Wytyczne branżowe – zdrowy klimat w pomieszczeniach szkolnych

Zdrowy klimat w pomieszczeniach jest warunkiem niezbędnym do spełnienia podstawowej funkcji szkoły, jaką jest zapewnienie uczniom najlepszych warunków do nauki. Nowe wytyczne branżowe mogą zostać zastosowane zarówno przy projektowaniu nowych budynków szkolnych, jak i w procesie renowacji. We wstępie do wytycznych podkreśla się, że są one istotne zarówno dla deweloperów, jak i projektantów, ale też samorządów lokalnych. Poradnik jest pomocny w określaniu wymagań dotyczących klimatu w pomieszczeniach oraz w procesie projektowania. Przewodnik został tak opracowany, aby mogli z niego korzystać wszyscy specjaliści, niezależnie od doświadczenia w określaniu konkretnych wymagań, przyjmowaniu założeń projektowych czy danych wejściowych do obliczeń.

Dobry klimat wewnętrzny w szkołach zależy od wielu parametrów, takich jak odpowiednie oświetlenie elektryczne, światło dzienne, środowisko akustyczne, a także ochrona przed przegrzewaniem przez słońce oraz sprawna wentylacja i ewentualne chłodzenie w celu utrzymania komfortu termicznego w klasach. Sale lekcyjne stanowią jedno z największych wyzwań projektowych w zakresie klimatu wewnętrznego, gdyż wymagają uwzględnienia wielu zmiennych wpływających na poziom komfortu i tym samym na zdrowie i samopoczucie uczniów oraz nauczycieli.

Wytyczne zawierają również niezbędną wiedzę, która jest szczególnie przydatna dla samorządów przy ustalaniu priorytetów w ich budżetach. Pomagają zaplanować zakres remontów lub budowę nowych szkół. Pokazują, dlaczego podczas przyjmowania budżetów dla inwestycji i remontów kwestie klimatu w pomieszczeniach szkolnych powinny mieć wysoki priorytet. Udowodniono bowiem naukowo, że istnieje wyraźny związek między klimatem w szkołach a jakością pracy i postępami w nauce uczniów.

Przestrogą dla samorządowców może być fakt, że wiele szkół zostało już wyremontowanych, ale klimat w ich pomieszczeniach się nie poprawił. Duńskie badania wskazują, że priorytetem działań modernizacyjnych było często zmniejszenie zużycia energii i wpływu na środowisko. Skupienie się tylko na obniżeniu zużycia energii prowadzi do tego, że w klasach panują zbyt niskie temperatury zimą, a zbyt wysokie latem lub za mała jest wymiana powietrza. Priorytetem powinien być odpowiedni klimat w pomieszczeniach, gdyż najważniejszą funkcją szkoły jest zapewnienie uczniom najlepszych warunków do nauki. Na to zadanie wpływa wiele elementów, takich jak kompetencje nauczycieli, metody nauczania i pochodzenie społeczne. Jednak naukowo udowodniono, że istnieje również związek między klimatem w szkołach a wynikami w nauce uczniów. Zły klimat w pomieszczeniu wpływa na osiągnięcia uczniów i możliwość przyswajania przez nich nowej wiedzy. Ten udowodniony naukowo wpływ sięga 10% spadku wydajności nauczania – a to praktycznie strata jednego roku nauki w duńskiej dziewięcioletniej szkole podstawowej. Priorytetowe traktowanie jakości klimatu w pomieszczeniach szkolnych jest zatem dobrą inwestycją społeczno-ekonomiczną i oprócz lepszego wykształcenia i samopoczucia zmniejsza absencję z powodu chorób zarówno wśród uczniów, jak i nauczycieli.

