«Άλλος Αέρας» στις σχολικές αίθουσες με Ανοιχτές Τεχνολογίες

«Άλλος Αέρας» στις σχολικές αίθουσες με Ανοιχτές Τεχνολογίες

Τι είναι ο “Άλλος Αέρας”;

Εκπαιδευτικό πρόγραμμα που υλοποιήθηκε από το Πειραματικό Σχολείο του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (κατά τη διάρκεια του σχολικού έτους 2020-21) με αντικείμενο την συστηματική παρακολούθηση και τη βελτίωση της ποιότητας αέρα στο εσωτερικό των σχολικών αιθουσών.

Τι αφορά η εργασία;

Την υλοποίηση ενός συστήματος ελέγχου και βελτίωσης της ποιότητας αέρα των σχολικών αιθουσών το οποίο θα βασίζεται σε ανοιχτές τεχνολογίες, στο πλαίσιο του 3ου πανελλήνιου διαγωνισμού ανοιχτών τεχνολογιών.

Γιατί είναι σημαντική;

Λόγω της τρέχουσας συγκυρίας της COVID19 αλλά και λόγω του ότι η ποιότητα αέρα των σχολικών αιθουσών σχετίζεται με την προστασία των μαθητών από τη διάδοση ασθενειών την εκδήλωση αλλεργιών αλλά και την διάθεση και ευεξία των μαθητών κατά την διαδικασία της διδασκαλίας/μάθησης

Ποια είναι η ανάγκη που έρχεται να ικανοποιήσει;

Η επιστημονική κοινότητα θεωρεί τα αερολύματα πολύ σημαντικό τρόπο μετάδοσης του COVID19.

Στο σχολείο μας (όπως και πολλά ακόμη σχολεία στην Ελλάδα) υπάρχουν περιορισμοί στον φυσικό αερισμό των αιθουσών διδασκαλίας λόγω του σχεδιασμού των ανοιγμάτων (μικρά ανοίγματα παραθύρων, άνοιγμα μόνο σε ανάκλυση, κλπ).

Συνεπώς, ο ενδεδειγμένος ρυθμός ανανέωσης αέρα στη σχολική αίθουσα (που είναι 4-6 φορές/ώρα) είναι εφικτό να επιτευχθεί μόνο με μηχανική ενίσχυση.

Η πρόταση μας

Η πρόταση μας περιλαμβάνει τα εξής:

  • Εξαεριστήρες Αέρα Τζαμιού: Εγκαθίστανται σε τζάμι/τοίχο, υποστηρίζουν διαφορετικές ταχύτητες, αμφίδρομη ροή αέρα. Ο έλεγχος λειτουργίας τους είναι να δυνατόν να γίνεται αυτοματοποιημένα
  • Σύστημα ελέγχου συσκευών (Relay Interface Board): Ελέγχει (εκκινεί, σταματάει και ρυθμίζει την ταχύτητα λειτουργίας του Εξαεριστήρα Τζαμιού)
  • Αισθητήρες ποιότητας Αέρα ΙοΤ: Καταγράφουν την ποιότητα αέρα (τύπου Volatile Organic Compounds) και μεταφέρουν τις μετρήσεις σε ανοιχτή διαδικτυακή πλατφόρμα
  • Αισθητήρες έντασης ήχου IoT: Καταγράφουν την ένταση του ήχου και μεταφέρουν τις μετρήσεις σε ανοιχτή διαδικτυακή πλατφόρμα
  • Αισθητήρες συνθηκών IoT: Καταγράφουν τιμές θερμοκρασίας, υγρασίας, και ατμοσφαιρικής πίεσης που επικρατούν λίγο έξω από την σχολική αίθουσα και μεταφέρουν τις μετρήσεις σε ανοιχτή διαδικτυακή πλατφόρμα
  • Η κοινή πλατφόρμα επικοινωνίας των παραπάνω εξαρτημάτων θα είναι ο υπολογιστής μικρού μεγέθους Raspberry Pi

Πλεονεκτήματα της πρότασης

  • Είναι λύση μηχανικού εξαερισμού και καθαρισμού αέρα που ανανεώνει/καθαρίζει 3-6 φορές τον αέρα της τάξης σε 1 ώρα
  • Λειτουργεί με συσκευές και εξαρτήματα που είναι
    • διαδεδομένες
    • ανοιχτής αρχιτεκτονικής
    • χαμηλού κόστους αγοράς και συντήρησης
    • απλές στην εγκατάσταση και στη χρήση
  • Πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας
  • Είναι άμεσα εφαρμόσιμη

Πιλοτική υλοποίηση της διάταξης

Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζεται η πιλοτική εφαρμογή της πειραματικής διάταξης μέτρησης της ποιόητας αέρας στο εργαστήριο πληροφορικής του σχολείου μας.

