Wentylacja budynków edukacyjnych – problemy z jakością powietrza wewnętrznego

Jakość powietrza w placówkach edukacyjnych rozpatrywana jest dziś głównie przez pryzmat smogu i jego wpływu na skład powietrza w pomieszczeniach. Łatwiej przekonać gminy czy samych dyrektorów do wyposażania placówek edukacyjnych w oczyszczacze powietrza niż do inwestycji w skuteczny system wentylacji, który zapewnia nie tylko filtrację zanieczyszczeń pyłowych (PM2,5), ale i utrzymanie takich parametrów, jak temperatura, wilgotność czy prędkość powietrza oraz zachowanie powietrza o odpowiednio niskim stężeniu: dwutlenku węgla, pyłów powodowanych przez prace szkolne i zanieczyszczeń mikrobiologicznych czy chemicznych pochodzących z elementów wyposażenia wnętrza. Zbyt wysoka temperatura powoduje szybkie zmęczenie, dekoncentrację i wzrost ryzyka zachorowań (przegrzewanie), zbyt niska także zwiększa podatność na choroby – jeśli dyrektor nie może zapewnić w pomieszczeniach temperatury co najmniej 18°C, ma prawo odwołać zajęcia. Za wysoka wilgotność powoduje uczucie „duszności” i stwarza warunki do rozwoju grzybów pleśniowych, a za niska wpływa na dolegliwości nosa, gardła i oczu. Zbyt duża prędkość powietrza w pomieszczeniu powoduje przeciągi, a przy za małej powietrze nie jest skutecznie rozprowadzane po pomieszczeniu.

Jak wynika z badań prowadzonych w ostatnich latach w ramach projektu InAirQ (polskimi partnerami są Instytut Medycyny Pracy w Łodzi i Urząd Marszałkowski Woj. Łódzkiego) [4], w klasach szkolnych stężenie lotnych związków organicznych (toluen, etylobenzen, ksyleny, monoterpeny – α-pinen z produktów drewnianych lub aromatyzowanych, limonenu ze środków do czyszczenia podłóg) jest wyższe niż na zewnątrz. Podobnie stężenie masowe PM2,5 było w salach lekcyjnych wyższe niż na zewnątrz i zwykle przekraczało dopuszczalną przez Komisję Europejską średnią wartość roczną (25 g/m³) dla sezonu zimowego. Natomiast nadmierna (ponad 1000 ppm) zawartość CO₂ w powietrzu powoduje uczucie duszności i zmęczenia i wpływa negatywnie na zdolności percepcyjne dzieci i młodzieży.

Wymagania i zalecenia dla poziomu CO₂

Ze względów zdrowotnych zawartość dwutlenku węgla w pomieszczeniu powinna być zbliżona do tej w powietrzu zewnętrznym, gdzie wynosi 370–400 ppm [1], w zależności od rodzaju terenu (dla miast i terenów przemysłowych stężenie to jest większe). Jednocześnie nie powinna przekraczać 1000 ppm, czyli tzw. liczby Pettenkoffera (badacz ten już 100 lat temu uznał zawartość CO₂ za wskaźnik jakości powietrza), ponieważ powyżej tej wartości wyraźnie pogarsza się samopoczucie i obniża zdolność koncentracji oraz produktywność.1000 ppm jako wartość graniczna figuruje m.in. w rekomendacjach amerykańskiego stowarzyszenia inżynierów ogrzewnictwa, chłodnictwa i klimatyzacji. Niemiecka norma DIN 1946-Teil 2 za chwilową wartość maksymalną w aspekcie higienicznym uważa 0,15% (1500 ppm).

Maksymalne stężenie CO₂ w pomieszczeniach, które powinno być podstawą do projektowania systemów wentylacji w placówkach edukacyjnych, zawiera norma PN-EN 15251:2012 [7] – tabela.

