Szkoła w budynku pasywnym – studium przypadku

Mikroklimat panujący w pomieszczeniach to parametr wpływający na codzienne funkcjonowanie ludzkiego organizmu. Szybko doceniono jego znaczenie w budynkach o przeznaczeniu biurowym, w których pracownicy efektywniej radzą sobie z obowiązkami wtedy, gdy mają zapewnione odpowiednie warunki środowiska cieplnego i spełnione są wymagania dotyczące jakości powietrza [12].

Z kolei w budynkach handlowych (galeriach) wykorzystuje się wysoką jakość powietrza jako jeden z elementów oddziałujących na ludzką podświadomość, zachęcających do zakupów [11]. Jeżeli zatem jakość środowiska wewnętrznego przynosi korzyści, należy zadać pytanie, dlaczego problem ten jest marginalizowany w innych budynkach, których użytkownicy wykonują intensywną pracę umysłową przez wiele godzin, tj. w przedszkolach i szkołach.

Obiekty te to miejsca szczególne, wymagające najwyższej dbałości o zachowanie odpowiednich warunków środowiska wewnętrznego.

Środowisko wewnętrzne w szkołach i przedszkolach

Parametry środowiska wewnętrznego w szkołach były badane nie tylko w Polsce, ale również na świecie. Wnioski były następujące: niezależnie od kraju problem jest ten sam – dzieci uczą się i bawią w źle wentylowanych i przegrzewanych pomieszczeniach. Przykładowo w trakcie badań [1] poziom CO2 przekraczał 1000 ppm, czyli maksimum zalecane przez standard ASHRAE 62-1989.

Takie obiekty jak szkoły, charakteryzują się wysokim poziomem przeszklenia, co w zimie przyczynia się do znacznych strat cieplnych, które musi pokryć ogrzewanie, przy czym po drugiej stronie sal, z dala od okien, uczniom może być wręcz gorąco. Latem zaś zyski od słońca powodują przegrzewanie pomieszczeń, utrudniając skupienie i pracę [2].

Badania stężenia CO₂ prowadzono również w przedszkolach [3] oraz salach dydaktycznych w budynku, który nie został poddany termomodernizacji [4].

Wiele szkół w Polsce zbudowano jeszcze w czasach, gdy uwzględnianie jakości powietrza wydawało się zbędnym luksusem i nie zwracano należytej uwagi na zużycie energii. Wentylację projektowano bardzo często nieadekwatnie do potrzeb i z założenia miała ona być wspomagana przez otwieranie okien [8].

Obecnie, w dobie termomodernizacji budynków, infiltracja przez nieszczelności stolarki okiennej praktycznie nie istnieje i tym samym świeże powietrze nie napływa z zewnątrz. Budynki bez sprawnie działającej wentylacji mechanicznej przestają być przyjazne użytkownikowi, stanowiąc siedlisko pleśni i grzybów (przy podwyższonej wilgotności w pomieszczeniach, powyżej 80%) oraz bakterii.

Poniżej przedstawiono sposoby poprawienia jakości środowiska wewnętrznego przy zachowaniu niskiego zużycia energii w szkole wzniesionej w technologii budynku pasywnego.

Metody poprawy jakości powietrza

Jednym z optymalnych rozwiązań w budynkach szkolnych i dydaktycznych jest zastosowanie wentylacji nawiewno-wywiewnej sterowanej czujnikami CO₂. Najefektywniej wentylować pomieszczenia w zależności od aktualnego zapotrzebowania na tlen.

W budynkach edukacyjnych sale, w których przebywają uczniowie czy studenci, bywają wypełnione po brzegi lub stoją puste w trakcie przerw i gdy nie ma zajęć. Wykorzystanie czujników CO₂ w połączeniu z modułem sterującym pozwala w ekonomiczny sposób dostosować strumień powietrza nawiewanego do aktualnych potrzeb w pomieszczeniu.

