривания при температуре на улице в диапазоне от 4°С до 8°С является проветривание в течение 15 минут с закрытыми дверями в классе. Так же пришли к выводу, что необходимо проверить, как качество проветривания зависит от температуры на улице (в теории более холодный воздух имеет бóльшую плотность, а значит за единицу времени масса «чистого» воздуха попадающего в помещение будет больше, что должно ускорить проветривание). А ещё выработали стратегию дальнейшего усовершенствования прибора.