Wentylacja placówek dydaktyczno-edukacyjnych - Przegląd wybranych polskich i zagranicznych wymagań dotyczących strumienia powietrza i stężenia CO2

Celem stosowania instalacji wentylacji i ogrzewania pomieszczeń jest zapewnienie wysokiej jakości środowiska wewnętrznego, a więc odpowiedniej temperatury, wilgotności względnej, prędkości oraz czystości powietrza w pomieszczeniu. Najczęściej odbywa się to za pomocą dwóch osobnych systemów, z których istotne znaczenie ma wentylacja, szczególnie w przypadku placówek dydaktyczno-edukacyjnych. Nieodpowiednia ilość świeżego powietrza może powodować uczucie duszności i bóle głowy, a w konsekwencji obniżać koncentrację i efektywność przyswajania wiedzy. Utrzymanie odpowiedniej jakości powietrza w pomieszczeniach szkolnych i przedszkolnych uznaje się za czynnik wpływający na poprawę wyników nauczania uczniów. W literaturze znaleźć można wiele badań, których wyniki tego dowodzą. Przegląd tych badań można znaleźć w artykule [1].

W trakcie projektowania instalacji wentylacyjnej istotne jest przestrzeganie wymagań określonych w normach i rozporządzeniach, ale również zwrócenie uwagi na dobre praktyki, w tym stosowane w innych krajach. W artykule przedstawiono wybrane wymagania przepisów polskich i zagranicznych dotyczące strumienia powietrza i stężenia dwutlenku węgla.

Wymagania dotyczące strumienia powietrza wentylacyjnego

Wymagania polskie

Według normy PN-B-03430 [2] w pomieszczeniach budynków użyteczności publicznej przeznaczonych do stałego i czasowego pobytu ludzi wymagany strumień objętości powietrza zewnętrznego powinien wynosić co najmniej 20 m³/(h · os). Natomiast w przypadku pomieszczeń w przedszkolach oraz żłobkach, w których przebywają dzieci, norma dopuszcza obniżenie strumienia objętości powietrza do 15 m³/h dla każdego dziecka. Należy zwrócić uwagę, że w pomieszczeniach tych przebywają także osoby dorosłe sprawujące opiekę nad dziećmi, dla których strumień należy obliczać jako 20 m³/(h · os). Norma [2] zastrzega również konieczność obliczeń strumienia powietrza wentylacyjnego dla pomieszczeń, w których występują źródła zanieczyszczeń powietrza inne niż od ludzi, na podstawie odrębnych wymagań. Dodatkowo warunki techniczne [3] w oparciu o normę [2] podają, że strumień powietrza wentylacyjnego, jaki musi być doprowadzany do budynków, w tym żłobków, jako kompensacja wentylacji grawitacyjnej może się odbywać w wielkości jedynie do dwóch wymian na godzinę. W budynkach przedszkolnych i szkolnych zwiększono tę wartość do trzech wymian na godzinę. W przypadku gdy obliczeniowy strumień wentylacyjny jest większy, w budynku należy stosować wentylację mechaniczną. Natomiast rozporządzenie w sprawie wymagań lokalowych i sanitarnych, jakie musi spełniać lokal, w którym ma być prowadzony żłobek [4], narzuca obowiązek wietrzenia pomieszczeń przeznaczonych na pobyt dzieci przynajmniej cztery razy w ciągu doby przez czas nie krótszy niż 10 minut (w przypadku braku wyżej wymienionych instalacji). Strumień powietrza wentylacyjnego ustala się również w zależności m.in. od umeblowania pomieszczenia, emisji zanieczyszczeń, liczby osób w budynku czy jakości powietrza, co zostało omówione w „Rynku Instalacyjnym” 5/2016 [5], na podstawie norm PN-EN 13779 [6] i PN-EN 15251 [7]. Normy te nie są obowiązujące, ponieważ nie zostały powołane w żadnym akcie prawnym, ale przedstawiają zalecenia, którymi można się kierować.