Tanim rozwiązaniem w przypadku budynków bez instalacji wentylacji mechanicznej są czujniki np. z sensorem optycznym (Infra-Red), które alarmują o przekroczeniu danego poziomu CO₂ w pomieszczeniu lub wyświetlają wartość tego stężenia [10] – wtedy to nauczyciel może odpowiednio zareagować.

Jest to znacznie tańsze niż wykonywanie całej instalacji doprowadzania świeżego powietrza w istniejącej szkole. W polskich warunkach to właśnie zastosowanie czujników alarmujących jest praktycznie jedynym środkiem do poprawy jakości powietrza.

Skandynawowie prowadzą w szkołach badania różnego rodzaju. Efektem są energooszczędne rozwiązania służące dostarczaniu powietrza odpowiedniej jakości. W ramach akcji Hybwent [6] powstało wiele budynków, również szkół, w których zastosowano wentylację hybrydową.

Przykładem może być Mediå School w norweskim Grong (1997) – ze względu na surowy klimat postanowiono wykorzystać ciąg naturalny i do usuwania zużytego powietrza wewnętrznego wybudowano specjalną wieżę o wysokości 10 m, wspomaganą w razie potrzeby wentylatorem [2, 6].

Dobrym rozwiązaniem dla szkół energooszczędnych są nawiewniki higrosterowane, które zapewniają dopływ świeżego powietrza regulowany poziomem wilgoci w pomieszczeniu, nie powodując przy tym nieprzyjemnego uczucia przeciągu, jak to zwykle ma miejsce, gdy otwiera się okna w klasach. To rozwiązanie oszczędne, efektywne i tanie, do zastosowania w istniejących budynkach [10].

Przy zastosowaniu tego typu nawiewników łatwo można poprawić jakość powietrza wewnątrz pomieszczeń, gdzie głównym źródłem zysków ciepła są ludzie. W budynkach takich jak szkoły zdecentralizowana wentylacja może być bardziej efektywna i energooszczędna niż standardowe rozwiązanie z centralą wentylacyjną i układem przewodów.

Innym rozwiązaniem są gotowe, kompaktowe jednostki wentylacyjne. Urządzenie oprócz nawiewu realizuje także wywiew, a ciepło ze zużytego powietrza odzyskiwane jest w wymienniku krzyżowym do podgrzania powietrza nawiewanego. Jednostki takie przeznaczone są do montażu zarówno w budynkach nowych, jak i modernizowanych, w których wentylacja realizowana jest przy wykorzystaniu podwójnej fasady [10].

Budynek pasywny

Istnieje kilka warunków, które powinien spełnić obiekt, by mieć status budynku pasywnego. Zapotrzebowanie na energię grzewczą nie powinno przekraczać 15 kWh/m2 w ciągu roku (wartość ta nie uwzględnia zapotrzebowania na c.w.u.). Budynek powinien się również cechować energooszczędną wentylacją, która pochłania jedynie 0,45 Wh/m3, co odpowiada zużyciu 2500 kWh/rok, przy całkowitym strumieniu 8000 m3/h.

Budynek powinien też być szczelny, współczynnik n50 charakteryzujący liczbę wymian nie może przekraczać 0,6 1/h. Wartość współczynnika przenikania ciepła ścian U oraz dachu powinna być mniejsza niż 0,15 W/m2 K. Okna muszą mieć potrójne przeszklenia, a współczynnik Uok jest sprecyzowany i wynosi 0,8 W/m2 K [8]. Kolejnym kryterium jest wysokosprawny wymiennik ciepła, którego efektywna sprawność nie może być niższa niż 75%.

Budynek pasywny ze względu na wysokie wymagania dotyczące zużycia energii powinien sam jak najwięcej ciepła akumulować (m.in. sufit czy podłoga), by jak najdłużej ogrzewać pomieszczenia bez uruchomionego źródła ciepła [8].

