Dwutlenek węgla wewnętrznego

Dwutlenek węgla (CO₂) jest niewidzialnym gazem bez zapachu wyczuwalnego przez ludzkie zmysły.

Składający się z atomu węgla i dwóch atomów tlenu, wewnętrzny CO₂ jest bardzo powszechny i w większości nieszkodliwy w małych ilościach. Jednak w wysokich stężeniach CO₂ może wypierać tlen i powodować szkody, a nawet śmierć.

Wentylacja świeżym powietrzem jest podstawową metodą ograniczania emisji CO₂ w pomieszczeniach. Gromadzenie się CO2 w pomieszczeniach może być szczególnie problematyczne w wielu przestrzeniach z powodu braku wentylacji, gdy okna i drzwi są zamknięte w gorące lub zanieczyszczone dni.

Rosnące stężenie CO₂ na całym świecie również stanowi zagrożenie dla stężenia CO₂ w pomieszczeniach, ponieważ atmosferyczny CO₂ (gaz cieplarniany) może przenikać do pomieszczeń. Od 1990 roku emisja CO₂ wzrosły o prawie 61 procent, z około 20 gigaton do prawie 35 gigaton w 2021 roku (patrz rysunek 1).¹

Rysunek 1: Globalne emisje CO2 w latach 1990-2021 (w gigatonach), z ogólnym wzrostem o prawie 61% od 1990 r. Źródło: Międzynarodowa Agencja Energii (IEA)

Chociaż emisje CO₂ spadły o prawie 6 procent w 2020 r. w wyniku ograniczenia działalności człowieka z powodu pandemii COVID-19CO₂ w dużej mierze powrócił do poziomu sprzed pandemii i oczekuje się, że wzrośnie o co najmniej kolejne 5 procent w 2021 roku.

Otwieranie okien i drzwi może pomóc tymczasowo zmniejszyć emisję CO₂.

Dodatkowo, wentylacja mechaniczna może pomóc zmniejszyć emisję CO₂. Może to również pomóc w zmniejszeniu innych powszechnych zanieczyszczeń w pomieszczeniach, takich jak lotne związki organiczne (LZO), cząstki stałe, wirusy i bakterie poprzez ich rozcieńczenie.

Monitorowanie emisji CO₂ ma również kluczowe znaczenie dla zrozumienia skali emisji CO₂ w danej przestrzeni, jego związku z innymi zanieczyszczeniami powietrza w tej przestrzeni oraz zmniejszenia jego wpływu na zdrowie.

Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o CO₂ i jego wpływie na środowisko wewnętrzne, w tym:

• najczęstsze źródła CO₂
• dopuszczalne i niezdrowe poziomy CO₂
• związek między CO₂ a zanieczyszczeniem powietrza
• jak skutecznie monitorować CO2 w pomieszczeniach i pomagać w ograniczaniu emisji CO₂

Źródła emisji CO₂

Oddychanie - a konkretnie wydychanie - jest najczęstszym źródłem CO w pomieszczeniach.₂.²

Wdychanie powoduje, że tlen (O2) dostaje się do płuc i krwiobiegu, skąd czerwone krwinki przenoszą go po całym organizmie w celu wsparcia komórek ciała. Dwutlenek węgla powstaje jako produkt odpadowy tlenu wykorzystywanego przez komórki do wytwarzania energii na potrzeby metabolizmu. Czerwone krwinki przenoszą następnie dwutlenek węgla z powrotem do płuc, gdzie jest on wydychany z powrotem do powietrza.

Gdy wydychanie jest głównym naturalnym źródłem, CO₂ w pomieszczeniach zależy przede wszystkim od dwóch czynników: wielkości pomieszczenia i liczby mieszkańców.

