Badanie komfortu cieplnego w salach dydaktycznych przed modernizacją Cz. 2. Eksperyment

Powietrze atmosferyczne, którym oddychają organizmy żywe, jest w głównej mierze mieszaniną azotu (78% objętości) i tlenu (21%). W skład pozostałego 1% wchodzą przede wszystkim: dwutlenek węgla, para wodna i argon, poza tym również hel, neon, krypton, ksenon i wodór.

Najważniejszym z punktu widzenia życia składnikiem powietrza jest tlen – jego ilość we wdychanym powietrzu może spaść z 21 do 16% bez odczuwalnego pogorszenia samopoczucia. Azot w normalnych warunkach jest obojętny dla organizmu ludzkiego, gdyż nie bierze udziału w procesach biologicznych.

Dwutlenek węgla to gaz bezbarwny i bezwonny. Jego zawartość w pomieszczeniach, w których przebywa człowiek, jest większa niż w powietrzu atmosferycznym, gdyż wydychane przez ludzi powietrze zawiera ok. 4% tego gazu.

Ilość wydychanego CO₂ przez osoby dorosłe (dzieci: 70–80%) [14]:

• w czasie odpoczynku w pozycji leżącej 10–12 l/h,
• w pozycji siedzącej 12–15 l/h,
• lekka praca biurowa 19–24 l/h,
• praca średnio ciężka, gimnastyka 33–43 l/h,
• taniec, tenis 55–70 l/h.

Dopuszczalne stężenie dwutlenku węgla w pomieszczeniach zamkniętych wynosi 1000 ppm – jest to minimum higieniczne zalecane przez WHO [15].

Klasyfikację jakości powietrza w pomieszczeniach znaleźć można w PN-EN 13779:2008 [10]. Norma ta obowiązuje w UE, jest również zbieżna z normami amerykańskimi [1, 2]. Wprowadzono w niej cztery główne kategorie jakości powietrza wewnętrznego, którym odpowiada stosowne stężenie dwutlenku węgla, podany został również minimalny strumień powietrza wentylacyjnego przypadający na jedną osobę.

W tabeli 1 podano wartość strumienia powietrza przypadającą na jedną osobę w pomieszczeniach, w których nie wolno palić, w budynkach o niskiej emisyjności zanieczyszczeń, takich jak m.in. szkoły.

Temperatura to jeden z podstawowych parametrów powietrza wewnętrznego, decydujący o naszym samopoczuciu, wydajności w pracy i nauce, zapewniający tzw. komfort cieplny [4]. Zalecane w normach parametry cieplno-wilgotnościowe gwarantujące w pomieszczeniach odczuwanie komfortu cieplnego przez ludzi to [9]:

• temperatura powietrza: 20–26°C;
• prędkość ruchu powietrza w strefie przebywania ludzi: 0,15–0,2 m/s, latem nawet do 0,6 m/s;
• wilgotność względna powietrza przy zalecanej temperaturze: 40–60%;
• średnia temperatura promieniowania cieplnego pomieszczenia utożsamiona z temperaturą zewnętrznych przegród budowlanych: o 2–3°C mniejsza niż temperatura otoczenia.

Optymalna temperatura zależy (oprócz indywidualnych odczuć) od pory roku i aktywności fizycznej.

Wilgotność względna powietrza wewnętrznego zgodnie z normami [9, 10, 12] powinna współzależeć od temperatury. W lecie przy temperaturze powietrza w pomieszczeniu 23–25°C wilgotność względna powinna się zawierać w zakresie 40–60%, natomiast zimą przy temperaturze w pomieszczeniu 19–22°C wilgotność względna powinna wynosić 35–55%.

Badania eksperymentalne

Badania w budynku przed termomodernizacją przeprowadzono w dwóch grupach podczas zajęć projektowych, w sali na 40 osób na II piętrze. Wykonano badania ankietowe [16] oraz za pomocą miernika jakości powietrza – temperatury, wilgotności względnej i stężenia CO₂.