Centralna Inspekcja Ochrony Pracy prowadziła w 2008 roku badania jakości powietrza w szkołach [8]. Stężenia CO₂ wynosiły od 0,5 do 1,5 zalecanej wartości, przy czym wartość zalecana przekroczona została w połowie badanych pomieszczeń (maksymalne stężenie wyniosło ok. 1800 ppm). W większości pomieszczeń placówek oświatowych, gdzie dzieci i młodzież uczą się i bawią (klasy, pracownie, świetlice, sale przedszkolne), stosowana jest jedynie wentylacja naturalna – dobrze, jeśli „aktywna”, czyli wspierana przez nauczycieli nieobawiających się otwierania okien. Jak jednak wskazuje badacz z Politechniki Opolskiej [14], okresowe przewietrzanie sal lekcyjnych (szczególnie przy szeroko otwartych oknach i drzwiach lub jedynie szeroko otwartych oknach) poprawia skuteczność wentylacji w szkołach. To proste rozwiązanie ma zasadniczą wadę – jego efekt jest krótkotrwały. Po nawet skutecznym przewietrzeniu podczas 10-minutowej przerwy efekt znika po 10–15 minutach od rozpoczęcia zajęć z 25–30 uczniami.

Jak wskazują badania szkół, żłobków i przedszkoli prowadzone kilka lat temu pod auspicjami Komisji Europejskiej w ramach projektu SINPHONIE w 25 krajach europejskich (także w Polsce) [13], rodzaj systemu wentylacyjno-klimatyzacyjnego wpływa na wyniki osiągane przez uczniów w testach matematycznych i logicznych przeprowadzanych o różnych porach dnia. Wśród licznych wniosków wypływających z tych badań na szczególną uwagę zasługują dwa. Otóż w pomieszczeniach z wentylacją mechaniczną uczniowie osiągają dobre wyniki testów logicznych niezależnie od pory dnia. W pomieszczeniach z systemami wentylacyjnymi, w których okna otwierane są rzadziej niż trzy razy dziennie, wyniki testów logicznych są złe. W pomieszczeniach tych wpływ pory dnia na wyniki jest wyraźnie większy niż w przypadku innych systemów. Wiedza ta nie znajduje odzwierciedlenia w polskich wymaganiach prawnych dla systemów wentylacji żłobków, przedszkoli i szkół – są one szczątkowe i ogólne.

Ogólne wymagania dla wentylacji

Zgodnie z § 2 rozporządzenia Ministra Edukacji Narodowej [11] przy tworzeniu punktu przedszkolnego lub zespołu wychowania przedszkolnego konieczne są pozytywne opinie właściwego państwowego inspektora sanitarnego i straży pożarnej. Warunek dla wentylacji jest następujący: zapewniona możliwość otwierania w pomieszczeniu co najmniej 50% powierzchni okien przy stosowaniu wentylacji grawitacyjnej. Ustawa o systemie oświaty [15] zobowiązuje dyrektorów placówek dydaktyczno-edukacyjnych do zapewnienia bezpiecznych i higienicznych warunków pobytu w szkole. Akt wykonawczy do tej ustawy, tj. rozporządzenie Ministra Edukacji Narodowej i Sportu dotyczące BHP w szkołach [10], stanowi (w § 9 ust. 1), że w pomieszczeniach szkoły należy zapewnić właściwą wentylację. Wentylacja i klimatyzacja, zgodnie z § 147 ust. 1 Warunków Technicznych [12], powinny zapewniać odpowiednią jakość środowiska wewnętrznego.