Im mniejsze pomieszczenie i im więcej osób w nim przebywa, tym szybciej CO₂ może gromadzić się w przestrzeni. Jest to jeden z powodów, dla których powietrze w zatłoczonych salach konferencyjnych lub salach lekcyjnych może stać się nieświeże i powodować senność lub dezorientację nawet po krótkim czasie.³

Inne powszechne źródła CO₂ w pomieszczeniach obejmują:

• opary z płomieni z kuchenki lub piekarnika
• dym z paleniska lub używanie tytoniu
• spaliny samochodowe z garaży lub pobliskich dróg i autostrad
• urządzenia grzewcze zasilane gazem lub naftą
• rozkład materii organicznej w glebie pod budynkami
• zewnętrzna emisja CO₂ przedostający się do wnętrza, zwłaszcza z pobliskich źródeł spalania paliw kopalnych, takich jak fabryki

Zrozumienie emisji CO₂ w pomieszczeniach

Poziom CO₂ jest mierzony w częściach na milion (ppm). Im wyższa wartość ppm, tym większe stężenie CO₂ w pomieszczeniu.

Typowe stężenie CO₂ waha się od około 400 do 1000 ppm, ale w skrajnych przypadkach może wzrosnąć nawet do 40 000 ppm.⁴

Niewielkie, tymczasowe wzrosty stężenia CO₂ nie stanowią zazwyczaj poważnego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego. Te krótkie skoki często można rozwiązać po prostu wentylując pomieszczenie lub stosując wysokowydajny system wentylacji mechanicznej i oczyszczania HVAC.

Przy wyższych poziomach od 2000 do 5000 ppm i powyżej, CO₂ może powodować krótkotrwałe objawy, które zakłócają uwagę i funkcje poznawcze, a także skutki zdrowotne wynikające z długotrwałego narażenia.

Norma: 400-1000 ppm
Normalne stężenie CO₂ oscyluje wokół 400-1000 ppm. Oznacza to, że pomieszczenie jest odpowiednio wentylowane i ma stałą wymianę powietrza.

Dobrze wentylowana przestrzeń, która nie jest narażona na żadne pobliskie źródła CO₂ takich jak fabryka lub ruchliwa autostrada, będzie generalnie doświadczać CO₂ na dolnym końcu tej skali. Przestrzeń pozbawiona wentylacji lub znajdująca się w pobliżu głównych źródeł emisji CO₂ może zacząć piąć się w górę tej skali.

Nowsze domy, szkoły i budynki biurowe zaprojektowane ze szczelnymi przegrodami zewnętrznymi w celu zwiększenia efektywności energetycznej są bardziej narażone na wysokie emisje CO₂ ze względu na brak wymiany powietrza ze świeżym powietrzem zewnętrznym. Jest to szczególnie prawdopodobne, gdy drzwi i okna są zamknięte lub wentylacja mechaniczna i technologia filtracji są niewystarczające.⁵

Łagodne objawy: 1,000-2,000 ppm
Powyżej 1000 ppm, CO₂ zaczyna powodować zauważalne objawy, ponieważ tlen w powietrzu jest wypierany przez cząsteczki CO2.⁶

Powszechne, ale łagodne objawy często wynikające z CO₂ w tym zakresie obejmują:

• senność
• uczucie duszności
• łagodna dezorientacja
• dezorientacja

Prawidłowe stężenie CO₂ może pomóc zmniejszyć te objawy, a także poziom innych szkodliwych zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach. W związku z tym niektóre organy ustawodawcze wprowadziły wymóg średniego dziennego stężenia CO₂ w dolnej części tego zakresu, aby zachęcić do stałej wentylacji.

