Влияние физических и химических параметров воздуха на здоровье человека и гигиенические требования к воздушно-тепловому режиму школьных помещений

Оптимальные условия воздушной среды являются важным фактором сохранения здоровья и работоспособности человека. Неблагоприятные изменения воздуха могут вызывать значительные нарушения в организме: перегревание или переохлаждение тела, гипоксию, возникновение инфекционных и других заболеваний, снижение работоспособности.

При комплексной гигиенической оценке воздуха учитываются:

• физические свойства - температура, влажность, скорость и направление движения воздуха, его охлаждающая способность, атмосферное давление, электрическое состояние (ионизация), уровень солнечной радиации и радиоактивности;
• химический состав - постоянные составные части воздуха и посторонние газы;
• механические примеси в воздухе - пыль, дым, сажа и пр.;
• бактериальная загрязненность - наличие микробов в воздухе.

Вся совокупность перечисленных физико-химических и биологических свойств воздушной среды образует понятие «микроклимат».

Физические свойства воздуха

Из физических свойств воздуха наиболее существенными в плане влияния на самочувствие и, как следствие, работоспособность школьников, являются температура, относительная влажность и скорость движения. Эти параметры нормируются так: температура воздуха в классе в средней полосе России должна быть 18-19°С; в физкультурном зале - 16-17°С, а перепады температуры по горизонтали и вертикали в классе должны быть не более 2 – 3 оС. Разница между температурой воздуха в помещении и внутренней поверхности наружных стен не должна превышать 3 – 5 оС, между температурой в начале и конце занятия не более 4 – 5 оС.

Норма относительной влажности воздуха колеблется в пределах 30-70 % (оптимум - 50-60%). Оптимальная скорость движения воздуха в классе - 0,2-0,4 м/с; в физкультурном зале допускаются более высокие показатели - до 0,8 м/с. Такие физические свойства воздуха, как атмосферное давление, уровень солнечной радиации и естественной радиоактивности в условиях школы нормироваться не могут, хотя их колебания и оказывают определенное влияние на самочувствие и работоспособность.

Показано, что при температуре воздуха 18-19°С, относительной влажности 50-60% и скорости движения 0,2-0,4 м/с процессы теплопродукции и теплоотдачи в организме взаимно уравновешены, то есть система терморегуляции работает наиболее экономно. По мере пребывания людей в помещении температура и относительная влажность воздуха повышаются (было замечено, что если не следить за температурой, то к концу урока она повышается на 2-3°С, к концу учебного дня на 5-6°С).

Повышение температуры вызывает напряжение системы терморегуляции, в целях усиления теплоотдачи и во избежание перегрева. В таких условиях теплоотдача путем кондукции и конвекции практически не изменяется, и увеличить ее можно за счет усиленного потоотделения с последующим испарением пота, а также усиленного дыхания. Для усиления потоотделения требуется учащение сердечных сокращений (чтобы кровь быстрее омывала поверхностные слои тела); усиление дыхания требует увеличения работы дыхательной мускулатуры. Получается, что очень много сил организма тратится не на полезную работу (усвоение учебного материала), а на борьбу с неблагоприятными условиями внешней среды.

Затруднение теплоотдачи усугубляется повышением относительной влажности воздуха в связи с испарением пота и усилением дыхания: при высокой влажности испарение пота уменьшается. Получается как бы замкнутый круг: повышение температуры и влажности воздуха требует, с одной стороны, усиления теплоотдачи, а с другой стороны, делает это усиление невозможным. Вот почему важно соблюдать оптимальный режим проветривания помещений.

Химический состав воздуха

Не менее важным в плане влияния на здоровье и работоспособность школьников является химический состав воздуха в учебных помещениях. Оптимальным вариантом является такой, когда он соответствует химическому составу чистого атмосферного воздуха (кислород – 20,94 %, углекислый газ – 0,03–0,04 %, азот – 78,04 %, инертные газы – около 1 %). Такой химический состав воздуха закрытых помещений возможен при соблюдении двух условий: когда помещение проветрено и когда в нем никого нет. Как только человек появляется в помещении, химический состав воздуха в нем начинает изменяться в неблагоприятную сторону. Концентрация кислорода снижается, а углекислого газа – возрастает.

В воздухе появляются и накапливаются летучие продукты обмена веществ, обладающие неприятными запахами (пары пота и продукты его разложения, соединения аммиака, летучие соли жирных кислот, соединения скатола, индола). Эти летучие продукты получили название «антропотоксины», и они также оказывают неблагоприятное влияние на самочувствие и работоспособность человека: при длительном пребывании в такой атмосфере у человека начинает болеть голова, ухудшается внимание, появляются сонливость, апатия, может появиться тошнота (вплоть до рвоты), иногда бывают обмороки. Вот почему необходимо следить за химическим составом воздуха.

Наиболее удобным критерием оценки химического состава воздуха является концентрация в нем углекислого газа; его предельно допустимая концентрация (ПДК) в классе равна 0,1%. Прямое измерение концентрации углекислого газа - процесс достаточно сложный в условиях школы или в быту. Для оценки пригодности воздуха в целях поддержания оптимального воздушного режима в учебных помещениях существует косвенный расчетный (антракометрический) метод. Этот метод основывается на том, что объем воздуха, который человек способен использовать за 1 час, величина достаточно постоянная, она получила название "объем вентиляции".

