Evaluation of long-term physical and microbiological variability of air quality in the passive house
Wprowadzenie
Problem z jakością powietrza staje się bardzo istotny zwłaszcza w budynkach pasywnych, w których podstawowym sposobem rozprowadzenia powietrza jest instalacja wentylacji nawiewno – wywiewnej. Specyfika systemu ogrzewania i wentylacji powietrza w budynku pasywnym powoduje, że jakość powietrza wewnętrznego może być zmienna w różnych porach roku. Oprócz konieczności zapewnienia odpowiedniej temperatury w budynku pasywnym, należy także zadbać o odpowiedni skład fizyko – chemiczny i mikrobiologiczny powietrza [1].
Na stopień zanieczyszczenia powietrza w budynkach wpływają zastosowane materiały budowlane, systemy wentylacji / klimatyzacji, liczba przebywających osób oraz ich stan zdrowotny. Drobnoustroje, endotoksyny oraz liczne zanieczyszczenia chemiczne występujące w pomieszczeniach mogą w negatywny sposób wpływać na zdrowie ludzi, a także są przyczyną tzw. syndromu chorego budynku (SBS – Sick Building Syndrome). Patogenne mikroorganizmy i ich metabolity zawarte w powietrzu wnikają do dróg oddechowych człowieka, mają kontakt ze skórą i mogą wywoływać liczne choroby aerogenne, reakcje alergiczne i uczuleniowe [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].
Opis budynków
Obiektem badań był budynek pasywny znajdujący się na terenie kampusu Politechniki Poznańskiej wyposażony w wentylację nawiewno – wywiewną z odzyskiem ciepła. Dodatkowo prowadzono badania w budynku mieszkalnym niespełniającym wymagań stawianych obiektom o standardzie pasywnym. Jako punkt odniesienia (środowisko zewnętrzne) wykonywano pomiary jakości powietrza zewnętrznego przed każdym analizowanym budynkiem. Podstawowe wymiary budynków podano w tabeli 1.
Powierzchnie i kubatury analizowanych budynków
Materiały i metody
W artykule przedstawiono stopień zanieczyszczenia powietrza w doświadczalnym budynku pasywnym Politechniki Poznańskiej (A) i w budynku jednorodzinnym (B). Zakres badań mikrobiologicznego zanieczyszczenia powietrza obejmował pobór próbek powietrza metodą zderzeniową przy użyciu próbnika MAS-100 Eco (firmy Merck), hodowlę mikroorganizmów w cieplarkach oraz interpretację uzyskanych wyników i ocenę stopnia zanieczyszczenia w oparciu o dane literaturowe i obowiązujące przepisy. Oznaczano następujące mikroorganizmy występujące w 1 m3 powietrza [jtk/m3]:
Oznaczenia punktów pomiarowych
- ogólną liczbę bakterii mezofilnych i psychrofilnych,
- gronkowce (Staphylococcus) mannitolododatnie i mannitoloujemne,
- bakterie Pseudomonas fluorescens,
- promieniowce (Actinobacteria),
- grzyby mikroskopowe. Zakres badań fizycznej jakości powietrza obejmował pomiar zmienności temperatury wewnętrznej [oC], wilgotności względnej powietrza [%], stężenia ditlenku węgla [ppm] oraz poziomu zanieczyszczenia pyłowego [szt./dm3].
W tabeli 2 przedstawiono oznaczenia punktów pomiarowych, w których prowadzono badania mikrobiologiczne oraz pomiary fizyko-chemiczne powietrza.
Jakość fizyczna
Porównanie zmienności temperatury wewnętrznej
Graficzną interpretację wyników zmienności temperatury w porównaniu do środowiska zewnętrznego w dwóch budynkach przedstawiono na rysunku 1.
W obu budynkach temperatura wewnętrzna była utrzymywana na wymaganym poziomie, a w środowisku zewnętrznym była zawsze niższa.
Porównanie zmienności wilgotności powietrza
Graficzną interpretację wyników zmienności wilgotności względnej w dwóch budynkach w porównaniu do środowiska zewnętrznego przedstawiono na rysunku 2.
Z analizy wyników wynika, że wilgotność względna w budynku B bez kontrolowanego przepływu powietrza była wyższa o około 10% w odniesieniu do wartości zmierzonych w budynku pasywnym A. W środowisku zewnętrznym wilgotność była najczęściej wyższa niż w budynkach.