W tym duchu ustawodawca stanu Kalifornia uchwalił AB-841 pod koniec 2020 roku. Wśród innych wymogów dotyczących wentylacji i filtracji w szkołachustawa ta ustaliła górny limit emisji CO₂ na poziomie 1 100 ppm w salach lekcyjnych w Kalifornii i wymagała od szkół skonfigurowania wewnętrznej wentylacji CO₂ w celu zapewnienia zgodności z tym limitem.⁷

Umiarkowane objawy: 2,000-5,000 ppm
Powyżej 2000 ppm, CO₂ może powodować zaburzenia zdrowia i objawy poznawcze, w tym

• bóle głowy
• uczucie senności
• ucisk w klatce piersiowej
• zwiększenie częstości akcji serca
• zmniejszona uwaga
• brak koncentracji
• nudności

Ilustracja 2 przedstawia scenariusz CO₂ w tym zakresie, wraz z odczytami zanieczyszczenia cząsteczkami wewnątrz pomieszczeń (na zielono) i zanieczyszczenia cząsteczkami na zewnątrz (na żółto).

Rysunek 2: CO₂ powyżej 2000, co wskazuje na umiarkowanie wysoki poziom CO₂. Źródło: IQAir AirVisual Pro

Wysoka emisja CO₂ w tym zakresie jest również związana z zespołem chorego budynku (SBS).⁸ SBS odnosi się do różnych objawów, które towarzyszą złej jakości powietrza w budynku, który nie jest odpowiednio wentylowany. Brak wentylacji może prowadzić do gromadzenia się zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach, takich jak CO₂ i innych zanieczyszczeń, takich jak bakterie, wirusy i lotne związki organiczne (LZO).⁹

Poważne lub zagrażające życiu objawy: 5,000-40,000 PPM
Powyżej 5,000 ppm, wypieranie tlenu spowodowane wysoką zawartością CO₂ powoduje zauważalne i potencjalnie zagrażające życiu objawy, zwiększając ryzyko:

• utraty przytomności
• niewyraźne widzenie
• pocenie się
• drżenie
• wysokie tętno
• uduszenie
• śmierć

Przy tak wysokim poziomie narażenia może być wymagany respirator lub pomoc medyczna w nagłych wypadkach, aby pomóc osobie uzyskać wystarczającą ilość tlenu do normalnego oddychania, szczególnie po długich okresach narażenia.¹⁰

Wiele organów regulacyjnych, takich jak amerykańska Administracja Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (OSHA), ustaliło ścisłe limity, aby zapobiec narażeniu na CO₂ w miejscu pracy przed przekroczeniem 5000 ppm.¹¹ Często egzekwowane są również określone metody pobierania próbek w celu dokładnego monitorowania.¹²

Większość przepisów traktuje CO₂ jako gaz duszący i nie zezwala na 8-godzinne narażenie na CO2 w miejscu pracy przekraczające 5000 ppm. Nieprzestrzeganie przepisów może skutkować karami grzywny, a nawet więzienia, jeśli osoby zostaną poważnie ranne lub umrą z powodu CO₂ .

CO₂ i zanieczyszczenie powietrza

Nie ma bezpośredniej korelacji między emisją CO₂ a innymi powszechnymi zanieczyszczeniami powietrza w pomieszczeniach, takimi jak pył zawieszony (PM) lub lotne związki organiczne (LZO).

W niektórych przypadkach CO₂ może wykazywać zachowanie przeciwne do innych zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach. Na przykład, otwarcie okna w zanieczyszczony dzień może zmniejszyć emisję CO₂ ale zwiększyć PM10, PM2,5i inne zanieczyszczenia powietrza na zewnątrz które przenikają do przestrzeni wewnętrznej.

Jednak warunki, które prowadzą do wysokich poziomów CO₂ mogą również zwiększać stężenie PM lub LZO w pomieszczeniach. W słabo wentylowanej lub niefiltrowanej przestrzeni, zarówno CO₂ i inne zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach mogą osiągnąć niebezpieczny poziom i powodować wiele różnych skutków zdrowotnych.¹³

Na przykład we wspólnej przestrzeni biurowej lub klasie, wydychanie może szybko spowodować emisję CO₂ i zakażonych aerozoli oddechowych do wysokich poziomów. Korzystanie z popularnych urządzeń, takich jak drukarki i kopiarki, może również wytwarzać PM2,5 i ultradrobne cząstki (UFP), które pozostają w powietrzu przez długi czas przy braku wentylacji lub filtracji.