Wymagania dla strumienia objętości powietrza wentylacyjnego

„Odpowiednia jakość środowiska wewnętrznego” jest ściśle powiązana ze strumieniem objętości powietrza wentylacyjnego. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez badaczy z Politechniki Świętokrzyskiej w jednym z kieleckich przedszkoli z wentylacją grawitacyjną [2], zwiększenie strumienia powietrza zewnętrznego wpływało na poprawę jakości powietrza wewnętrznego w budynku. Większy strumień powietrza zewnętrznego przyczyniał się zarówno do redukcji stężenia dwutlenku węgla, jak i obniżenia stężenia zarodników grzybów pleśniowych. Jednak dla wentylacji grawitacyjnej zwiększanie strumienia powietrza wentylacyjnego powodowało albo obniżenie temperatury do nieakceptowalnego poziomu, albo zwiększenie nakładów na ogrzewanie pomieszczeń. Połączenie skutecznej wymiany powietrza, komfortu cieplnego i rozsądnych kosztów eksploatacji wymagałoby więc zastosowania systemu wentylacji mechanicznej. Zgodnie z § 148.1 WT [12]: Wentylację mechaniczną wywiewną lub nawiewno-wywiewną należy stosować w budynkach wysokich i wysokościowych oraz w innych budynkach, w których zapewnienie odpowiedniej jakości środowiska wewnętrznego nie jest możliwe za pomocą wentylacji grawitacyjnej.

Strumień powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniach edukacyjnych powinien zatem spełniać co najmniej wymagania normy ­PN-B-03430:1983 [5], która w zakresie przewidzianym dla budynków użyteczności publicznej podaje następujące wartości strumienia objętości powietrza wentyla­cyjnego:

• w pomieszczeniach przeznaczonych na stały i czasowy pobyt ludzi [w tej kategorii z pewnością znajdują się sale lekcyjne – przyp. aut.] – 20 m³/h dla każdej przebywającej osoby, a w przypadku żłobków i przedszkoli 15 m³/h dla każdego dziecka;
• w pomieszczeniach klimatyzowanych oraz wentylowanych, o nieotwieranych oknach – 30 m³/h dla każdej przebywającej osoby;
• w pomieszczeniach, w których występują czynniki szkodliwe dla zdrowia [w przypadku szkół będzie to np. pracownia chemiczna] – indywidualny projekt systemu wentylacyjnego.

Sale lekcyjne, świetlice czy sale przedszkolne mają jednak swoją specyfikę. Standardowo przez kilka–kilkanaście godzin dziennie są zajęte przez 20–35 osób o wysokiej wrażliwości na jakość środowiska zewnętrznego (choć w okresach zwiększonej absencji chorobowej liczba ta może być niższa), a w pozostałym czasie pomieszczenia te pozostają puste. Adekwatny projekt wentylacji w placówkach edukacyjnych powinien być oparty na wskazaniach zawartości dwutlenku węgla (CO₂) w pomieszczeniach.

Dwutlenek węgla jako czynnik regulacji wentylacji 

CO₂ jest doskonałym wskaźnikiem obecności osób w pomieszczeniu (podczas pracy umysłowej człowiek emituje, głównie w wydychanym powietrzu, ok. 23 l CO₂/h). Jego zawartość w powietrzu powinna więc być monitorowana i stanowić podstawę pracy instalacji wentylacyjnej. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich czujników z kontrolerami. Selektywne kontrolery dwutlenku węgla umożliwiają automatyczne sterowanie wentylacją. W zależności od stężenia CO₂ można dostosować pracę instalacji wentylacyjnej do rzeczywistej liczby osób w pomieszczeniu – tak, by zachować równowagę między komfortem uczniów a ekonomiczną pracą instalacji.

Niestety, wentylację mechaniczną sterowaną stężeniem CO₂ w Polsce spotyka się rzadko. Występuje najczęściej w tzw. szkołach energooszczędnych – w Polsce najwięcej takich placówek powstało po 2015 roku, dzięki dofinansowaniu z programu LEMUR – Energooszczędne Budynki Użyteczności Publicznej NFOŚiGW. Jednym z warunków uzyskania dotacji było spełnienie szeregu wymogów technicznych, wśród nich wyposażenie instalacji wentylacyjnej w układ automatyki regulacyjnej umożliwiający dostosowanie wydajności do aktualnych potrzeb. Wysoką skuteczność wentylacji uzyskuje się, stosując polecane dla szkół systemy zdecentralizowane – wówczas indywidualne ustawienie i dotrzymywanie parametrów powietrza w każdej sali odbywa się szybko i w sposób nieodczuwalny dla użytkowników.

