Napoved izpostavljenosti onesnažilom zraka na osnovi modeliranja vrednosti ogljikovega dioksida v zraku učilnic osnovnih šol

Galičič, An (avtor), Eržen, Ivan (mentor), Medved, Sašo (komentor)

Ozadje: Učenci in zaposleni v osnovnih šolah (OŠ) preživijo do tretjino dneva, zato kakovost zraka v učilnicah predstavlja pomembno determinanto njihovega zdravja. Pretekle raziskave so pokazale, da kakovost zraka v slovenskih učilnicah pogosto presega priporočene in dovoljene vrednosti ogljikovega dioksida (CO2). Učilnice v slovenskih OŠ se večinsko prezračuje z naravnim prezračevanjem, katerega učinkovitost je odvisna od številnih dejavnikov. Zato smo želeli razviti orodje, s katerim bomo lahko napovedali kakovost zraka v učilnici in z njim tudi ocenili izpostavljenost učencev in učiteljev CO2 v učilnici. Namen dela in hipoteze: Namen pričujočega dela je bil pripraviti model za napovedovanje vrednosti CO2 (v nadaljevanju: model) in analizirati primernost tega modela za spremljanje trenda kakovosti zraka v učilnicah v različnih sezonah v Sloveniji. Hkrati smo želeli analizirati učinkovitost naravnega prezračevanja pri izpostavljenosti otrok onesnažilom v zraku učilnic. Zastavili smo si dve hipotezi: (1) Validiran matematični večparametrični model za napovedovanje vrednosti CO2 v učilnici bo napovedal vrednosti CO2 v učilnici glede na klasifikacijo kakovosti zraka v prostoru. Sočasna evalvacija bo potrdila možnost vključevanja parametrov značilnih za notranje okolje in potek pouka v napovedovanje vrednosti CO2. (2) Spreminjanje vrednosti izbranih kemijskih, fizikalnih in mikrobioloških onesnažil v zraku v učilnici, katerih prevladujoči vir je notranje okolje, je statistično značilno podobno spreminjanju vrednosti CO2 v zraku učilnic. Metode: V prvi fazi smo izvedli presečno raziskavo o kakovosti zraka in naravnem prezračevanju v OŠ v Sloveniji. Na podlagi identifikacije faktorjev vpliva na kakovost zraka v učilnici smo razvili vprašalnik, ki smo ga vsebinsko validirali. V drugi fazi smo pripravili model za napovedovanje vrednosti CO2, v katerem smo upoštevali tehnične lastnosti učilnic, zunanje in notranje okolje, število oseb v učilnici in tvorbo CO2 ter prezračevanje učilnice. Model smo validirali z rezultati meritev CO2 v učilnicah med poukom. Analizirali smo tudi uporabnost modela za napovedovanje spreminjanja delcev (PM10, PM2,5 in PM1) in hlapnih organskih spojin. V tretji fazi smo z razvitim modelom ovrednotili naravno prezračevanje učilnic in izpostavljenost CO2 učencev in učiteljev v slovenskih OŠ glede na oblikovane scenarije naravnega prezračevanja učilnice v majhni, srednje veliki in veliki učilnici v kurilni in nekurilni sezoni. Rezultati: Rezultati prve faze, presečne raziskave, so pokazali, da je pojavnost nekaterih virov onesnažil in dejavnikov, ki vplivajo na kakovost zraka v učilnicah 3. razredov OŠ v Sloveniji, statistično značilno povezana z mikrolokacijo OŠ in letom izgradnje OŠ. V drugi fazi je bil pripravljen model za napovedovanje vrednosti CO2 v učilnici, ki izhaja iz poznavanja tehničnih lastnosti učilnic in procesov v učilnicah 3. razredov v Sloveniji. Napoved vrednosti CO2 s pripravljenim modelom ima zelo močno in statistično značilno korelacijo z izmerjenimi vrednostmi CO2. Modelske vrednosti CO2 imajo izmed preostalih spremljanih onesnažil najmočnejšo povezanost s PM2,5. Rezultati tretje faze so pokazali, da začetne vrednosti CO2 vplivajo na vrednosti CO2 do 20-minutnega odmora, ko se ta vpliv po daljšem prezračevanju učilnice skoraj izniči. Manjšo izpostavljenost CO2 nad vrednostjo 1000 ppm, ki povzroča vpliv na zdravje in počutje učencev in učiteljev, imajo ti v nekurilni sezoni in v majhni učilnici. V kurilni sezoni je izpostavljenost učencev in učiteljev CO2 nad vrednostjo 1000 ppm manjša v učilnici, ki je bila pred poukom prezračena, med tem ko stanje prezračenosti pred pričetkom pouka ne vpliva oziroma ima zelo majhen vpliv na izpostavljenost učencev in učiteljev CO2 nad 1000 ppm v nekurilni sezoni. Sklepi: Prvo hipotezo smo sprejeli, drugo hipotezo smo sprejeli delno. Izpostavljenost učencev in zaposlenih CO2 v kurilni sezoni ne glede na scenarij prezračevanja dosega vrednosti, ki povzročajo vplive na zdravje in počutje več kot polovico časa pouka, razen v primeru majhne učilnice z intenzivnejšim naravnim prezračevanjem (scenarija C in D).