Porównanie zmienności stężenia ditlenku węgla
Graficzną interpretację wyników zmienności stężenia ditlenku węgla w dwóch budynkach w porównaniu do środowiska zewnętrznego przedstawiono na rysunku 3
Z analizy wyników wynika, że stężenie ditlenku węgla w budynku B bez kontrolowanego przepływu powietrza było wyższe o około 20% w odniesieniu do wartości stwierdzonych w budynku pasywnym A.
Porównanie zmienności cząstek zawieszonych w powietrzu
Graficzną interpretację wyników zmienności cząstek zawieszonych w powietrzu w dwóch budynkach w porównaniu do środowiska zewnętrznego przedstawiono na rysunku 4 dla budynku A i na rysunku 5 dla budynku B.
Cząstki zawieszone o wymiarze 0,3 μm do 2,0 μm występowały w budynku pasywnym w większej ilości w okresie zimowym. Ich wysoką koncentrację odnotowano w styczniu. W powietrzu zewnętrznym wysokie wartości w porównaniu do pozostałych wyników wystąpiły również w październiku.
Cząstki o większym rozmiarze występowały w budynku pasywnym w mniejszej lub bardzo zbliżonej ilości do tej odnotowanej w powietrzu zewnętrznym. Wyjątek stanowiła wartość dla cząstek o wymiarze 5,0 μm uzyskana w czerwcu w głównym pomieszczeniu. Cząstki zawieszone o wymiarze 0,3 μm do 2,0 μm w budynku B również występowały w większej ilości w okresie zimowym, jednak zaskakująco wyższe wyniki uzyskano w maju. W tym miesiącu liczba cząstek stwierdzonych w budynku przekraczała wartość odnotowaną dla powietrza zewnętrznego.
Koncentracja cząstek o większym rozmiarze, czyli 5,0 μm i 10,0 μm, utrzymywała się na zbliżonym poziomie w okresie roku. Wyjątek stanowiły wartości uśrednione z maja i września. Cząstek o wymiarze 5,0 μm wystąpiło więcej również w październiku i grudniu.
We wszystkich głównych pomieszczeniach analizowanych budynków można dostrzec wpływ pory roku na ilość cząstek zawieszonych o wymiarze 0,3 μm do 2,0 μm.
Jakość fizyczna – podsumowanie
Na podstawie uzyskanych wyników badań fizycznej jakości powietrza można stwierdzić, że:
- w obu badanych budynkach temperatura [oC] i wilgotność względna [%] były utrzymywane na poziomie zapewniającym użytkownikom komfort cieplny,
- w pomieszczeniach nie doszło do przekroczenia wartości parametrów maksymalnych, które decydują o komforcie panującym wewnątrz obiektu,
- w budynku B ilość cząstek zawieszonych skorelowana była ze stopniem zanieczyszczenia powietrza zewnętrznego,
- nieznacznie niższe wartości cząstek zawieszonych odnotowywano w budynku A.
Zmienność średniej temperatury powietrza a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Zmienność średniej wilgotności powietrza a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Zmienność średniego stężenia ditlenku węgla a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Zmienność średniej ilości cząstek zawieszonych w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica
Zmienność średniej ilości cząstek zawieszonych w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Mikrobiologia
Analizę parametrów mikrobiologicznych przeprowadzono na podstawie norm PN-89/Z-04111/02 [12] i PN-89/Z-04111 /03 [13]. W normach tych podane są sposoby badań mikroorganizmów zawartych w powietrzu, rodzaje pożywek do hodowli, warunki inkubacji oraz kryteria oceny czystości powietrza. Wyniki analiz pochodzą z okresu ponad ośmiu lat, od marca 2009 r. do maja 2017 r. W poszczególnych podpunktach zestawiono zmienność liczebności analizowanych bakterii i grzybów mikroskopowych w obu budynkach (A, B). Poziomymi liniami (ciemna i jasna) zaznaczono poziom kryteriów oceny czystości powietrza dla poszczególnych mikroorganizmów. Powyżej linii koloru czerwonego mamy do czynienia z powietrzem silnie zanieczyszczonym, a powyżej żółtego ze średnim zanieczyszczeniem.