Według normy PN-EN 15251 [7] jeżeli zanieczyszczenie pomieszczenia jest wysokie (kategoria I) i wynika jedynie z obecności ludzi, to wymagany strumień powietrza wynosi 36 m³/(h · os), tj. 10 l/(s · os), w przypadku średniego zanieczyszczenia (kategoria II) – 25,2 m³/(h · os), tj. 7 l/(s · os), a gdy poziom zanieczyszczenia jest niski (kategoria III) – 14,4 m³/(h · m²), tj. 4 l/(s · os). W razie uwzględniania wyposażenia pomieszczenia należy dodatkowo wziąć pod uwagę strumienie odpowiednio dla kategorii I: 1,8–7,2 m³/(h · m²), tj. 0,5–2 l/(s · m²), kategorii II: 1,26–5,04 m³/(h · m²), tj. 0,35–1,4 l/(s · m²), oraz kategorii III: 1,08–2,88 m³/(h.m²), tj. 0,3–08 l/(s · m²). Podane zakresy dotyczą odpowiednio pomieszczeń z materiałami o wysokim i bardzo niskim zanieczyszczeniu.

Wymagania zagraniczne

Jednym z zagranicznych przepisów określających minimalną ilość powietrza zewnętrznego jest norma niemiecka DIN 1946 cz. 2 omówiona w [8], w której dla szkół określono wymaganą minimalną ilość powietrza zewnętrznego wynoszącą 30 m³/(h · os) lub 4–5 wymian powietrza w ciągu godziny, z uwzględnieniem jedynie ludzi lub wyposażenia pomieszczenia. Natomiast w artykule [9] autor powołuje się na raport CEN, zgodnie z którymi w przypadku budynków niemieszkalnych całkowity strumień powietrza wentylacyjnego dostarczanego do pomieszczenia określa się jako sumę minimalnego strumienia powietrza ustalanego ze względu na liczbę osób w pomieszczeniu, a także ze względu na obciążenie zanieczyszczeniami od pomieszczenia. W CEN 1752, opisanym w [10], określono wymagane strumienie powietrza w zależności od obciążenia zanieczyszczeniem w trzech kategoriach. Wytyczne przedstawione w raporcie zostały uwzględnione w normie PN-EN 12521:2012 [7].

Z kolei wytyczne stosowane w Anglii i Walii [11] zalecają stosowanie wentylacji mechanicznej, która powinna zapewniać zewnętrzne zasilanie powietrzem wszystkich pomieszczeń edukacyjnych przy minimalnej ilości 18 m³/(h · os), tj. 5 l/(s · os), przez cały czas, a także zdolność osiągnięcia minimum 28,8 m³/(h · os), tj. 8 l/(s · os), w każdej chwili. Przepisy te dopuszczają również stosowanie wentylacji naturalnej, ale przy założeniu, że spełnione zostaną wymagania w zakresie doprowadzania strumienia powietrza zewnętrznego do każdej klasy w ilości:

• minimum 10,8 m³/(h · os), tj. 3 l/(s · os),

• średniej wartości dziennej 18 m³/(h · os), tj. 5 l/(s · os),

• możliwego doprowadzenia maksymalnego strumienia powietrza 28,8 m³/(h · os), tj. 8 l/(s · os) w dowolnym momencie.

