Stan systemu wentylacyjnego w budynku edukacyjnym i jego wpływ na jakość powietrza – analiza przypadku

Jakość powietrza w budynkach szkolnych

Na każdym szczeblu można doszukać się wymagań sprzyjających dobrej jakości powietrza w obiektach edukacyjnych, jednak w rzeczywistości luki w zarządzeniach wykonawczych oraz brak precyzji w ich interpretacji, szczególnie w zakresie prowadzenia kontroli, sprawiają, że utrzymanie dobrej jakości powietrza w salach edukacyjnych podczas lekcji jest często niemożliwe.

Obecny tryb projektowania, wykonawstwa i odbioru w żadnej fazie nie wymaga użycia zwrotu „jakość powietrza wewnętrznego”. W toku eksploatacji termin ten pojawia się sporadycznie, tylko w sytuacji zasygnalizowanych przez użytkowników poważnych zagrożeń.

Odpowiedzialność państwa i obowiązki wynikające z międzynarodowych konwencji (np. ochrona praw dziecka, konwencja klimatyczna, prawo do informacji o stanie środowiska), dyrektyw Unii Europejskiej (prawo każdego do oddychania czystym powietrzem, wykorzystywanie najlepszej dostępnej techniki, zdrowe i higieniczne warunki w pomieszczeniach oraz racjonalne korzystanie z zasobów energetycznych), a także innych wiążących postanowień organizacji międzynarodowych (np. OECD, IEA, WHO, ILO) znajdują odbicie w treści polskich aktów prawnych, takich jak np. [1]:

• konstytucja (ochrona zdrowia, prawa obywateli, zrównoważony rozwój),
• ustawy rządowe (prawo ochrony środowiska, prawo budowlane, prawo ochrony zdrowia, kodeks pracy, system oświaty),
• rozporządzenia resortowe służące realizacji ustaw (warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki, bhp w szkole, obowiązki i zakres uprawnień służb inspekcyjnych),
• zarządzenia resortowe zawierające szczegółowe wymagania (maksymalne wartości stężenia w powietrzu wewnętrznym zanieczyszczeń emitowanych przez materiały budowlane),
• normy uznawane rozporządzeniami resortowymi za obowiązkowe do stosowania,
• branżowe wytyczne postępowania (sprawdzone w praktyce metody działania, wiedza techniczna, dobra praktyka).

Ustanowione w Polsce akty prawne przewidują na przykład, że [1]:

• system oświaty zapewnia utrzymywanie bezpiecznych i higienicznych warunków nauki, wychowania i opieki w szkołach,
• system oświaty zapewnia upowszechnianie wiedzy ekologicznej wśród dzieci i młodzieży oraz kształtowanie właściwych postaw wobec problemów ochrony środowiska,
• dyrekcja placówki jest zobowiązana do zapewnienia uczniom oraz pracownikom bezpiecznych i higienicznych warunków pracy i nauki (ustawa o bhp w szkole),
• inspekcja pracy monitoruje proces przestrzegania prawa pracy w zakresie bezpieczeństwa i higieny pracy na podstawie listy opracowanej dla działu edukacja,
• inspekcja sanitarna powołana jest do realizacji zadań z zakresu zdrowia publicznego, w szczególności poprzez sprawowanie nadzoru nad warunkami higieny środowiska, higieny pracy w zakładach pracy, higieny radiacyjnej, higieny procesów nauczania i wychowania, higieny wypoczynku i rekreacji,
• inspekcja budowlana powołana jest do kontroli trybu projektowania, wykonawstwa i eksploatacji budynków.
   

Skala budownictwa edukacyjnego decyduje ponadto w znacznym stopniu o zużyciu energii potrzebnej w trakcie eksploatacji (ogrzewanie, ciepła woda, wentylacja, oświetlenie).