W celu zwiększenia akumulacyjności należy zrezygnować z podwieszanych sufitów, a ściany zewnętrzne powinny być możliwie grube, wykonane z materiałów o specjalnych właściwościach, najlepiej zmiennofazowych. Bryła budynku powinna być możliwie zwarta, by ograniczyć wszelkie mostki ciepła. W szkołach istotnym elementem staje się również akustyka, dźwięk powinien być tłumiony, a materiały pokrywające ściany nie mogą zaburzać akumulacji ciepła.

We Frankfurcie nad Menem 1 listopada 2004 r. otworzono pierwszą w Niemczech szkołę zbudowaną w całości w technologii pasywnej. Prace konstrukcyjne rozpoczęto we wrześniu 2003 r. Podjęto decyzję o budowie trzech placówek: przedszkola, podstawówki i gimnazjum, które będą spełniały standard pasywnego budynku. 

Cały projekt obejmował 8785 m2 powierzchni podłóg, a inwestycja szacowana była na 16,7 mln euro. We wrześniu 2007 r. władze miasta zdecydowały, że wszystkie budynki użyteczności publicznej będą budowane w technologii pasywnej, a wyjątki od tej reguły powinny być odpowiednio uzasadnione. 

Gimnazjum zostało wykonane przy wykorzystaniu stalowej konstrukcji oraz przeszkleń od strony południowej. Poza wysoką szczelnością przegród budowlanych, umożliwiającą osiągnięcie współczynnika n50na poziomie 0,46 1/h, wykonano izolację przy gruncie. 

Materiały zmiennofazowe wykorzystane w konstrukcji, a także rolety zewnętrzne oraz nocne chłodzenie mają zapewnić komfortowe użytkowanie budynku również w lecie, zapobiegając powstawaniu zysków ciepła, które mogą być wysokie ze względu na dużą ilość przeszkleń od strony południowej. Dodatkowo wentylacja sterowana jest w taki sposób, że w momencie gdy w salach zrobi się zbyt ciepło, siłownik otworzy nawiewnik okienny.

Kolejnym sposobem na obniżenie kosztów eksploatacji wentylacji jest wykorzystanie wymiennika gruntowego, który w lecie chłodzi powietrze, a zimą wstępnie podgrzewa. Wykorzystano również rozwiązania architektoniczne służące uzyskaniu jak najbardziej komfortowej temperatury w poszczególnych częściach szkoły, m.in. kuchnia oraz stołówka zostały zlokalizowane w elewacji skierowanej na północ. 

Budynek wymaga dostarczenia 59 kWh/m2 energii w ciągu roku na ogrzewanie oraz przygotowanie c.w.u. Wentylacja została zaprojektowana jako system z nawiewem świeżego powietrza wykorzystującym w 84% odzysk ciepła. W każdym z pomieszczeń zamontowano po jednym niewielkim grzejniku, który ma zapewnić komfort uczniom – każdemu indywidualnie. 

Zapotrzebowanie na energię cieplną budynku pokrywają dwa kotły na pelety o mocy znamionowej 60 kW każdy. Dodatkowo system ogrzewania wspierany jest przez kolektory słoneczne umieszczone na dachu szkoły. Parametry przegród w budynku przedstawiono w tabeli 1.

Zimą temperatura w klasach waha się od 19,5 do 20,6°C, a latem w zasadzie nie dochodzi do przegrzewania się budynku. Ze względu na jakość powietrza dochodzi jeszcze jeden parametr wpływający na komfort uczniów – poziom dwutlenku węgla, który w tym wypadku nie przekracza 1500 ppm. 

Zużycie energii w sezonie zimowym 2005/2006 było mniejsze o ok 90% od średniej wartości dla 177 niemieckich szkół (rys. 1). Całkowity koszt inwestycji wyniósł 16 mln euro, a szacowany w 2005 r. czas zwrotu to 12 lat. Na rys. 2 przedstawiono plan szkoły, która w założeniu przewidziana jest dla maks. 675 uczniów.

W celu ograniczenia do minimum strat ciepła w budynku wykonano wentylowaną fasadę, użyto też drewna i aluminium. Izolację pod podłogą na gruncie ze względu na niekorzystne ukształtowanie terenu i możliwość obsuwania zastąpiono większym zagłębieniem zaizolowanych ścian zewnętrznych, redukując tym samym mostki cieplne (rys. 3). 