Systemy zdecentralizowane

Autonomiczne (indywidualne, zdecentralizowane) rozwiązania wentylacyjne pozwalają nie tylko zachować komfort w każdej sali, mogą też być instalowane etapowo (np. szkoła może stopniowo wyposażać po kilka sal rocznie), a dodatkowo nie wymagają poważnych prac budowlanych. Z punktu widzenia dyrektora szkoły jest to rozwiązanie bardziej atrakcyjne, bo mniej obciążające szkolny budżet. Zdecentralizowane systemy wentylacyjne powinny spełniać wymagania normy PN-EN 13779:2007 [6].

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem są indywidualne centrale wentylacyjne montowane bezpośrednio w pomieszczeniu, z króćcami podłączonymi bezpośrednio do czerpni i wyrzutni. Centrala taka ma charakter „Plug&Play”, co ułatwia montaż i skraca potrzebny na niego czas. Wstępnie przygotowane powietrze nawiewane jest wyporowo, z wykorzystaniem procesu konwekcji na poziomie podłogi – strumień powietrza regulowany jest przez wskazania czujnika CO₂. Dysze nawiewne nadają strudze powietrza odpowiednio małą prędkość (poniżej 3 m/s) – dzięki temu powietrze w sposób nieodczuwalny przepływa przez pomieszczenie, nagrzewa się od obecnych tam osób, po czym wypływa przez kratkę wyciągową umieszczoną w górnej części urządzenia. Urządzenie wyposażone jest w system odzysku ciepła (rekuperator), wentylatory z silnikami energooszczędnymi (standardem stają się silniki EC) oraz tłumiki na wywiewie i nawiewie. Przykładem zastosowania takiego rozwiązania jest szkoła w Jabłonnie/Chotomowie (woj. mazowieckie), gdzie postawiono na autonomiczne (zdecentralizowane) centrale rekuperacyjne dla każdego pomieszczenia. Są one wyposażone w miedziane wymienniki do efektywnego odzysku ciepła oraz czujniki stale monitorujące zawartość CO₂ i wilgotności – dzięki temu praca wentylacji elastycznie dopasowuje się do chwilowych potrzeb (np. nieobecności dzieci w klasie podczas przerwy i ich powrotu na kolejną lekcję).

Producenci proponują także urządzenia wentylacyjne fasadowe, montowane na ścianie zewnętrznej pod parapetem. Dzięki samonośnej konstrukcji rozwiązania i jego kompaktowym rozmiarom jest chętnie wybierane do montażu w pomieszczeniach modernizowanych – ingerencja w konstrukcję budynku ogranicza się do przygotowania otworów pod czerpnię i wyrzutnię. Na energooszczędność urządzenia składają się odpowiednie wentylatory (zgodnie z PN-EN 13779: SFP = 1) oraz krzyżowy wymiennik ciepła. Regulacja oparta na wskazaniach czujnika CO₂ czy indywidualne ustawienie temperatury w pomieszczeniu dostępne są dla tego systemu opcjonalnie. Rolą systemu fasadowego może być także grzanie i chłodzenie, co czyni go szczególnie przydatnym w przypadku adaptacji pomieszczenia na szkolne.

Dla mniejszych pomieszczeń ciekawym rozwiązaniem mogą być jednorurorowe rekuperatory wewnątrzścienne z wymiennikiem ceramicznym (producenci podają, że sprawność odzysku ciepła wynosi w tym wypadku do 90%). Wentylator z silnikiem EC pracuje naprzemiennie jako nawiewny i wyciągowy, zapewniając kilka prędkości pracy, co zależy od wielkości pomieszczenia i potrzeb użytkowników. Rura teleskopowa pozwala stosować urządzenie w ścianie o dowolnej grubości.

Godnym uwagi podejściem jest także włączenie systemu wentylacyjnego w system zarządzania instalacjami budynkowymi. W szkole w Żukowie (gmina Sławno, woj. zachodniopomorskie) każde pomieszczenie ma własny system sterowania klimatem oparty na protokole KNX. Sterowaniu podlega praca systemu grzewczo-chłodzącego, wentylacyjnego i żaluzji fasadowych. Podstawą sterowania jest harmonogram zajęć (w zależności od niego wybierany jest odpowiedni tryb pracy), a jednocześnie instalacje dostosowują swoją pracę do warunków atmosferycznych czy zmiany warunków w klasie (w tym otwarcia drzwi lub okien).