Porównanie zmienności liczebności bakterii mezofilnych
Hodowla bakterii mezofilnych prowadzona była w temperaturze 37oC przez 48h. Graficzną interpretację wyników liczebności bakterii mezofilnych [jtk/m3] w dwóch budynkach przedstawiono na rysunku 6.
Na podstawie średnich wyników z wielolecia, w budynku pasywnym (A) nie doszło do przekroczenia wartości dopuszczalnych dla powietrza czystego (1000 jtk/m3). Jednak analizując zakresy uzyskanych wyników (wartość maksymalna) można stwierdzić, że prawie w każdym miesiącu na przestrzeni 8 lat powietrze było co najmniej raz średnio zanieczyszczone pod względem tych bakterii (1000-3000 jtk/m3). W budynku B odnotowano okresowo jeszcze większe zanieczyszczenie bakteriami mezofilnymi.
Porównanie zmienności liczebności bakterii psychrofilnych
Hodowla bakterii psychrofilnych prowadzona była w temperaturze 20oC przez 72h. Graficzną interpretację wyników liczebności bakterii psychrofilnych [jtk/m3] w dwóch budynkach przedstawiono na rysunku 7.
Najwyższe koncentracje bakterii psychrofilnych występowały w budynku B. W Polskich Normach nie ma podanych wartości granicznych wskazujących na poziom zanieczyszczenia tymi bakteriami.
Porównanie zmienności liczebności gronkowców
Hodowla gronkowców prowadzona była w temperaturze 37oC przez 48h. Na poniższych rysunkach przedstawiono graficzną interpretację wyników liczebności [jtk/m3] gronkowców mannitoloujemnych (Rys. 8) oraz mannitolododatnich (Rys. 9) w dwóch analizowanych budynkach.
Na podstawie średnich wyników z wielolecia można stwierdzić, że w budynku pasywnym (A) bardzo rzadko występowało przekroczenie dopuszczalnych wartości gronkowców, które zdecydowanie częściej i w większych liczebnościach występowały w budynku B. Analizując jednak wartości maksymalne można zauważyć, że koncentracje gronkowców bywały niekiedy bardzo wysokie, zarówno w budynku A, jak i B.
Porównanie zmienności liczebności Pseudomonas fluorescens
Hodowla bakterii Pseudomonas fluorescens prowadzona była w temperaturze 26oC przez okres 5 dni. Po tym okresie identyfikację tych bakterii prowadzono w promieniach UV. W całym okresie badań nie wykryto bakterii Pseudomonas fluorescens hodowanych w 4oC. Średnia i jednostkowa ilość bakterii Pseudomonas fluorescens hodowanych w 26oC w żadnym z badanych punktów nie przekroczyła dopuszczalnej wartości 50 jtk/1m3.
Porównanie zmienności liczebności promieniowców
Hodowla promieniowców prowadzona była w temperaturze 26oC przez okres 5 dni. Graficzną interpretację wyników liczebności [jtk/m3] promieniowców (Actinobacteria) w dwóch budynkach przedstawiono na rysunku 10.
Liczebność promieniowców wskazywała zarówno na średnie, jak i silne zanieczyszczenie powietrza tymi bakteriami. Większe skażenie powietrza odnotowano w budynku B, a w obu budynkach występowało zwłaszcza w okresie letnim. W środowisku zewnętrznym bakterie te występowały najczęściej w większych stężeniach niż w budynkach.
Porównanie zmienności liczebności grzybów mikroskopowych
Hodowla grzybów mikroskopowych prowadzona była w temperaturze 26oC przez okres 7 dni. Badania prowadzono na podłożu Waksmana i Czapek – Doxa. Na rysunku 11 zaprezentowano graficzną interpretację wyników liczebności grzybów mikroskopowych na pożywce Czapek – Doxa dla dwóch budynków.
Zmienność średniej liczebności bakterii mezofilnych a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Zmienność średniej liczebności bakterii psychrofilnych a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Zmienność średniej liczebności gronkowców mannitoloujemnych a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Zmienność średniej liczebności gronkowców mannitolododatnich a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Zmienność średniej liczebności promieniowców a) w budynku pasywnym (A) na stanowiskach: A1 – środowisko zewnętrzne, A2 – salon, A3 – piwnica b) w budynku (B) na stanowiskach: B1 – środowisko zewnętrzne, B2 – salon, B3 – pokój, B4 – sypialnia
Nieco wyższe wartości grzybów odnotowano na pożywce Waksmana. Niższe ilości grzybów mikroskopowych wystąpiły w budynku pasywnym (A), a wyższe w budynku B. Dotyczy to zarówno wartości średnich z wielolecia, jak i jednostkowych pomiarów.