Jest to bardzo istotny aspekt problemu, który w szczególny sposób wpływa na wybór proponowanych rozwiązań. Wynika stąd stałe poszukiwanie możliwości minimalizowania zapotrzebowania na energię, które powinno być podporządkowane podstawowemu celowi, jakim jest zapewnienie akceptowalnego ze względów zdrowotnych stanu jakości powietrza w budynkach edukacyjnych.

W Polsce niestety nie są na ogół dostrzegane relacje między obowiązkiem dbałości o zapewnienie warunków koniecznych dla zdrowia i dobrego samopoczucia przebywających w pomieszczeniach uczniów a egzekwowaną przez prawa rynkowe koniecznością ograniczania kosztów inwestycyjnych stosowanych urządzeń technicznych oraz zużycia energii potrzebnej do funkcjonowania.

Poszukiwanie wszelkich możliwości ograniczenia kosztów przesłania na ogół cel podstawowy, jakim powinno być zapewnienie warunków środowiska wewnętrznego sprzyjających jak najlepszej percepcji wiedzy. Nie jest to jednak czynnik wymierny finansowo, w związku z czym przegrywa najczęściej w kalkulacjach ekonomicznych.

Opis budynku

W Polsce można znaleźć szkoły, których dyrekcji zależy na dobrej jakości powietrza, jakim oddychają uczniowie. Jednak w większości przypadków takie działania realizowane są tylko wtedy, gdy w szkole pojawiają się syndromy chorego budynku. Dlatego z dużym zainteresowaniem przeprowadzono pomiary jakości powietrza w budynku edukacyjnym wybudowanym przed II wojną światową.

• Pierwotny układ ogrzewania i wentylacji wykorzystywał w budynku niskociśnieniowy system parowy.
• Grzejniki wykonane z gładkich rur zamontowano pod tablicami.
• Powietrze wentylacyjne doprowadzano do klas z wykorzystaniem kanałów nawiewnych i krat zlokalizowanych za grzejnikami.
• Zużyte powietrze usuwane było do przestrzeni stropodachu kanałami wywiewnymi.
• Przepływ generowany był poprzez siły wyporu termicznego.
• Poprawnej pracy układu sprzyjały znaczne wymiary kanałów i krat nawiewnych/wywiewnych oraz spora wysokość budynku.
• Kraty miały mechanizm żaluzji umożliwiający zmianę wielkości strumienia przepływającego powietrza.

Stan układu ogrzewania i wentylacji (przed modernizacją) w trakcie eksploatacji ulegał znacznym zmianom.

• Obecnie budynek ogrzewany jest z wykorzystaniem grzejników wodnych, źródłem ciepła jest kocioł gazowy.
• Podczas zmian aranżacji pomieszczeń (np. poprzez wykonanie otworowania pod nowe drzwi) przerywano pierwotny przebieg kanałów wentylacyjnych.
• Zamurowano większość krat wywiewnych, wymieniono okna na wykonane z tworzywa sztucznego, bez nawiewników szczelinowych.
• Jedynym sposobem napływu powietrza do pomieszczeń był dopływ przez nieszczelności lub świadome rozszczelnienie stolarki okiennej.

W przerwach pomiędzy lekcjami sale szkolne były wietrzone poprzez otwarcie okien, ale ze względu na hałas uliczny nie otwierano okien podczas prowadzonych lekcji.

Po przeprowadzonej inwentaryzacji budowlano-instalacyjnej zaproponowano rozwiązania mające na celu poprawę stanu jakości powietrza wewnętrznego w tym budynku edukacyjnym. W ramach koncepcji modernizacji układu wentylacji przeanalizowano cztery rozwiązania:

1.  wentylacja mechaniczna nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła,
2. wentylacja hybrydowa z odzyskiem ciepła,
3. wentylacja grawitacyjna wywiewna kanałowa z nawiewnikami szczelinowymi okiennymi, z opcją wentylatorów hybrydowych,
4. wentylacja grawitacyjna wywiewna kanałowa z napływem powietrza przez nieszczelności (rozszczelnienie) stolarki okiennej, z opcją wentylatorów hybrydowych.