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: kakovost notranjega zraka, naravno prezračevanje, model za napovedovanje vrednosti ogljikovega dioksida, ocena izpostavljenosti
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: MF - Medicinska fakulteta
• Leto izida: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-174444
• Datum objave v RUL: 02.10.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Prediction of exposure to air pollutants based on modelling of carbon dioxide in the classrooms of primary schools

Izvleček

Background: Pupils and teachers spend up to a third of their day in primary schools, making air quality in classrooms a crucial determinant of their health. Previous studies have shown that carbon dioxide (CO2) levels in Slovenian classrooms often exceed the recommended and permissible levels. These classrooms primarily rely on natural ventilation, the effectiveness of which depends on various factors. Therefore, we aimed to develop a tool to predict classroom air quality and assess the CO2 exposure of pupils and teachers. Aims and hypotheses: We aimed to develop a CO2 prediction model and analyse its suitability for monitoring air quality trends in Slovenian classrooms across different seasons. Additionally, we wanted to analyse the effectiveness of natural ventilation on children's exposure to air pollutants in classrooms. We set two hypotheses: (1) A validated mathematical multi-parametric model for predicting classroom CO2 levels will accurately predict classroom CO2 levels according to the classroom classification of indoor air quality. A simultaneous evaluation will confirm the feasibility of incorporating parameters specific to the indoor environment and the classroom activities into the CO2 prediction model. (2) The variation in the values of selected chemical, physical and microbiological pollutants in the classroom air, primarily sourced from the indoor environment, will show a statistically significantly similarity to the variation in CO2 levels in classroom air. Methods: In the first phase, we conducted a cross-sectional study on air quality and natural ventilation in primary schools in Slovenia. Based on the identified factors affecting classroom air quality, we developed and content-validated a questionnaire. In the second phase, we developed a model to predict CO2 concentrations, considering the technical characteristics of the classrooms, the indoor and outdoor environment, the number of people in the classroom, CO2 generation, and ventilation. Model was validated using CO2 measurements taken in the classrooms during school hours. We also evaluated the model’s applicability for predicting variations in particulate matter (PM10, PM2.5 and PM1) and VOC. In the third phase, the developed model was used to assess natural ventilation and CO2 exposure of pupils and teachers in Slovenian primary schools. We developed scenarios for natural ventilation in small, medium, and large classrooms during both the heating and non-heating seasons. Results: The results of the first phase, a cross-sectional study, indicated that certain sources of pollutants and factors affecting classroom air quality in Slovenian primary schools are statistically significantly related to the school’s micro location and the year of construction. In the second phase, we developed a model to predict classroom CO2 levels, based on the technical characteristics of classrooms and processes in 3rd-grade classrooms in Slovenia. The CO2 levels predicted by the model showed a very strong and statistically significant correlation with the measured CO2 values. The model CO2 values have the most significant correlation with PM2.5 among the remaining monitored pollutants. The third phase results showed that the initial CO2 levels affect CO2 levels until the 20-minute break, after which this effect is nearly nullified by prolonged classroom ventilation. CO2 exposure above 1000 ppm, which impacts the health and well-being of pupils and teachers, is lower during the non-heating season and in small classroom. During the heating season, CO2 exposure above 1000 ppm is reduced in classrooms ventilated before school, whereas pre-school ventilation has no or very little effect on CO2 exposure above 1000 ppm during the non-heating season. Conclusion: The first hypothesis is accepted, and the second hypothesis is partially accepted. During the heating season, pupils' and and teachers' exposure to CO2, reaches levels that impact health and well-being more than half of the time, regardless of the ventilation scenario. The exception is in small classrooms with more intensive natural ventilation (scenarios C and D).

• Ključne besede: indoor air quality, natural ventilation, carbon dioxide prediction model, exposure assessment