Z kolei latem ta sama konstrukcja musi umożliwić akumulowanie ciepła w ścianach, a następnie odbieranie go nocą. Klasy zostały wyposażone w klapy zamontowane przy suficie, służące do usuwania ciepłego zużytego powietrza do wewnątrz fasady. Otwierają się automatycznie w nocy, umożliwiając schłodzenie pomieszczeń. 

Taki układ pozwala również zrezygnować ze standardowego kanałowego systemu wywiewania powietrza. Instalacja wentylacji składa się z sześciu oddzielnych systemów rozprowadzania powietrza o łącznym strumieniu 21 700 m3/h. Świeże powietrze wpływa do przeciwprądowego lub krzyżowego wymiennika ciepła, skąd kierowane jest bezpośrednio do klas, bez dodatkowego nagrzewania.

Nawiewanie niewielkiego strumienia powietrza sprawia, że nagrzewa się on dość szybko od zysków ciepła w pomieszczeniu, nie powodując tym samym dyskomfortu u uczniów. Przepustnice przepływu strumienia przeznaczone dla każdej sali umożliwiają dostosowanie ilości napływającego powietrza do aktualnych potrzeb. 

Ogrzewanie poszczególnych sal grzejnikami nie jest może najkorzystniejszym rozwiązaniem pod względem finansowym, ale dosyć komfortowym i wygodnym. Pozwala indywidualnie ustawić temperaturę na wymaganym poziomie i łatwo ją regulować, czego nie daje ogrzewanie płaszczyznowe. 

Prawie każde pomieszczenie wyposażone jest w indywidualny regulator temperatury, który w ograniczonym zakresie umożliwia ręczne ustawienie. Ponadto cały system został zaprojektowany tak, by grzejnik nie ogrzewał niepotrzebnie pomieszczeń. Kiedy temperatura w pomieszczeniu wzrośnie powyżej określonego poziomu, otwierana jest klapa wpuszczająca zużyte powietrze do kanału powietrznego w fasadzie, w tym samym czasie siłownik otwiera okno lub nawiewnik okienny, a czujnik temperatury umieszczony przy drzwiach sali wysyła sygnał o wyłączeniu grzejnika. 

Pomieszczenie może zostać w ten sposób stopniowo wychłodzone. Rozdzielenie systemów wentylacji i ogrzewania przynosi w przypadku szkół faktyczne oszczędności zużycia energii przy zachowaniu komfortu osób przebywających w pomieszczeniach. Wysoka akumulacyjność ciepła przegród wpływa na to, że sale lekcyjne nawet po wyłączeniu ogrzewania jeszcze przez długi czas utrzymują przyjazną użytkownikowi temperaturę. Cały system połączony jest siecią LON i każdy jego element może być sterowany z poszczególnych sal lekcyjnych. 

Ogrzewanie wody wymaga również odpowiednich nakładów energii, postanowiono zatem możliwie efektywnie wykorzystywać c.w.u. W łazienkach uczniów jest tylko zimna woda, a strefy, które wymagają dużej ilości wody ciepłej, są zlokalizowane w pobliżu centralnego systemu ogrzewania. 

W przypadku obiektów pasywnych podstawowym ryzykiem jest ich przegrzewanie się w lecie. Zastosowane w szkole we Frankfurcie nocne chłodzenie i wymienniki gruntowe to niejedyne rozwiązania zapobiegające powstawaniu niekorzystnych zjawisk w budynkach pasywnych. 

Duże przeszklenia, stosowane głównie dla uzyskania zysków ciepła od słońca w zimie oraz zminimalizowania zużycia sztucznego oświetlenia w lecie, mogą być kłopotliwe dla użytkowników. W celu efektywnego zredukowania napływu promieni słonecznych do budynku zastosowano zewnętrzne rolety sterowane automatycznie z funkcją ręcznej obsługi za pomocą specjalnego klucza. 