Infekcje przenoszone drogą powietrzną związane z wirusybakteriami i pleśń są również bardziej prawdopodobne w niefiltrowanych, niewentylowanych pomieszczeniach. Aerozole biozanieczyszczeń powstające podczas kaszlu, kichania, oddychania lub mówienia mogą mieć wielkość zaledwie 0,003 mikrona i utrzymywać się w powietrzu przez wiele godzin, narażając mieszkańców budynku na infekcje długo po wytworzeniu aerozoli.¹⁴

Jak monitorować poziom CO₂

CO₂ jest gazem i nie może być monitorowany za pomocą typowych czujników laserowych rozpraszających światło używanych do pomiaru PM.

Zamiast tego, CO₂ najlepiej mierzyć za pomocą czujników wykorzystujących światło podczerwone (IR) do oszacowania liczby cząsteczek CO₂ w otaczającym powietrzu.

Oto jak to działa:

1. Powietrze z otoczenia przechodzi przez filtr CO₂ składający się ze źródła światła podczerwonego, odblaskowej komory gazowej i detektorów światła podczerwonego.
2. Światło podczerwone świeci na CO₂ które przechodzą przez zespół. Cząsteczki CO₂ pochłaniają znaczną część tego światła.
3. Pozostałe światło, które nie jest pochłaniane przez CO₂ przechodzi do detektorów.
4. Detektory światła podczerwonego obliczają zmianę długości fal podczerwonych od tego, co zostało wytworzone przez źródło światła podczerwonego do tego, co pozostało po pochłonięciu CO₂ pochłania światło podczerwone.
5. Zmiana długości fali wskazuje stężenie CO₂które jest przeliczane na ppm.

Samodzielny miernik stężenia CO₂ może wskazywać na obecność podwyższonego poziomu CO₂ i spełniać podstawowe wymagania dotyczące CO₂ w miejscach pracy i szkołach. Badanie z 2021 roku opublikowane przez American Chemical Society sugeruje, że CO₂ może być jednym z narzędzi pomagających wskazać względne ryzyko narażenia na zakaźne aerozole w tej samej przestrzeni.¹⁵

Jednak podstawowy poziom CO₂ nie dostarczają krytycznych danych na temat innych zanieczyszczeń powietrza, które zagrażają zdrowiu mieszkańców budynku.

An monitor jakości powietrza który mierzy zarówno PM, jak i CO₂ zapewnia najbardziej użyteczny obraz jakości powietrza w pomieszczeniach, w tym jak wentylacja i filtracja wpływa na te zanieczyszczenia. Pomiar temperatury i wilgotności może również pomóc w lepszym zrozumieniu, w jaki sposób warunki atmosferyczne wpływają na stężenie PM i CO w pomieszczeniach.₂.

Wniosek

Poniżej 1000 ppm, stężenie CO₂ nie jest głównym problemem związanym z jakością powietrza.

Jednak emisja CO₂ powyżej 1000 ppm może zmniejszać koncentrację i wydajność poznawczą oraz powodować szkody na coraz wyższych poziomach. Może to wiązać się z wysokimi kosztami dla produktywności, wyników w nauce i zdrowia w miejscach pracy i salach lekcyjnych, w których zanieczyszczenia powietrza, takie jak PM2,5 i infekcje przenoszone drogą powietrzną, już teraz stanowią poważne zagrożenie.

Wentylacja świeżym powietrzem zewnętrznym jest podstawowym rozwiązaniem pozwalającym na zmniejszenie emisji CO₂. Gdy powietrze na zewnątrz jest zanieczyszczone lub pogoda jest ekstremalna, zastosowanie wentylacji mechanicznej i filtracji może pomóc w zmniejszeniu emisji CO₂ i innych zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach, które wpływają na zdrowie i wydajność użytkowników budynku.