W amerykańskich wytycznych ASHRAE 61.1 [12] znaleźć można szczegółowe dane dotyczące wymaganego strumienia powietrza zewnętrznego. Projektowany strumień jest sumą strumienia przypadającego na jedną osobę przebywającą w pomieszczeniu i związanego z aktywnością ludzi oraz strumienia związanego z materiałami budowlanymi i wyposażeniem pomieszczenia, obliczanego  w zależności od jego powierzchni. Wytyczne przedstawiono dla dużej liczby różnych pomieszczeń, spośród których wybrano:

• pomieszczenia żłobkowe (dla dzieci do 4 lat) − 18 m³/(h · os), tj. 5 l/(s · os), oraz 3,2 m³/(h · m²), tj. 0,9 l/(s · m²),

• klasy (dla dzieci w wieku 5–8 lat) − 18 m³/(h · os), tj. 5 l/(s · os), oraz 3,2 m³/(h · m²), tj. 0,9 l/(s · m²),

• klasy (dla dzieci w wieku od 9 lat) − 18 m³/(h · os), tj. 5 l/(s · os), oraz 2,2 m³/(h · m²), tj. 0,6 l/(s · m²),

• sale wykładowe − 13,4 m³/(h · os), tj. (3,7 l/(s · os) oraz 1,1 m³/(h · m²), tj. 0,3 l/(s · m²).

W Danii natomiast przepisy (BR10) [13] mówią, że wszystkie budynki muszą być wentylowane poprzez stosowanie wentylacji mechanicznej, naturalnej lub hybrydowej, natomiast budynki niemieszkalne muszą być wyposażone w wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła. W budynkach dydaktycznych strumień powietrza świeżego musi wynosić dla każdego dziecka 10,8 m³/(h · os), tj. 3 l/(s · os), a dla osoby dorosłej 18 m³/(h · os), tj. 5 l/(s · os). Dodatkowo należy uwzględnić strumień wynikający z powierzchni pomieszczenia i wynoszący minimum 1,26 m3/(h · m²), tj. 0,35 l/(s · m²). We Francji zgodnie z Règlement Sanitaire Départemental Type (RSDTYP) wymagany strumień powietrza powinien wynosić w przypadku przedszkoli i szkół podstawowych 15 m³/(h · os), natomiast dla liceów 18 m³/(h · os) [22]. W artykule [22] wspomniano również o przepisach portugalskich, gdzie zgodnie z RSECE Dec-Lei 79/2006 strumień powietrza powinien wynosić 30 m³/(h · os), oraz Finlandii (Finnish Building Code, Part D2, Indoor Climate and Ventilation, Requirements and Guidelines 2003), gdzie strumień ten powinien wynosić 21,6 m³/(h · os).

Z kolei w [14] zwrócono uwagę na sytuację w Hongkongu, gdzie zła jakość powietrza zewnętrznego oraz hałas skłaniają szkoły do przekształcania naturalnie wentylowanych sal lekcyjnych w sale klimatyzowane. Porównanie wymagań w zakresie strumienia powietrza w Polsce i innych krajach przedstawiono w tabeli 1.

Wymagania w zakresie kontroli stężenia dwutlenku węgla

Według wyników badań dotyczących wpływu dwutlenku węgla CO₂ na dzieci i uczniów [1], w których autorzy udowodnili, że podwyższone stężenie wpływa negatywnie na przyswajanie wiedzy, przy projektowaniu wentylacji szczególną uwagę należy zwrócić na kontrolowanie tego stężenia. Badaniom poddawane były różne grupy studentów i uczniów. Analizowano wyniki uzyskiwane w testach (matematycznych, czytanie ze zrozumieniem itp.) przy kontrolowanym stężeniu dwutlenku węgla w zakresie 600–5000 ppm (w zależności od badania). Wszyscy badacze są zgodni, że przy stężeniach powyżej 2000–3000 ppm wyniki uzyskiwane przez uczniów są znacząco gorsze w porównaniu do wyników uzyskanych przy stężeniach w pomieszczeniu poniżej tych wartości. Autorzy [1] na podstawie własnego przeglądu wyszczególnili skutki, jakie niesie za sobą określone stężenie dwutlenku węgla:

• 1000 ppm − minimum higieniczne,

• 5000 ppm − poczucie zmęczenia, dys­kom­fort,

• 15 000 ppm − zaburzenia oddychania,

• 30 000 ppm − zawroty, bóle głowy,

• 50 000 ppm − utrudnione oddychanie, zaburzenia widzenia,

• 100 000 ppm − utrata przytomności.