Podsumowanie

Jednak nawet rozwiązania przyjazne budżetowi są przez wielu dyrektorów szkół traktowane jako na tyle znaczące obciążenie finansowe, że prawidłowa wentylacja budynku odsuwana jest na dalszy plan. Dyrektorzy często też nie są świadomi wagi problemu. Tymczasem i nauczyciele, i dzieci w szkole czy przedszkolu intensywnie pracują – niesłuszne wydaje się utrudnianie im tego, i tak niełatwego zadania. Nic dziwnego, że już w 2010 roku Centralny Instytut Ochrony Pracy wskazywał, że wentylacja lub klimatyzacja pomieszczeń w budynkach szkół powinna być tak zorganizowana, aby spełniała wszystkie wymagania przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy [9].

Literatura

1. Kaiser Krzysztof, Wentylacja szkolnych sal gimnastycznych, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2018, s. 62–66.
2. Koruba Dorota, Zender-Świercz Ewa, Piotrowski Jerzy Z., Orman Łukasz, Telejko Marek, Próba poprawy jakości powietrza wewnętrznego w przedszkolu, „Budownictwo i Architektura” nr 13(4), 2014, s. 7–13
3. Materiały firm: ActivTec, Gazex, Rosenberg, Trox.
4. Newsletter nr 4 INAIRQ – Projektu Ponadnarodowe Planowanie Działań dla Zintegrowanego Zarządzania Jakością Powietrza, Łódź, wrzesień 2018 (dostęp: 19.08.2019).
5. PN-B-03430:1983 (wraz z późniejszą zmianą Az3:2000) Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
6. PN-EN 13779:2007 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagane właściwości systemów.
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. Pośniak Małgorzata, Jankowska Elżbieta, Kowalska Joanna, Gołofit-Szymczak Małgorzata, Jankowski Tomasz, Kształtowanie jakości powietrza w pomieszczeniach szkolnych. Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa 2010.
9. Pośniak Małgorzata, Jankowska Elżbieta, Kowalska Joanna, Subiektywna ocena jakości powietrza w pomieszczeniach budynków szkół, [w:] „Materiały seminaryjne. Zagrożenia zdrowotne w środowisku pracy”, Abstrakt 26, PTHP, Łódź 2009. 
10. Rozporządzenie Ministra Edukacji Narodowej i Sportu z dnia 31 grudnia 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny w publicznych i niepublicznych szkołach i placówkach (DzU 2003, nr 6, poz. 69).
11. Rozporządzenie Ministra Edukacji Narodowej z dnia 31 sierpnia 2010 r. w sprawie rodzajów innych form wychowania przedszkolnego, warunków tworzenia i organizowania tych form oraz sposobu ich działania (DzU 2010, nr 161, poz. 1080, z późn. zm.).
12. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 1422, z późn. zm.).
13. Schools Indoor Pollution and Health Observatory Network in Europe – Final Report, Unia Europejska, 2014, https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/eur-scientific-and-technical-research-reports/sinphonie-schools-indoor-pollution-and-health-observatory-network-europe-final-report (dostęp: 19.08.2019).
14. Szmolke Norbert, Audytorskie spojrzenie na wentylację szkół, „Journal Of Civil Engineering, Environment and Architecture – JCEEA”, t. XXXII, z. 62 (2/15), kwiecień-czerwiec 2015, s. 459–467.
15. Ustawa z dnia 7 września 1991 r. o systemie oświaty (DzU 2017, poz. 2198, 2203 i 2361).
16. Urasiński Michał, Praktyczne aspekty zapewniania odpowiedniej jakości powietrza w budynkach szkolnych, „Rynek Instalacyjny” 1–2/2019, s. 40–46.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!