Przy analizowaniu wariantów uwzględniono przede wszystkim:

• możliwość poprawy jakości powietrza wewnętrznego w salach lekcyjnych,
• poprawę efektywności energetycznej budynku poprzez zmniejszenie kosztów eksploatacji,
• aspekty związane z ochroną zabytków,
• koszty inwestycyjne modernizacji.
   

Ze względu na ograniczenia finansowe dyrekcja zdecydowała się na wybór rozwiązania najmniej obciążającego budżet szkoły, czyli rozwiązania 4.

Zrezygnowano z montażu wentylatorów hybrydowych.

Sformułowano następujące wytyczne wykonawcze i eksploatacyjne:

• dopływ powietrza przez nieszczelności w stolarce okiennej oraz ręczne rozszczelnianie okien w okresach zwiększonego zapotrzebowania,
• zalecane krótkie, lecz intensywne wietrzenie sal podczas przerwy,
• powietrze usuwane z pomieszczeń z wykorzystaniem istniejących kanałów wentylacyjnych wywiewnych,
• wykonanie otworowania zamurowanych otworów w celu połączenia sali z prowadzonym w ścianie kanałem wywiewnym, a następnie uzbrojenie otworu kratą wywiewną z przepustnicą sterowaną ręcznie z poziomu pomieszczenia,
• powietrze odprowadzane kanałami wywiewnymi na poziom poddasza,
• konieczność przeprowadzenia szkolenia dla nauczycieli z zakresu obsługi instalacji wentylacyjnej.

Badania jakości powietrza w budynku szkoły

• W celu oceny przeprowadzonej w budynku edukacyjnym modernizacji systemu wentylacyjnego wykonano badania fizycznej i mikrobiologicznej jakości powietrza przed i po jej przeprowadzeniu.
• Modernizację instalacji wentylacyjnej zgodnie z zaleceniami zrealizowano w szkole w 2013 roku.
• Pierwsza seria badawcza obejmowała pomiary fizycznej jakości powietrza 11–14 grudnia 2012 r., a druga seria 24–28 listopada 2014 r.
• Pomiar liczebności mikroorganizmów w 1 m³ powietrza atmosferycznego wykonano 11.12.2012 (stan przed), a stanu po 26.11.2014.
• Pomiary realizowano w trzech wybranych salach dydaktycznych oraz na dworze, w otoczeniu budynku.
• Wyniki badań odniesiono do normy PN-EN 15251:2012 [2].

Metodyka pomiarów

Pierwsza seria badawcza obejmowała pomiary fizycznej jakości powietrza w czterech dniach lekcyjnych – od wtorku do piątku, a druga – od poniedziałku rano do piątku po południu.

Pomiary realizowane były w odstępach dwuminutowych.

Ze względu na charakter zajęć prowadzonych w salach lekcyjnych na wykresach porównano zmienność w tych samych dniach tygodnia.

Pomiary realizowano w trzech reprezentatywnych salach lekcyjnych:

• 01 – sala dzieci w wieku przedszkolnym,
• 22 – klasa podstawówki
• i 31 – klasa gimnazjalna.

Wyniki badań fizycznej jakości powietrza i ich omówienie

Na podstawie uzyskanych wyników badań zmienności temperatury powietrza można stwierdzić, że (rys. 1a, rys. 1b i rys. 1c):

• przed i po przeprowadzonym usprawnieniu temperatura w pomieszczeniach utrzymywana była na wymaganym poziomie,
• zauważalny jest wzrost temperatury w pomieszczeniu podczas prowadzonych lekcji,
• szczególnie w sali z dziećmi w wieku przedszkolnym (pom. 01) zauważalne są wahania temperatury wewnętrznej ze względu na częste przewietrzanie sali.