Biorąc pod uwagę badania dotyczące wyników w nauce w korelacji ze stężeniem dwutlenku węgla oraz znając skutki podwyższonego stężenia CO₂, wydaje się, że parametr ten jest bardzo istotny dla budynków dydaktycznych i edukacyjnych, a nie zawsze jest on normowany.

Wymagania polskie

Zgodnie z polskim ustawodawstwem zanieczyszczeniem powietrza w kontekście oddziaływania na zdrowie człowieka określa się substancje, których stężenie przekracza dopuszczalne wartości. Jednym z głównych zanieczyszczeń w obiektach edukacyjno-dydaktycznych jest dwutlenek węgla (CO₂). W polskim prawie, jak wskazano w [15], dopuszczalne progi stężeń CO₂ określone są jedynie w rozporządzeniu w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [16] odnośnie do najwyższych dopuszczalnych stężeń w środowisku pracy, które podaje NDS = 27 000 mg/m³ (4650 ppm).

Jest to wartość wynikająca z oceny potencjalnego szkodliwego oddziaływania CO₂ na zdrowie osób przebywających w takich warunkach. Biorąc pod uwagę, że przy takim stężeniu ludzie odczuwają zmęczenie, a uczniowie mają pogorszoną percepcję przekazywanych informacji oraz osiągają gorsze wyniki w nauce, jest to zdecydowanie zbyt wysoka wartość i nie należy jej traktować jako wymaganej. W rozporządzeniu [16] podano również, że wartość chwilowa może wynosić nawet trzy razy więcej.

W Polsce nie ma obowiązujących przepisów dotyczących jakości powietrza w zakresie utrzymywania stężenia dwutlenku węgla na niskim poziomie. Dwutlenek węgla może być traktowany jako wskaźnik jakości powietrza. Jego podwyższone stężenie może być skorelowane z odczuciami zapachowymi przy wchodzeniu do pomieszczenia, a wynika z biozanieczyszczeń związanych z metabolizmem. Teoretycznie odpowiednie stężenie CO₂ ma zapewnić zaprojektowanie właściwego strumienia powietrza zewnętrznego dostarczanego do pomieszczenia. Jednak istnieją badania, których wyniki pokazują, że szczególnie w przypadku wentylacji naturalnej stężenie CO₂ jest przekraczane [17, 18, 19, 20]. W zakresie polskich wymagań można się powoływać na dobre praktyki zalecane w normie PN-EN 13779 [7]. Określa ona, że do projektowania strumienia powietrza w odniesieniu do planowanego poziomu jego jakości można wykorzystać wartości podane w tabeli 2.

Wymagania zagraniczne

Pierwsze wytyczne w zakresie jakości powietrza związane z dwutlenkiem węgla pojawiły się już pod koniec XIX wieku. Stężenie, które do teraz uznaje się za odpowiadające właściwiej jakości powietrza, wynosi 1000 ppm. Racjonalny poziom stężenia CO₂, który jest zgodny z badaniami naukowymi, wskazuje raport CEN 1752 [10] − powinien być on utrzymywany na poziomie 1000 ppm. Również amerykańskie wytyczne ASHRAE [12] oraz duńskie BR10 [13] jako wartość określającą właściwe stężenie dwutlenku węgla podają 1000 ppm. Natomiast norma niemiecka DIN 1946-2 [21] określa jako wartość graniczną 1500 ppm, co obecnie uznawane jest za wartość maksymalną przy ocenie oddziaływania CO₂ na samopoczucie osób przebywających w pomieszczeniu.