W latach 2004–2007 przeprowadzono badania mające na celu monitorowanie rzeczywistych korzyści z zastosowania technologii pasywnej. Pomiarom poddano m.in. temperaturę wewnętrzną i zewnętrzną w ciągu roku, zużycie energii cieplnej oraz elektrycznej, a także temperaturę gruntu. Wartości średniego natężenia promieniowania słonecznego oraz temperatury zewnętrznej zestawiono w tabeli 2. 

Temperatura wewnętrzna w różnych salach również została zmierzona i w sezonie zimowym wahała się w granicach 19–20,6°C, co oznacza, że utrzymywała się na w miarę stałym poziomie. Na rys. 3 przedstawiono dane dla sezonu grzewczego 2005 i 2006 i oznaczono dni wolne od szkoły, kiedy ogrzewanie miało jedynie utrzymać minimalną temperaturę w budynku. Zaznaczono także strumień ciepła przypadający na jednostkę powierzchni.

Największa moc, jaką musiał wyprodukować system ogrzewania, przypadała na styczeń 2006 r. i wynosiła 12 W/m2. W okresie letnim zaś szkoła musiała zapewnić odpowiednią ochronę przed przegrzewaniem budynku, ponieważ temperatura zewnętrzna przekraczała 30°C [9.] Według pomiarów w lipcu 2006 r., kiedy temperatura zewnętrzna wyniosła 33,5°C, tylko w jednej sali udało się utrzymać temperaturę do 25°C, w pozostałych było to ok. 26–27°C (rys. 4).

W przypadku dużych upałów tak wysoka temperatura wewnętrzna nie powoduje znacznego dyskomfortu, pod warunkiem odpowiedniego poziomu wilgotności względnej. W takim budynku jak szkoła, gdzie w jednym pomieszczeniu szybko powstają zyski wilgoci od ludzi, jest to szczególnie istotne. W tym przypadku intensywna wentylacja oraz wymiennik gruntowy to jedyny sposób na osuszenie powietrza.

Jak widać na rys. 5, wartość wilgotności względnej sięgała maksymalnie ok. 60%, co oznacza, że warunki w pomieszczeniu były komfortowe. Według zaleceń optymalna wartość tego parametru zawiera się w przedziale 40–60%. Z punktu widzenia dbałości o jakość powietrza również stężenie CO2 odgrywa istotną rolę. 

Pomiary wykonane w latach 2005–2007 pokazały, że średnie stężenie dwutlenku węgla w ciągu roku nie przekraczało 1500 ppm, aczkolwiek w ciągu badanego czasu kilkanaście razy dochodziło do 2000–2500 ppm [9].

Podsumowanie

Sposób użytkowania szkół i innych obiektów edukacyjnych wpisuje się w założenia koncepcji budownictwa pasywnego. Zyski ciepła pochodzące od uczniów sprawiają, że można znacznie zaoszczędzić na ogrzewaniu. Jednak priorytetem jest doprowadzenie świeżego powietrza, ponieważ przebywający w sali lekcyjnej uczniowie produkują znaczne ilości CO2 oraz wilgoci. 

Jedyną wadą tego standardu budynków jest wysokie ryzyko ich przegrzewania w lecie. Jak pokazuje przykład szkoły we Frankfurcie, duże przeszklenia elewacji południowej, mimo że nadają lekkości ciężkiej bryle domu pasywnego i maksymalizują zyski od nasłonecznienia w sezonie grzewczym, a także zmniejszają wykorzystanie oświetlenia sztucznego, generują duże obciążenie chłodnicze, które może powodować powstawanie wysokich kosztów eksploatacyjnych.

Niezwykle trudno jest odebrać zyski ciepła przy praktycznie zerowym zużyciu energii – jest to możliwe w pewnym stopniu, ale jak pokazał przypadek szkoły we Frankfurcie, w miesiącach letnich nieosiągalne. Z drugiej jednak strony podwyższona temperatura pojawiła się w salach lekcyjnych jedynie kilka razy i nie w każdym pomieszczeniu. 