Διάταξη Ελέγχου Ποιότητας Αέρα
Διάταξη Ελέγχου Ποιότητας Αέρα

Συλλογή Δεδομένων (Σενάρια)

Στην παρούσα φάση η παραπάνω διάταξη συλλέγει (πειραματικά) δεδομένα τα οποία αναρτά στον ιστότοπο ανοιχτής πρόσβασης https://devices.sensor.community/ τοποθετώντας τα έναν διαδραστικό παγκόσμιο χάρτη

Χάρτης Αναπαράστασης Δεδομένων Ποιότητας Αέρα
Χάρτης Αναπαράστασης Δεδομένων Ποιότητας Αέρα (σωματίδια PM2.5)

 

Χάρτης Αναπαράστασης Δεδομένων Ποιότητας Αέρα (σωματίδια PM10)
Χάρτης Αναπαράστασης Δεδομένων Ποιότητας Αέρα (σωματίδια PM10)

Ο χρήστης/διαχειριστής του μετρητή έχει τη δυνατότητα διαχείρισης των δεδομένων που συλλέγονται σε έναν περιβάλλον όπως αυτό που απεικονίζεται στην εικόνα που ακολουθεί

Μετρήσεις Αιωρούμενων Σωματιδίων
Μετρήσεις Αιωρούμενων Σωματιδίων

Τα δεδομένα συλλέγονται και αναλύονται στο πλαίσιο τριών εναλλακτικών σεναριών

Σενάριο 1 (μόνο Παράθυρα)

  1. Αίθουσα κενή για 10 ώρες (τουλάχιστον), παράθυρα κλειστά, εξαεριστήρας OFF
  2. Μέτρηση 1 Αιωρούμενων Σωματιδίων (PM) ΠΡΙΝ την είσοδο μαθητών στην αίθουσα
  3. Μετρήσεις 2, 3, 4 των PM (κάθε 10 λεπτά) κατά τη διάρκεια του μαθήματος (40 λεπτά) με παράθυρα ανοιχτά και εξαεριστήρα OFF
  4. Εκκένωση αίθουσας (διάλειμμα). Παράθυρα ανοιχτά, εξαεριστήρας OFF για 10 λεπτά.
  5. Μετρήσεις 5 και 6 των PM (κάθε 5 λεπτά) κατά τη διάρκεια του 10λεπτου διαλείμματος πριν την είσοδο των μαθητών στην αίθουσα
  6. Ταυτόχρονα πραγματοποιείται μέτρηση των τιμών εξωτερικής θερμοκρασίας, υγρασίας και ατμοσφαιρικής πίεσης

Σενάριο 2 (Παράθυρα + Εξαεριστήρας 100% στο διάλλειμα)

  1. Αίθουσα κενή για 10 ώρες (τουλάχιστον), παράθυρα κλειστά, εξαεριστήρας OFF
  2. Μέτρηση 1 Αιωρούμενων Σωματιδίων (PM) ΠΡΙΝ την είσοδο μαθητών στην αίθουσα
  3. Μετρήσεις 2, 3, 4 των PM (κάθε 10 λεπτά) κατά τη διάρκεια του μαθήματος (40 λεπτά) με παράθυρα ανοιχτά και εξαερηστήρα OFF
  4. Εκκένωση αίθουσας (διάλειμμα). Παράθυρα ανοιχτά, εξαεριστήρας ON 100% για 10 λεπτά.
  5. Μετρήσεις 5 και 6 των PM (κάθε 5 λεπτά) κατά τη διάρκεια του 10λεπτου διαλείμματος πριν την είσοδο των μαθητών στην αίθουσα
  6. Ταυτόχρονα πραγματοποιείται μέτρηση των τιμών εξωτερικής θερμοκρασίας, υγρασίας και ατμοσφαιρικής πίεσης

Σενάριο 3 (Παράθυρα + Εξαερηστήρας 50% στο μάθημα)

  1. Αίθουσα κενή για 10 ώρες (τουλάχιστον), παράθυρα κλειστά, εξαεριστήρας OFF
  2. Μέτρηση 1 Αιωρούμενων Σωματιδίων (PM) ΠΡΙΝ την είσοδο μαθητών στην αίθουσα
  3. Παράθυρα Ανοιχτά, Εξαερηστήρας ON 50% καθόλη τη διάρκεια του μαθήματος
  4. Μέτρηση2, 3, 4 (κάθε 10 λεπτά) PM κατά τη διάρκεια του μαθήματος (40 λεπτά) με παράθυρα ανοιχτά
  5. Εκκένωση αίθουσας (διάλειμμα). Παράθυρα ανοιχτά, εξαεριστήρας ON 100% για 10 λεπτά.
  6. Μετρήσεις 5 και 6 των PM (κάθε 5 λεπτά) κατά τη διάρκεια του 10λεπτου διαλείμματος πριν την είσοδο των μαθητών στην αίθουσα
  7. Ταυτόχρονα πραγματοποιείται μέτρηση των τιμών εξωτερικής θερμοκρασίας, υγρασίας και ατμοσφαιρικής πίεσης

Αποτελέσματα-Συμπεράσματα (πιλοτικά)

Η ανάλυση των δεδομένων της πιλοτικής εφαρμογής του συστήματος στο εργαστήριο πληροφορικής του σχολείου μας οδηγεί σε ιδιαίτερα θετικά συμπεράσματα αναφορικά με την αποτελεσματικότητα του συστήματος.