W Wielkiej Brytanii od roku 2006 do chwili obecnej realizowany jest program odbudowy i odnowy szkół średnich. W celu jego wsparcia opracowano wytyczne projektowe – Building Bulletin 101 ‚Ventilation” i „School Buildings’ (BB101) [11] – według których stężenie CO₂ jest głównym wskaźnikiem wydajności dla oceny jakości powietrza w pomieszczeniach lekcyjnych i wentylacji w szkołach. Zalecany przez wytyczne standard wydajności instalacji wentylacyjnej określany jest w odniesieniu do stężenia dwutlenku węgla następująco:

• średnie stężenie CO₂ nie powinno przekraczać 1500 ppm w czasie przebywania w pomieszczeniu osób,

• maksymalne stężenie CO₂ nie powinno przekraczać 5000 ppm w trakcie dnia lekcyjnego,

• w czasie przebywania w pomieszczeniach użytkownicy powinni mieć możliwość zmniejszenia stężenia CO₂ do 1000 ppm (np. przez otwieranie okien).

Omówione wartości stężeń progowych dla Polski i innych krajów przedstawia rys. 1. Pokazuje on, że wymagania w zakresie utrzymywania stężenia dwutlenku węgla różnią się znacząco. Analizując wyniki, należy zaznaczyć, że wysokie wartości podawane w polskim prawie (4650 ppm) nie są wartościami zalecanymi, ale jedynie maksymalnymi, których nie można przekraczać w warunkach pracy. W żadnym przypadku stężenie to nie może być wyższe niż 5000 ppm. Wyższa wartość stężenia powoduje poczucie zmęczenia oraz dyskomfort, co jest szczególnie istotnym czynnikiem wpływającym na jakość przyswajania wiedzy. Zarówno raport CEN, jak i standardy amerykańskie oraz duńskie dopuszczają wartość wynikającą z minimum higienicznego – 1000 ppm.

Podsumowanie

W przypadku placówek edukacyjnych omówione w artykule kraje, poza Danią, dopuszczają stosowanie zarówno wentylacji mechanicznej, jak i naturalnej. W Polsce ograniczeniem dla stosowania wentylacji grawitacyjnej jest wielkość obliczeniowego strumienia powierza: do trzech wymian na godzinę dla szkół i przedszkoli oraz do dwóch wymian na godzinę dla żłobków. Przy większym obliczeniowym strumieniu powietrza konieczne jest stosowanie wentylacji mechanicznej. Natomiast wszystkie przepisy podają, że konieczne jest spełnienie przez te systemy wymagań stawianych w normach i przepisach.

Porównując wymagania polskie z obowiązującymi w Niemczech, Anglii i Walii oraz Ameryce, można zauważyć, że w państwach tych wymagane strumienie minimalne są wyższe. Różnica ta nie jest duża, wynosi 3 m³/(h · os). Dania jako jedyna spośród przedstawionych państw wprowadza konieczność stosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Umożliwia to skuteczną kontrolę strumieni i choć wymagania minimalne dla każdego dziecka są stosunkowo niskie w porównaniu z pozostałymi państwami (10,8 m³/(h · os)), to zastosowanie tego systemu pozwala na dostosowanie strumienia do aktualnie panujących warunków w pomieszczeniu i zapewnia, że taki strumień powietrza na pewno zostanie dostarczony do pomieszczenia, czego nie można stwierdzić w przypadku wentylacji naturalnej. Projektowany strumień powietrza zewnętrznego ma istotny wpływ na wartość stężenia CO­­₂ w pomieszczeniach. Powołane w artykule badania pokazują, jak istotny jest wpływ wysokiego stężenia dwutlenku węgla na efektywność edukacji. Jeśli ponownie porównamy wymagania krajowe z zagranicznymi, Polska nie wypada korzystnie z uwagi na brak odpowiednich przepisów. Rozporządzenie w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń [16] podaje wartość maksymalną 4650 ppm, znacznie wyższą od wartości przedstawianych w literaturze obcojęzycznej.