Autorzy wytycznych podkreślają, że jest to narzędzie dla gmin, pozwalające im dostrzec znaczenie jakości klimatu w pomieszczeniach szkolnych i umieścić je wśród priorytetów nowych inwestycji oraz modernizacji szkół. Wytyczne zawierają bowiem m.in. konkretną wiedzę na temat wpływu jakości klimatu w pomieszczeniach szkolnych na wydajność edukacji i ukazują związki między wydatkami na energię a klimatem wewnętrznym. Wiedza ta jest kluczowa dla polityków i samorządowców podczas przeznaczania funduszy zarówno na nowe inwestycje, jak i na renowacje, także w kontekście dążenia do zrównoważonego rozwoju i oszczędności energii.

Zużycie energii jest kluczowym wyzwaniem w szkołach w odniesieniu do klimatu w pomieszczeniach. Nie może być jednak stawiane ponad warunkiem wstępnym dobrego i efektywnego nauczania, jakim jest jakość środowiska wewnętrznego. To środowisko powinno być zaprojektowane z uwzględnieniem możliwie najniższego zużycia energii, ale należy szukać równowagi, by nie odbyło się to kosztem jakości klimatu wewnętrznego.

Eksperci przygotowujący poradnik podkreślali podczas jego prezentacji, że doświadczenie z inwestycji i remontów pokazuje, iż w wielu przypadkach przyjmuje się niewłaściwe założenia – np. za małe parametry dla jednej osoby lub całkowicie nieuzasadnione zakresy wentylacji, tak aby jak najbardziej zminimalizować zużycie energii. Wskazują też, że z doświadczeń eksploatacyjnych i szczegółowych analiz wynika, iż aby utrzymać optymalny poziom jakości klimatu wewnętrznego w nowych szkołach, przez cały rok sięgać trzeba po chłodzenie powietrza. To zaś jest postrzegane przez wiele gmin jako działanie niepasujące do zrównoważonego rozwoju i dbałości o środowisko. Natomiast zdaniem ekspertów chłodzenie jest często najbardziej efektywnym energetycznie sposobem rozwiązania problemu jakości klimatu wewnętrznego.

Wytyczne składają się z czterech zasadniczych części. Pierwsza zawiera wprowadzenie, które wyjaśnia, dlaczego klimat panujący w pomieszczeniach jest tak ważny w szkołach i jakie są związki pomiędzy klimatem wewnętrznym a zrównoważonym rozwojem, zużyciem energii i kosztami. Zawiera bardzo dobrze udokumentowane zależności pomiędzy jakością klimatu wewnętrznego (m.in. temperatura, jakość powietrza) a wynikami uczniów w nauce. Ta część wytycznych jest przeznaczona dla wszystkich zainteresowanych uzyskaniem argumentów przemawiających za dobrym klimatem w pomieszczeniach szkolnych. Jest ona skierowana zwłaszcza do administracji samorządowej odpowiedzianej za szkolnictwo, w tym za inwestycje i remonty, a także do radnych (szczebel polityczny), którzy decydują o budżetach i funduszach samorządowych. Wiedza ta jest też cenna w bieżących działaniach eksploatacyjnych administracji samorządowej.

W drugiej części znajdują się specyfikacje wymagań dla klimatu wewnętrznego w szkołach – dla klas lekcyjnych i zajęć grupowych. Zostały w niej omówione założenia projektowe i obliczeniowe oraz wymagania i wyjaśnione pojęcia. To część przeznaczona szczególnie dla architektów i projektantów, który dokonują wyboru koncepcji budynku i wymagań dotyczących klimatu w pomieszczeniach.

W trzeciej części podano sposoby osiągnięcia dobrego klimatu wewnętrznego w szkołach. Są w niej opisane parametry projektowe wpływające na komfort cieplny i zużycie energii oraz cechy różnych rozwiązań wentylacyjnych, chłodzenia, ochrony przeciwsłonecznej i projektowania oświetlenia oraz wyboru elewacji. To część szczególnie ważna dla projektantów dokonujących wyboru rozwiązań dotyczących klimatu wewnętrznego oraz specjalistów zajmujących się eksploatacją.