Ειδικότερα παρατηρείται

  • μείωση έως και 50% της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων από τη λειτουργία του εξαεριστήρα κατά τη διάρκεια του διαλείμματος
  • μείωση έως και 80% της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων από τη λειτουργία του εξαεριστήρα κατά τη διάρκεια του διαλείμματος σε σύγκριση με τη χρήση μόνο των παραθύρων
  • η διαρκής λειτουργία του εξαερηστήρα κατά τη διάρκεια του μαθήματος, έστω και στο 50% της ισχύος του, διατηρεί σε χαμηλά νούμερα τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων στην αίθουσα

Παραδοτέα του προγράμματος

Τα παραδοτέα του προγράμματος περιλαμβάνουν

  1. έξυπνο σύστημα παρακολούθησης/βελτίωσης ποιότητας αέρα/εξαερισμού αιθουσών σχολικών κτιρίων αποτελούμενο από
    • σύστημα μετρήσεων τιμών ποιότητας εσωτερικού αέρα με δυνατότητα μέτρησης των τιμών VOC (Volatile Organic Compounds)
    • σύστημα απαγωγής φρέσκου εξωτερικού αέρα αποτελούμενο από εξαεριστήρα και συσκευής ελέγχου (Relay Interface Board)
    • σύστημα μετρήσεων έντασης ήχου αίθουσας
    • σύστημα μετρήσεων κλιματολογικών συνθηκών εξωτερικού χώρου (θερμοκρασία, σχετική υγρασία, ατμοσφαιρική πίεση)
  2. ανοιχτό/επεκτάσιμο διδακτικό σενάριο υλοποίησης της δράσης «Βελτιώνοντας την ποιότητα αέρα στις σχολικές τάξεις» με έμφαση στη δυνατότητα αξιοποίησης του και από άλλα σχολεία που θα ενδιαφερθούν να υλοποιήσουν παρόμοιες λύσεις, διαθέσιμο εδώ: https://docs.google.com/document/d/1V4eb3ITaiJDYj6w2BNvdlZv7LQ4SJkqnwAKgXroVQzs/edit?usp=sharing
  3. ενημερωτικά έντυπα,παρουσιάσεις, φυλλάδια και αφίσες για την διάδοση των αποτελεσμάτων του προγράμματος, διαθέσιμο εδώ: https://docs.google.com/presentation/d/1RcNq_Iksi3EhLFdqlcJDa8pr_y587DQg0vwsk1wmiC4/edit?usp=sharing
  4. διαδικτυακή πλατφόρμα ανοιχτής πρόσβασης για την παρουσίαση των καταγεγραμμένων τιμών ποιότητας αέρα σε πραγματικό χρόνο μέσα και έξω από την αίθουσα και παρακολούθηση του επιπέδου θορύβου στην αίθουσα, διαθέσιμη εδώ: https://sensor.community/en/ και εδώ: https://maps.sensor.community/#10/40.4814/22.9134 (εστιάστε την περιοχή της Θεσσαλονίκης)
  5. mini-blog για την παρουσίαση και διάχυση του έργου στο οποίο θα αναρτάται η πορεία της εργασίας διαθέσιμο εδώ: https://openedtech.ellak.gr/robotics2021/allos-aeras-stis-scholikes-ethouses-me-anichtes-technologies/?preview=true
  6. το παρόν αποθετήριο στο GitHub, διαθέμιμο εδώ: https://github.com/fkoutsakas/air-quality-in-school-classrooms
  7. ενημερωτικές εκδηλώσεις παρουσίασης και διάχυσης του προγράμματος

Επόμενα Βήματα

Περαταίρω συλλογή δεδομένων και ανάλυση τους

Αυτοματοποίηση του συστήματος

  • επικοινωνία μεταξύ του Raspberry Pi Zero και του Raspberry Pi που ελέγχει (relay) τον εξαερηστήρα με στόχο την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του ανάλογα με τις καταγραφόμενες τιμές αιωρούμενων σωματιδίων
  • επικοινωνία μεταξύ του Raspberry Pi που μετραέι τη στάθμη/ένταση του ήχου στην αίθουσα και του Raspberry Pi που ελέγχει (relay) τον εξαερηστήρα με στόχο την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του ανάλογα με τις καταγραφόμενες τιμές ήχου
  • επικοινωνία μεταξύ του Raspberry Pi που μετραέι τι συνθήκες στην αίθουσα (θερμοκρασία, υγρασία, ατμοσφαιρική πίεση) και του Raspberry Pi που ελέγχει (relay) τον εξαερηστήρα με στόχο την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του ανάλογα με τις καταγραφόμενες τιμές
Διάταξη Ελέγχου Ποιότητας Αέρα
Διάταξη Ελέγχου Ποιότητας Αέρα

Αναλυτικές οδηγίες για την υλοποίηση του παραπάνω εκπαιδευτικού προγράμματος είναι διαθέσιμες ΕΔΩ

Επιβλέποντες Εκπαιδευτικοί: Φίλιππος Κουτσάκας ΠΕ86, Εμμανουήλ Κοσμίδης ΠΕ86