По определению, объем вентиляции - необходимое количество воздуха в м3 для нормального газообмена в течение часа. Он рассчитывается по формуле: L = k/(p-q), где L - объем вентиляции в м3; k - количество литров углекислого газа, выдыхаемого одним человеком в час при спокойной сидячей работе (для взрослого - в среднем 22,6 л, для школьника – примерно столько литров, сколько лет школьнику); р - предельно допустимая концентрация углекислого газа, то есть. 0,1%; q – концентрация углекислого газа в атмосфере (для города – 0,04 %, сельской местности – 0,03 %).

Расчеты показывают, что для взрослого человека объем вентиляции равен в среднем 37,7 м3; для первоклассника – 10-12 м3, для выпускника школы – 25-30 м3. Это, как было сказано выше, тот объем, который нужен для нормального газообмена (а следовательно, и нормального самочувствия и высокой работоспособности) в течение часа.

А каков же фактический объем, приходящийся на одного человека в помещении (этот фактический объем получил название "воздушный куб")? Воздушный куб определяется отношением объема помещения к количеству людей в этом помещении. Средняя наполняемость стандартного класса наших школ (площадь – 50 м2, высота – 3,3 м) – 35 учащихся. Отсюда получаем, что воздушный куб, как в 1-м, так и в выпускном классе, равен приблизительно 5 м3, т. е. его величина значительно меньше, чем величина объема вентиляции.

Таким образом, для нормальной работы во время урока необходим воздухообмен, интенсивность которого будет связана отношением между объемом вентиляции и воздушным кубом. Это отношение получило название "необходимая кратность воздухообмена", и оно показывает, сколько раз за 1 час должен полностью обновиться (смениться) воздух, чтобы на протяжении этого часа он соответствовал нормативам.

Из приведенных чисел видно, что даже в 1-м классе воздух за время урока должен обновиться как минимум дважды; в выпускных классах необходимая кратность воздухообмена равна 5-6. Иначе говоря, необходима вентиляция.

Смена воздуха, или вентиляция может быть естественной, обусловленной разностью температур внутри и снаружи помещения (тепловой напор) и силой и направлением ветра (ветровой напор); и искусственной, обусловленной применением специальных устройств (вентиляторов, эжекторов). Искусственная вентиляция может быть приточной (когда в помещение подается свежий воздух), вытяжной (когда из помещения удаляется плохой воздух) и смешанной (приточно-вытяжной).

Естественный воздухообмен осуществляется через окна и отверстия в них (форточки, фрамуги), двери, щели в строительных конструкциях и в очень незначительной степени - через поры в строительных материалах (так называемое «дыхание стен»). В обычных условиях классного помещения, когда во время урока закрыты и окна, и двери, через щели (выполненные в соответствии с ГОСТом) осуществляется примерно однократный воздухообмен в час, что недостаточно даже для 1-го класса, не говоря уже о более старших школьниках. И хотя в последние годы в помощь естественной вентиляции прокладываются специальные вентиляционные каналы в наружных стенах школьных зданий, воздухообмен, если не прибегать к специальным мероприятиям, оказывается недостаточным.

Самым простым и естественным действием, направленным на создание должного воздушного режима, является проветривание через открытую форточку. Однако как показали исследования, воздухообмен через обычную форточку малоэффективен, кроме того, вблизи форточек создаются довольно сильные вихревые токи воздуха, и люди, сидящие в этих потоках, простужаются. Поэтому не рекомендуется держать постоянно открытыми форточки при температуре наружного воздуха +2 о С и ниже и открывать форточки при температуре -16 о С и ниже.

Несколько лучше в плане должного воздухообмена в практике школьного строительства зарекомендовали себя фрамуги, открывающиеся в верхней части окна. Их преимущество перед форточками заключается в первую очередь в том, что попадающий через них воздух поступает в верхнюю часть помещения, успевает смешаться с теплым воздухом класса и не оказывает вредного холодового воздействия на учащихся, что позволяет держать их открытыми даже в зимнее время. В детских учреждениях желательно использовать фрамуги с боковыми «щечками», которые направляют потоки воздуха строго под потолок.

В отсутствие детей в классе (по данным некоторых авторов, и во время проведения физкультминуток) можно осуществлять "сквозное" проветривание, открыв в классе окна и двери, и открыв в коридоре окна напротив класса. Показано, что 3-5 минут такого проветривания вполне достаточно, чтобы воздух в классе полностью обновился. Так, например, при проветривании помещений в течение часа путем открывания форточки количество углекислого газа в воздухе снижается всего на 7 % по сравнению с исходным его количеством; при проветривании путем открывания двери - на 20 %; а при сквозном проветривании - почти на 76 %. Таким образом, сквозное проветривание эффективнее обычного в 5 – 10 раз. Кроме того отмечено, что при сквозном проветривании резко уменьшается и содержание микроорганизмов в воздухе помещения.

Для улучшения условий вентиляции в классе можно использовать следующие приемы: не заклеивать на зиму одно, ближайшее к доске окно; во время урока держать слегка приоткрытой дверь в классе; как можно чаще проветривать рекреационные помещения. Контроль за регулярным проветриванием помещения должен осуществлять педагог и дежурный учащийся.

Согласно существующим в настоящее время строительным нормам и правилам (СНиП), ряд школьных помещений оборудуется искусственной вентиляцией. Вытяжной вентиляцией снабжаются кабинеты физики и химии, пищеблоки и туалетные помещения школ. Приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей примерно трехкратный воздухообмен в час, оборудуются физкультурные залы и учебно-трудовые мастерские (УТМ). В обязанность администрации входит контроль за исправностью систем искусственной вентиляции.

Что же касается таких составляющих микроклимата класса, как механические примеси и бактериальная загрязненность, то приведение этих показателей к должному уровню достигается как проветриванием, так и обязательной регулярной влажной уборкой с использованием моющих и дезинфицирующих средств.