Średnia liczebność grzybów mikroskopowych w budynku pasywnym nie przekroczyła wartości dopuszczalnych dla powietrza czystego (do 3000 jtk/m3). Wartości odnotowane dla powietrza zewnętrznego były wyższe od uzyskanych dla pomieszczeń zamkniętych. Natomiast w budynku B tylko raz odnotowano średnią ilość grzybów świadczącą o zanieczyszczeniu mogącym negatywnie oddziaływać na środowisko naturalne człowieka. Analizując natomiast pojedyncze pomiary w okresie wielolecia, zarówno w budynku pasywnym A, jak i budynku B stwierdzano okresowo przeciętnie czyste powietrze atmosferyczne (3000-5000 jtk/m3) oraz zanieczyszczenie mogące negatywnie oddziaływać na środowisko naturalne człowieka (+5000-10000 jtk/m3).
Mikrobiologia – podsumowanie
Na podstawie uzyskanych wyników badań mikrobiologicznych można stwierdzić, że
- liczebność wykrytych bakterii i grzybów była niższa w budynku A (pasywnym),
- w przypadku budynku A liczebność bakterii mezofilnych i gronkowców w budynku była zwykle niższa niż ta odnotowana dla powietrza zewnętrznego,
- w budynku B wartości te ulegały większym wahaniom oraz występowały okresowe przekroczenia wartości dopuszczalnych dla powietrza o normalnym standardzie,
- w budynku A zdarzały się przekroczenia wartości uznawanych za wymagane dla powietrza czystego, jednak występowały one z mniejszą częstotliwością niż w budynku B,
- w budynku A koncentracje grzybów mikroskopowych w pomieszczeniach były niższe lub nieznacznie zbliżone do wartości odnotowanych w powietrzu zewnętrznym,
- stężenia grzybów w budynku B były zwykle zbliżone do wartości stwierdzonych dla powietrza zewnętrznego,
- w budynku A znacznie rzadziej pojawiały się bakterie Pseudomonas fluorescens, a promieniowce występowały najczęściej w mniejszych stężeniach.
Głównym powodem lepszej jakości powietrza w budynku pasywnym (A) w stosunku do drugiego budynku (B) jest zainstalowany w nim system wymiany powietrza. Opiera się on o filtry powietrza, które zatrzymują zanieczyszczenia mikrobiologiczne i cząstki zawieszone.
Podsumowanie
Na podstawie analizy wyników prowadzonych badań dostrzeżono jedynie wyraźny wpływ zmienności temperatury zewnętrznej na zmienność większości parametrów mikrobiologicznych i koncentracji cząstek zawieszonych. Najmniejszy wpływ na parametry mikrobiologiczne miała zmienność ciśnienia atmosferycznego i stężenia ditlenku węgla. Najwyraźniej widać to podczas porównywania zmienności parametrów dla powietrza zewnętrznego.
Wewnątrz analizowanych budynków temperatura i wilgotność względna powietrza utrzymywana była na zbliżonym poziomie, zgodnie z oczekiwaniami użytkowników. Spadek temperatury powietrza zewnętrznego przyczyniał się do zmniejszenia liczebności bakterii mezofilnych i psychrofilnych w analizowanych punktach pomiarowych. W okresie zimowym ilość bakterii psychrofilnych w powietrzu zewnętrznym była wyższa niż ilość bakterii mezofilnych. Odwrotna sytuacja miała miejsce w przypadku bakterii mezofilnych, których liczebność w okresach zimowych w budynkach była większa.
Bardzo wyraźny wpływ temperatury na mikroorganizmy można zaobserwować na przykładzie grzybów mikroskopowych. Wraz ze spadkiem temperatury w powietrzu zewnętrznym zmniejsza się liczebność tych mikroorganizmów. W przypadku budynku pasywnego ich liczebność jest wyższa w pomieszczeniach w okresie panowania wyższych temperatur. Wartości są do siebie najbardziej zbliżone w okresie występowania niższych temperatur. W przypadku drugiego budynku (B) liczebności grzybów we wszystkich punktach pomiarowych utrzymywały się często na dość zbliżonym poziomie. W przypadku pozostałych mikroorganizmów trudno doszukać się dokładnych korelacji z parametrami klimatycznymi. Wynika to z faktu, iż występują one w powietrzu sporadycznie i dość nieregularnie, co uniemożliwia powiązanie ich obecności z warunkami klimatycznymi. Podsumowując można stwierdzić, że:
- W obu badanych budynkach stwierdzono różny stopień skażenia mikrobiologicznego i zmienny charakter parametrów mikroklimatycznych.