Analiza zmienności wilgotności względnej powietrza po przeprowadzonym usprawnieniu we wszystkich pomieszczeniach wykazała, że wzrosła ona o ok. 13%. Średnia wilgotność utrzymywała się na poziomie:

• ok. 49,1% w sali 31,
• 42,9% w sali 22
• i 39,5% w sali 01,

co mieści się w wymaganiach dla okresu grzewczego.

Na podstawie uzyskanych wyników badań zmienności stężenia dwutlenku węgla można stwierdzić, że:

• dla pomieszczenia 31 (rys. 2a), które charakteryzuje się najbardziej niekorzystnymi wskaźnikami powierzchniowo/kubaturowymi odniesionymi do jednego ucznia:
  – w sali często występuje stężenie dwutlenku węgla na poziomie 2000 ppm, okresowo nawet 2500–3000 ppm,
  – dla obniżenia zaduchu występującego po zajęciach sala jest często wietrzona,
  – warunki panujące w sali są niekorzystne;

• dla pomieszczenia 22 (rys. 2b), które ma najkorzystniejszy wskaźnik powierzchniowy odniesiony do jednego ucznia:
  – podczas zajęć utrzymuje się stężenie CO₂ na poziomie 1000–1500 ppm,
  – przekraczana jest granica dobrego komfortu (1000 ppm), jednak wartość 1500 ppm jest niekiedy (np. w Niemczech) traktowana jako górna granica warunków komfortowych w szkołach,
  – sala wietrzona jest stosunkowo rzadko, co świadczy o naturalnym przepływie powietrza przez nieszczelności okienne, pokrywającym w znacznej mierze zapotrzebowanie,
  – warunki panujące w sali w okresie pomiarowym można zatem uznać za zbliżone do warunków dobrego komfortu;

• dla pomieszczenia 01 (rys. 2c), dla którego wskaźnik powierzchniowy odniesiony do jednego ucznia jest zbliżony do pomieszczenia 22, ale w sali przebywają dzieci przedszkolne:
  – przy intensywnym ruchu (nie tylko praca siedząca, jak w przypadku sali 22) emisja zanieczyszczeń, w tym dwutlenku węgla, jest większa,
  – w sali utrzymuje się stężenie zbliżone do 1500 ppm, jednak występują okresy z przekroczeniami sięgającymi 2000, a nawet 2500 ppm.

Pomiary mikrobiologicznej jakości powietrza

Metodyka pomiarów

Pierwsza seria badawcza wykonana 11.12.2012 r. dotyczyła wyjściowego pomiaru liczebności mikroorganizmów w 1 m³ powietrza atmosferycznego, natomiast druga seria, wykonana 26.11.2014 r., służyła do porównania wyników po modernizacji systemu wentylacyjnego w budynku.

Podczas badań analizowano zgodnie z Polskimi Normami (PN-89/Z-04111/01 [3], PN-89/Z-04111/02 [4], PN-89/Z-04111/03 [5], PN-89/Z-04008/08 [6]) ogólną liczebność bakterii mezofilnych (M), psychrofilnych (P), gronkowców (Staphylococcus) mannitolododatnich typ a (M+), gronkowców mannitoloujemnych typ b (M-), promieniowców Actinobacteria (Pr), Pseudomonas fluorescens (Pf) oraz grzybów mikroskopowych hodowanych na pożywce Waksmana (GW) i Czapek–Doxa (GCD).

• Pobór próbek powietrza prowadzono metodą aspiracyjną za pomocą mikrobiologicznego próbnika powietrza MAS 100-Eco.
• Na każdym stanowisku badawczym pobierano od 25 do 100 dm³ powietrza na standardowe płytki Petriego o średnicy 9 cm, na których znajdowała się zestalona pożywka, zalecana wg PN dla danej grupy mikroorganizmów.
• W badaniach mikrobiologicznych analizowano stopień zanieczyszczenia powietrza w trzech salach lekcyjnych oraz na dworze, w środowisku zewnętrznym (tło badań).
• Pobór próbek powietrza odbywał się rano, przed lekcjami (w godz. od 7.00 do 8.30) oraz po południu, po zajęciach lekcyjnych (od 15.00 do 16.30).