Mierzono również parametry powietrza zewnętrznego – temperaturę, wilgotność względną i stężenie CO₂ (tabela 2). Parametry środowiska wewnętrznego mierzono na wysokości 1,2 m nad podłogą, zalecanej w literaturze.

Na podstawie analizy rys. 1–3 stwierdzić można dokładnie, kiedy i na jak długo otwierane było okno – za pomocą wietrzenia okresowo zwiększano wentylację naturalną, która poza tym przebiegała jedynie na zasadzie infiltracji powietrza zewnętrznego przez nieszczelności w obrębie okien.

Przed rozpoczęciem zajęć stężenie CO₂ w sali przekraczało o 150% zalecenia norm [1, 2, 10, 12, 15] i wynosiło 2500 ppm, a temperatura i wilgotność względna wynosiły odpowiednio 20,5°C i 43,5%.

Po 10 min otworzono okno, które po kolejnych 25 min zamknięto (parametry powietrza wewnętrznego przedstawiały się wtedy następująco: stężenie CO₂ – 1872 ppm; temperatura – 19,8°C; wilgotność względna – 36,3%).

Po kolejnych 30 min okno ponownie zostało otwarte (odpowiednio: 2244 ppm; 21,0°C; 39%) i pomieszczenie wietrzono przez 35 minut (1594 ppm; 19,9°C; 34,7%).

Po 40 minutach znowu otworzono okno (2379 ppm; 20,8°C; 44,9%) i wietrzono salę przez 25 minut (1070 ppm; 19,4°C; 30,5%). Do końca zajęć (20 minut) okno było już zamknięte (1611 ppm; 20,4°C; 37,5%).

Rys. 1 przedstawia stężenie CO₂ w pomieszczeniu.Po krótkim czasie osoba prowadząca zajęcia podejmuje decyzję o otwarciu okna. Na zewnątrz pada śnieg, wieje wiatr i panuje niska temperatura – otwieranie okien w tym okresie może spowodować spadek komfortu cieplnego osób przebywających w jego najbliższym otoczeniu, gdyż wyraźnie odczuwana jest różnica temperatury pomiędzy strumieniem nawiewanym i powietrzem w pomieszczeniu.

Sala do końca pomiarów jest okresowo wietrzona. Wietrzenie to nie jest wystarczające, choć podczas ostatniej godziny zajęć stężenie CO₂ spada do maksymalnej podanej w normach wartości.

Stężenie dwutlenku węgla podczas badań wynosiło 1070–2522 ppm. Średnie wartości stężenia CO₂ uzyskane podczas badań prowadzonych w Wielkiej Brytanii [3] wyniosły zależnie od szkoły od 644 do 2833 ppm, maksymalnie było to 5000 ppm. Z kolei podczas badania szkół w Danii stężenie dwutlenku węgla wynosiło 920–1280 ppm [3].

Temperatura powietrza wewnętrznego podczas pomiarów (rys. 2) wynosiła 19,6–21°C, czyli mieściła się w zakresie przewidzianym dla budynków kategorii A i B (tabela 1). Niestety, wraz z doprowadzeniem zimnego, świeżego powietrza do pomieszczenia, temperatura w sali spada, powodując dyskomfort termiczny osób przebywających w pomieszczeniu.

Wilgotność względna przez większą część pomiarów była zbyt niska (rys. 3): 30,5–44,9%. Okresowo tylko wzrastała ponad dolną granicę normy [10].

Wartości wszystkich mierzonych parametrów jakości powietrza wewnętrznego spadały, gdy otwierane było okno, i rosły, kiedy okno zamykano.

Podsumowanie

Porównując wyniki ankiet przeprowadzonych wśród studentów oraz pomiarów środowiska wewnętrznego, można zaobserwować pewne rozbieżności. Warto zwrócić uwagę na to, że temperaturę wahającą się w zakresie 19,6–20,9°C ankietowani oceniali na 15–24°C. 