Do technologii pasywnej trzeba podchodzić z dużą starannością, a wszystkie rozwiązania muszą ze sobą współpracować. Wykorzystanie wielu metod i urządzeń w jednym budynku sprawia, że zachodzi między nimi interakcja i mogą one nie działać tak, jak założono. Sądząc po wynikach przeprowadzonych badań eksploatacyjnych, można uznać, że w przypadku szkoły w Niemczech uzyskano w przybliżeniu zamierzony efekt. Nie można jednak bezkrytycznie skopiować wszystkich zastosowanych tam pomysłów, gdyż nie gwarantują one uzyskania takich samych rezultatów. 

Obiekty szkolne są predysponowane do budowy w standardzie pasywnym. W lecie, kiedy parametry powietrza są najmniej komfortowe, nie ma lekcji, zatem jeśli szkoła będzie się przegrzewać, nie wpłynie to na dyskomfort uczniów. Newralgicznym miesiącem może być czerwiec, ale dzięki zastosowaniu rolet zewnętrznych, pasywnego chłodzenia oraz odpowiednich materiałów o wysokiej akumulacyjności ciepła można utrzymać warunki odpowiednie do pracy uczniów.

W Polsce wybudowano już szkołę pasywną i wyniki badań parametrów w niej panujących nie były zadowalające [5]. W Budzowie powstała szkoła, która miała stanowić dumę regionu, jednak oczekiwania wobec niej nie zostały do końca spełnione. Pomiary wykonane w tym obiekcie w lecie wykazały, że w pomieszczeniu przy wilgotności 63% panuje temperatura 26,7°C, gdy w tym samym czasie na zewnątrz jest 22,3°C. Dodatkowo o tej porze roku w celu ograniczenia zysków od nasłonecznienia konieczne jest opuszczenie rolet zewnętrznych, co narzuca konieczność włączenia sztucznego oświetlenia. 

Klimat w Polsce jest nieco inny niż w krajach zachodniej Europy, dlatego rozwiązania kopiowane od sąsiadów musimy modyfikować i dostosowywać do miejscowych warunków. Oszczędności są możliwe do uzyskania, ale jedynie przemyślane rozwiązania mają szanse podołać wysokim wymaganiom, jakie są stawiane budownictwu energooszczędnemu.

Literatura

1. Sowa J., Wentylacja klas szkolnych – efektywność stosowanych rozwiązań oraz możliwość poprawy skuteczności ich działania, w: „Problemy jakości powietrza wewnętrznego w Polsce 2001”, Wydawnictwa Instytutu Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002.
2. Bogdan A., Warunki środowiska w obiektach edukacyjnych, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 7/2011.
3.  Gładyszewska-Fiedoruk K., Analiza stanu środowiska wewnętrznego w wybranych przedszkolach ze szczególnym uwzględnieniem dwutlenku węgla, „COW” nr 2/2010.
4. Gładyszewska-Fiedoruk K., Krawczyk D.A., Piotrowska­‑Woroniak J., Wiater J., Badanie komfortu w salach dydaktycznych przed modernizacją, „Rynek Instalacyjny” nr 10 i 11/2013.
5. Żurawski J., Domy pasywne – do poprawy, „Izolacje” nr 9/2013.
6. www.hybvent.civil.aau.dk.
7. www.stadt-frankfurt.de/energiemanagement/passiv/passiv.html.
8. www.passive.de.
9. Feist W., Passivhausschule Frankfurt Riedberg, Messtechnische Untersuchung und Analyse, Passive Haus Institut, lipiec 2007.
10. Materiały firm: Aereco, Gazex, Trox.
11. d’Astous A., Irritating aspects of the shopping environment, „Journal of Business Research” Vol. 42, No. 2/2000.
12. Fanger P.O., Popiołek Z., Wargocki P., Środowisko wewnętrzne. Wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy, Gliwice 2003.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!