Można odnieść się do normy PN-EN 13779 [7], ale podstawowym przepisem w tym zakresie jest norma wentylacyjna PN-B-03430 [2], która nie definiuje maksymalnego stężenia dwutlenku węgla. Aby zapewnić komfort nauki, należy przestrzegać zalecanego progu stężeń 1000 ppm wynikającego z minimum higienicznego, dla którego zgodnie ze wspomnianą normą [7] jakość powietrza określana jest jako umiarkowana. Istotny wpływ CO₂ na jakość powietrza wewnętrznego dostrzeżono głównie w Wielkiej Brytanii, gdzie uznając to zanieczyszczenie za główny wskaźnik oceny jakości powietrza, opracowano wytyczne projektowe dotyczące wentylacji.

Przy zastosowaniu się do przepisów w zakresie doprowadzania odpowiedniego, wymaganego przepisami strumienia powietrza świeżego, stężenie dwutlenku węgla będzie spełniało wymagania dotyczące nieprzekraczania 1000 ppm, ale dopuszczenie stosowania wentylacji grawitacyjnej niestety tego nie gwarantuje.

Literatura

1. Murkowski A., Skórska E., Czy zwiększona zawartość dwutlenku węgla w powietrzu ma wpływ na sprawność intelektualną człowieka?, „Kosmos – Problemy Nauk Biologicznych” nr 4 (313)/2016, Polskie Towarzystwo Przyrodników im. Kopernika.

2. PN-B-03430:1983/Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.

3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).

4. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 10 lipca 2014 r. w sprawie wymagań lokalowych i sanitarnych, jakie musi spełniać lokal, w którym ma być prowadzony żłobek lub klub dziecięcy (DzU 2014, poz. 925, z późn. zm.).

5. Basińska M., Michałkiewicz M, Górzeński R., Jakość powietrza. Przepisy i wymagania dotyczące komfortu termicznego, minimalnego strumienia powietrza, stężenia ditlenku węgla i pyłów, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2016.

6. PN-EN 13779:2008 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.

7. PN-EN 15251:2012 Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie i akustykę.

8. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium Ogrzewnictwa i Klimatyzacji, Omni Scala, Wrocław 2008.

9. Sowa J., Współczesne kierunki rozwoju systemów wentylacji i klimatyzacji, „Energia i Budynek” nr 8/2007.

10. Performance criteria of buildings for health and comfort, ISIAQ-CIB Task Group TG 42, CIB No. 292, 2004.

11. Building Bulletin 101 Ventilation i School Buildings (BB101).

12. ANSI/ASHRAE Standard 62.1.-2016 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.

13. The Building Regulations 2010 (BR10), The Danish Ministry of Economic and Business Affairs.

14. S. C. Lee, M. Chang, Indoor Air Quality Investigations at Five Classrooms, „Indoor Air”, 9, 1999.

15. Basińska M., Michałkiewicz M., Zanieczyszczenia powietrza i ich wpływ na zdrowie człowieka „Rynek Instalacyjny” nr 4/2016.

16. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (DzU 2014, poz. 807).

17. Mijakowski M., Sowa J., An attempt to improve indoor environment by installing humidity-sensitive air inlets in a naturally ventilated kindergarten building, „Building and Environment”, 111, 2017.

18. Pegas PN, Evtyugina MG, Alves CA et al., Outdoor/indoor air quality in primary schools in Lisbon: a preliminary study, „Quim Nova” Vol. 33, No. 5, 2010.

19. Ratajczak K., Łochyński S., Jakość powietrza w budynku użytkowanym jako żłobek, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2017.

20. Koruba D. i in., Próba poprawy jakości powietrza wewnętrznego w przedszkolu, „Budownictwo i Architektura”, 13 (4), 2014.

21. DIN 1946-2 Ventilation and air conditioning. Technical health requirements (VDI ventilation rules).

22. anniello E., Ventilation systems and IAQ in school buildings, „REHVA Journal”, 3, 2011.