Czwarta część zawiera opis procesu tworzenia dobrego klimatu wewnętrznego w szkołach. Jest w niej ścieżka weryfikacji na każdym etapie tego, co jest ważne dla projektanta i inwestorów, aby zapewnić dobry klimat w pomieszczeniach. To część szczególnie ważna dla tych specjalistów, których dokonują wyborów w procesie inwestycyjnym i projektowym, pokazująca, jak te wybory mogą wpływać na jakość klimatu wewnętrznego w pomieszczeniach szkolnych.

Autorzy wytycznych podkreślają, że każda budowa czy renowacja odniesie sukces, o ile zostanie dobrze zaplanowana. Nie ma jednego wzorca pasującego do wszystkich szkół, gdyż każdy przypadek zależy od konkretnej sytuacji oraz złożoności i zakresu inwestycji budowlanej, jej uczestników oraz ich wiedzy, a także kompetencji, a ponadto od horyzontu czasowego i możliwości finansowych inwestora. Jest jednak pewien scenariusz uniwersalny, obejmujący powtarzające się cechy charakterystyczne i etapy podejmowania decyzji o wyborze rozwiązań. Zapewnienie dobrego klimatu w pomieszczeniach szkolnych jest bardzo złożone. Wzorzec użytkowania i obciążenie w salach lekcyjnych są bardzo zmienne, wręcz ekstremalne. Miesięczne zyski ciepła od ludzi i urządzeń są w praktyce porównywalne tylko z najbardziej skomplikowanymi pomieszczeniami w budownictwie komercyjnym, takimi jak mocno zatłoczone sale konferencyjne czy pomieszczenia call center itp.

Wytyczne wieńczy dodatek, w którym znajdują się praktyczne wskaźniki do wykorzystania w procesie projektowania oraz materiały zawierające warunki wstępne do przeprowadzenia symulacji termicznych klimatu wewnętrznego.

Stan szkół a wytyczne branżowe

Większość klas szkolnych w Danii pochodzi z lat 1950–1980, kiedy to pojawiły się masowe inwestycje w budynki szkolne. Ponad 80% wykorzystywanych szkół wybudowano przed 1982 rokiem, kiedy to po raz pierwszy wprowadzono wymagania dotyczące poziomów izolacji, a tylko 10% istniejących szkół zostało wybudowanych po 1995 roku, kiedy w budynkach wprowadzono wymagania dotyczące wentylacji.

Zagadnienia klimatu wewnętrznego zaczęły pojawiać się w przepisach budowlanych w latach 80. XX wieku. W wielu obszarach wymagania dotyczące sal lekcyjnych wzrosły, zarówno w odniesieniu do klimatu wewnętrznego, jak i liczby uczniów, i było to w czasie, gdy wprowadzono bardziej rygorystyczne wymogi dotyczące zużycia energii i zasobów. Ewolucję wybranych zmian zawiera tabela.

Autorzy wytycznych wskazują, że pomimo różnic pomiędzy budynkami szkolnymi sposoby ich użytkowania i obciążenie klas są bardzo podobne – zatem wytyczne te mają wielką wartość społeczną. Stanowią narzędzie odnoszące się wyłącznie do sal lekcyjnych oraz zajęć grupowych i obejmują cały proces, od prezentacji koncepcji do eksploatacji. Dotyczą zatem tych obszarów w szkołach, w których uczniowie przebywają najczęściej.

Wymagania dotyczące klimatu wewnętrznego dla pomieszczeń specjalistycznych, takich jak pracownie fizyki i chemii, muzyczne, sportowe oraz kuchnie i stołówki, mają szczególny charakter, dlatego projekty i wymagania dla nich dotyczące klimatu wewnętrznego należy traktować oddzielnie.