Pokazuje to, jak bardzo indywidualne i subiektywne jest odczuwanie parametrów komfortu oraz jak trudno zaprojektować i wykonać instalacje wewnętrzne tak, by jak najwięcej przebywających w pomieszczeniu osób odczuwało komfort. Pomimo że temperatura panująca w sali była zbliżona do projektowej i zalecanej w salach lekcyjnych, wiele osób uważało, że jest ona zbyt niska. 

Analizując rys. 1–3, można stwierdzić z dużą dokładnością, kiedy i na jak długo otwierane było okno. Otwieranie okna należy w tym przypadku traktować jako wentylację naturalną. Niestety wentylacja taka, poza jedną podstawową zaletą – brakiem kosztów eksploatacyjnych – ma wiele wad. 

W klimacie Polski przewietrzanie pomieszczeń wiąże się z wprowadzaniem do nich od jesieni do wiosny, czyli przez ponad 10 miesięcy, powietrza o zbyt niskiej temperaturze w stosunku do panującej w pomieszczeniu, co może wpływać na dyskomfort osób w nich przebywających. Nie umożliwia także oczyszczenia powietrza, zarówno z grubszych cząstek zanieczyszczeń, jak i alergizujących pyłków.

Energooszczędność i termomodernizacja to pojęcia, które w dzisiejszych czasach nabierają nowego znaczenia. Inwestorzy liczą głównie na obniżenie kosztów eksploatacji. 

Uzyskanie oszczędności w skali roku i prostego okresu zwrotu nakładów SPBT dla poszczególnych przedsięwzięć zależy nie tylko od strefy klimatycznej, w której położony jest obiekt, ale też od jego dokładnej lokalizacji, gdyż liczba stopniodni w różnych miejscowościach tej samej strefy może być bardzo zróżnicowana [7]. Oszczędzając ciepło, należy zawsze pamiętać o zapewnieniu użytkownikom odpowiedniego komfortu, wynikającego z właściwej temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu.

Badania zostaną powtórzone po przeprowadzeniu termomodernizacji obiektu.

Praca finansowana w ramach programu OZE 1.1 „Badanie skuteczności aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywności energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii”

Literatura

1. ASHRAE Standard Ventilation for acceptable Indoor Air Quality, 1989.
2. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Guidelines for Design and Constructions of Health Care Facilities, 2006.
3. Bakó-Biró Z., Clements-Croome D.J., Kochhar N., Awbi H.B., Williams M.J., Ventilation rates in schools and pupils’ performance, „Building and Environment” Vol. 48, 2012.
4. Chojnacka A., Sudoł-Szopińska I., Komfort termiczny w pomieszczeniach biurowych w aspekcie norm, „Bezpieczeństwo Pracy” nr 6/2007.
5. Directive 2002/91/EC of European Parliament and the Council of 16 December 2002 on the Energy Performance of the Buildings.
6. Gładyszewska-Fiedoruk K., Badania stężenia dwutlenku węgla w sali dydaktycznej, „COW” nr 5/2009.
7. Krawczyk D.A., Optymalne warianty termomodernizacyjne w typowym obiekcie szkolnym w zależności od jego położenia, „Instal” nr 10/2004.
8. Nowak B., Kryteria środowiska wewnętrznego wg PN-EN 15251, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2008.
9. PN-78/B-03421 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.
10. PN-EN 13779:2008 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
11. PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczenia wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego.
12. PN-EN 15251:2007 Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas.
13. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
14. Recknagel H., Sprenger E., Hörmann W., Schramek E.R., Ogrzewnictwo + Klimatyzacja z uwzględnieniem chłodnictwa i zaopatrzenia w ciepłą wodę. Poradnik, EWFE, Gdańsk 1999.
15. WHO, Air Quality Guidelines for Europe, Second Edition, WHO Regional Office for Europe Copenhagen, European Series, No. 91/2000.
16. Gładyszewska-Fiedoruk K., Krawczyk D.A., Wiater J., Gajewski A., Badanie komfortu cieplnego w salach dydaktycznych przed modernizacją. Cz. 1. Badania ankietowe, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2013.