W tab. 1 zestawiono oznaczenie próbek mikrobiologicznych.

Po poborze próbek powietrza płytki umieszczano w termostacie na określony czas hodowli, a następnie zliczano wyrosłe kolonie bakterii i grzybów mikroskopowych.

Uzyskane wyniki badań korygowano zgodnie z tabelą przeliczeniową wg Fellera, a ostateczny wynik podawano jako jtk/1 m3 powietrza. Do badań stosowano pożywki i warunki hodowli podane w tab. 2.

Ocenę czystości/zanieczyszczenia powietrza bakteriami przeprowadzano zgodnie z wytycznymi PN-89/Z-04111/02 [4], natomiast grzybami wg PN-89/Z-04111/03 [5].

• Na podstawie uzyskanych wyników badań bakterii i grzybów mikroskopowych można stwierdzić, że:

• w obu seriach badawczych większą liczebność mikroorganizmów odnotowano w salach po lekcjach, natomiast w środowisku zewnętrznym zauważono wahania liczebności drobnoustrojów w różnych terminach poboru,
• największe koncentracje drobnoustrojów występowały wśród bakterii mezofilnych (rys. 3 – od 240 do 8320 jtk/1m3) i psychrofilnych (rys. 4 – od 40 do 6920 jtk/1m³),

• wśród gronkowców liczniejsze były gronkowce mannitoloujemne (GM–), których stężenie po zajęciach lekcyjnych ulegało znacznemu zwiększeniu (do 2030 jtk/m³ – rys. 5),liczebność promieniowców (Actinobacteria) była niewielka (0–30 jtk/m3), ale zwykle po lekcjach było ich więcej niż przed lekcjami (rys. 6),

• bakterie Pseudomonas fluorescens hodowane w 4°C nie występowały na żadnym stanowisku, a hodowane w 26°C należały do mikroorganizmów najrzadziej spotykanych (rys. 6),

• liczebność grzybów mikroskopowych ulegała znacznym wahaniom, od 40 do 1800 jtk/m3 powietrza, a ich stężenie wskazywało na przeciętnie czyste (ok. 3000 jtk/m3) powietrze atmosferyczne(rys. 7 i rys. 8),
• analizując rodzaj pomieszczenia, największe zanieczyszczenie powietrza występowało zazwyczaj w sali 01 (przedszkole), natomiast czystsze pod względem mikrobiologicznym było naprzemiennie pomieszczenie 22 lub 31. Zwykle rano, przed lekcjami, mniejsze zanieczyszczenie powietrza stwierdzano w sali 22, natomiast po południu, po lekcjach, pomieszczenie to było często silnie zanieczyszczone różnymi grupami drobnoustrojów,
• mimo że w badanych salach zainstalowano system wentylacji, nie odnotowano wyraźnej poprawy jakości powietrza pod względem mikrobiologicznym. W wielu przypadkach jakość powietrza po remoncie była gorsza niż przed zainstalowaniem systemu wentylacyjnego. Można zatem przypuszczać, że na stan mikrobiologicznego zanieczyszczenia powietrza w poszczególnych pomieszczeniach wpływa m.in. stan zdrowia ich użytkowników, sposób i efektywność sprzątania sal lekcyjnych, a także stosunkowo mało efektywna wymiana powietrza,
• biorąc pod uwagę Polskie Normy omawiające mikrobiologiczną jakość powietrza, można stwierdzić, że zwłaszcza po lekcjach powietrze było silnie zanieczyszczone pod względem wybranych grup bakterii, natomiast pomimo obecności grzybów mikroskopowych powietrze nie było zanieczyszczone tymi drobnoustrojami.