- W budynku B z wentylacją naturalną wymiana powietrza jest niekontrolowana i zmienna w czasie. Zależy od ciśnienia dynamicznego (wywołanego naporem wiatru na budynek) oraz ciśnienia termicznego wywołanego różnicą gęstości powietrza wewnętrznego i zewnętrznego (zależna od temperatury powietrza).
- W budynku B ze względu na niekontrolowany przepływ powietrza nie ma możliwości jego oczyszczania.
- W budynku A przepływ powietrza w układzie wentylacji mechanicznej jest funkcją zmienności stężenia ditlenku węgla w pomieszczeniach lub zmienności temperatury wewnętrznej.
- Głównym powodem lepszej jakości powietrza w budynku A w stosunku do budynku B jest:
–kontrolowany przepływ powietrza, dostosowany do potrzeb użytkowników,
–zastosowanie wentylacji mechanicznej z filtrami powietrza, które zatrzymują zanieczyszczenia mikrobiologiczne i cząstki zawieszone.
L I T E R AT U R A
[1] Niezabitowska E. 2005. Budynek inteligentny. Tom I. Potrzeby użytkownika a standard budynku inteligentnego. Politechnika Śląska.
[2] Bouillard L., Michel O., Dramaix M., Devleeschouwer M. 2005. Bacterial contamination of indoor air, surfaces, and settled dust, and related dust endotoxin concentrations in healthy office buildings. Annals of Agricultural and Environmental Medicine, Vol. 12, pp. 187-192.
[3] Elliot M.A., Talbot N.J. 2004. Building filaments in the air: aerial morphogenesis in bacteria and fungi. Current Opinion in Microbiology, Vol. 7, pp. 594-601.
[4] Gąska-Jędruch U., Dudzińska M.R. 2009. Zanieczyszczenie mikrobiologiczne w powietrzu wewnętrznym. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Vol. 58, T. 2, pp. 31-40.
[5] Górny R.L., Dutkiewicz J. 2002. Bacterial and fungal aerosols in indoor environment in central and eastern European countries. Annals of Agricultural and Environmental Medicine, Vol. 9, pp. 17-23.
[6] Hugenholtz P., Fuerst J.A. 1992. Heterotrophic bacteria in an air-handling system. Applied and Environmental Microbiology, Vol. 58, No 12, pp. 3914-3920.
[7] Langmuir A.D. 1961. Epidemiology of airborne infection. Bacteriology Reviews, Vol. 25, pp. 173-181.
[8] Lis D.O, Pastuszka J.S, Górny R.L. 1997. Występowanie aerozolu bakteryjnego i grzybowego w mieszkaniach, biurach i środowisku zewnętrznym Górnego Śląska. Roczniki PZH, Vol. 48 (1), pp. 59-68.
[9] Pastuszka J.S., Kyaw Tha Paw U., Lis D.O., Wlazło A., Ulfig K. 2000. Bacterial and fungal aerosol in indoor environment in Upper Silesia, Poland. Atmospheric Environment, Vol. 34, pp. 3833-3842.
[10] Squinazi F. 1990. Microbiologicair contamination and building-associated illness. Aerobiologia, Vol. 6, pp. 45-50.
[11] Tsai F.C., Macher J.M., Hung Y-Y. 2002. Concentrations of airborne bacteria in 100 U.S. office buildings. Indoor Air, Vol. IV, pp. 353- 358.
[12] PN-Z-04111/02:1989 – Badania mikrobiologiczne. Oznaczanie liczby bakterii w powietrzu atmosferycznym (imisja) przy pobieraniu próbek metodą aspiracyjną i sedymentacyjną.
[13] PN-Z-04111/03:1989 – Badania mikrobiologiczne. Oznaczanie liczby grzybów mikroskopowych w powietrzu atmosferycznym (imisja) przy pobieraniu próbek metodą aspiracyjną i sedymentacyjną.