Wnioski

Podczas badań parametrów fizycznych i mikrobiologicznych powietrza w salach lekcyjnych przed i po remoncie stwierdzono brak wyraźnej poprawy lub wręcz pogorszenie jakości powietrza po modernizacji systemu wentylacyjnego.

Pomimo przekazania dyrekcji szkoły szczegółowych zaleceń dotyczących eks­ploatacji nie udało się uzyskać zadowalającego poziomu jakości powietrza. Może to wynikać z faktu, że szkoła dysponowała ograniczonym budżetem na realizację zadania. Potwierdza to tezę, że działania połowiczne nie tylko nie przynoszą oczekiwanej korzyści, tutaj w postaci poprawy jakości powietrza w budynku, ale mogą mieć wpływ na pogorszenie sytuacji.

Należy jednak pamiętać, że na stan fizycznego i mikrobiologicznego zanieczyszczenia powietrza w budynku (salach lekcyjnych) wpływają m.in.:

• stan zdrowotny użytkowników pomieszczeń,
• liczba osób przebywających w pomieszczeniach,
• częstotliwość wietrzenia pomieszczeń przez bezpośrednie otwieranie i rozszczelnianie okien,
• sposób i efektywność sprzątania sal lekcyjnych,
• brak przestrzegania przez nauczycieli podstawowych zasad obsługi instalacji wentylacyjnej (krótkie, ale intensywne wietrzenie sal podczas przerw lekcyjnych).

Główna przyczyna leży jednak po stronie świadomego ograniczania wentylacji pomieszczeń w celu obniżenia kosztów ogrzewania budynku. Dyrekcja szkoły nie zdecydowała się na wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła czy chociażby szczelinowe nawiewniki okienne. Udrożnienie kanałów wywiewnych przy dotychczasowym rozwiązaniu napływu powietrza (przez nieszczelności stolarki okiennej – brak np. nawiewników szczelinowych) nie prowadzi do poprawy jakości powietrza, gdyż o przepływie decyduje element o najwyższym oporze przepływu (nieszczelności stolarki). Bez prawidłowego doprowadzenia odpowiedniej ilości świeżego (czystego) powietrza zewnętrznego przeprowadzona modernizacja i poprawa układu wywiewnego nie skutkuje polepszeniem jakości powietrza wewnętrznego. Stosowane przed II wojną światową rozwiązanie pod względem technicznym jak i ekologicznym wyprzedzało rozwiązania wentylacji naturalnej stosowane obecnie w budynkach edukacyjnych i znakomicie wpisywało się w definicję przeznaczoną dla budynków o niskim zużyciu energii – wentylacji hybrydowej – której zasady opracowano w ostatnich 20 latach.

Literatura

1.  Szczechowiak E., Górzeński R., Szymański M., Opinia techniczna dotycząca jakości powietrza wewnętrznego i komfortu cieplnego w pomieszczeniach Przedszkola nr (…) w Poznaniu, opinia niepublikowana, Poznań 2012.
2. PN-EN 15251:2012 Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie i akustykę.
3.  PN-89/Z-04111/01:1989 Ochrona czystości powietrza. Badania mikrobiologiczne. Postanowienia ogólne i zakres normy.
4. PN-89/Z-04111/02:1989 Ochrona czystości powietrza. Badania mikrobiologiczne. Oznaczanie liczby bakterii w powietrzu atmosferycznym (imisja) przy pobieraniu próbek metodą aspiracyjną i sedymentacyjną.
5. PN-89/Z-04111/03:1989 Ochrona czystości powietrza. Badania mikrobiologiczne. Oznaczanie liczby grzybów mikroskopowych w powietrzu atmosferycznym (imisja) przy pobieraniu próbek metodą aspiracyjną i sedymentacyjną.
6.  PN-89/Z-04008/08:1989 Ochrona czystości powietrza. Pobieranie próbek. Pobieranie próbek powietrza atmosferycznego (imisja) do badań mikrobiologicznych metodą aspiracyjną i sedymentacyjną.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!