Poradnik zwraca uwagę, że w procesie inwestycyjnym i modernizacyjnym trzeba uwzględnić fakt, iż formy nauczania w szkołach stale ewoluują. Występuje tendencja do redukcji tradycyjnego nauczania w klasie na rzecz zwiększania pracy grupowej i zmian form zajęć w ciągu dnia szkolnego. Ma to wpływ zarówno na wystrój wnętrz, jak i obciążenie poszczególnych pomieszczeń.

Wytyczne a jakość powietrza wewnętrznego i komfort temperaturowy

Autorzy wytycznych opierają się na danych zaczerpniętych z wieloletnich badań naukowych (m.in. [1, 2]). Rysunek 1 ilustruje związek między wydajnością uczniów a zmianami temperatury i stężenia CO₂ w pomieszczeniu. Po jego lewej stronie widać, że jeśli temperatura w pomieszczeniu wzrośnie z 22°C (wartość bazowa, dla której wydajność wynosi 100%) do 23,5°C, to wydajność uczniów spada do 95%, a jeśli temperatura wzrośnie do 25,5°C, to wydajność spada do 90%. Jeśli temperatura w klasach zostanie obniżona do prawie 20,7°C, wydajność wzrasta do 105%.

Z kolei po prawej stronie widzimy, że gdy stężenie CO₂ w klasie wzrasta z 1000 ppm (wartość bazowa, dla której wydajność wynosi 100%) do 1220 ppm, to następuje spadek wydajności uczniów ze 100 do 95%, a gdy stężenie CO₂ osiąga 1600 ppm, to wydajność uczniów spada do 90%. Z kolei obniżenie stężenia CO₂ do 900 ppm skutkuje wzrostem wydajności uczniów do poziomu 103%. Istnieją też dowody na to, że obniżenie temperatury o 1°C ma większy efekt niż obniżenie stężenia dwutlenku węgla o 100 ppm.

Autorzy wytycznych podkreślają, że zależności te są bardzo ważną wskazówką do projektowania i określania optymalnej temperatury i stężenia CO₂ w klasach. Badania naukowe [1, 2] wskazują, że optymalna temperatura dla dzieci jest niższa niż dla dorosłych i wynosi 20–21°C, co przez większość dorosłych (nauczycieli) jest odbierane jako warunki niekomfortowe. Rzeczywista temperatura panująca w klasie powinna być kompromisem między postrzeganiem komfortu przez obie strony.
Z ekonomicznego punktu widzenia dalsze obniżanie stężenia CO₂ do wartości poniżej 900 ppm poprzez zwiększanie intensywności wentylacji jest znacznie droższe niż przy wyższych stężeniach. Tak samo obniżanie temperatury poniżej 22°C poprzez chłodzenie powietrza wymaga wyższych nakładów energii niż obniżanie w wyższym zakresie poziomu temperatur.

Zaprezentowane w wytycznych dane wskazują jednoznacznie, że należy się skupić na zapewnianiu sprawnej wentylacji dla redukcji CO₂ oraz chłodzenia w salach lekcyjnych w gorących okresach roku, kiedy wentylacja samym powietrzem zewnętrznym nie wystarcza do utrzymania niskiej temperatury.

Autorzy wytycznych przyznają, że nie zbadano jeszcze, w jaki sposób połączenie obu czynników, czyli wysokiej temperatury i niskiej wymiany powietrza, wpływa na wydajność uczniów, ale wiele wskazuje, że obniża się ona bardziej, niż gdyby oddziaływał na nią tylko jeden z tych czynników. Ale to, jak wygląda ta zależność – czy się sumuje, czy może pomnaża – nie zostało jeszcze zbadane.

Oprac. red. na podst. Branchevejledning for indeklima i skoler, Udgiver Teknologisk Institut, 2021, https://www.teknologisk.dk/branchevejledning-for-indeklima-i-skoler/43383

Literatura

1. Wargocki Paweł, Porras-Salazar Jose Ali, Contreras-Espinoza Sergio, The relationship between classroom temperature and children’s performance in school, „Building and Environment” 157, 2019
2. Wargocki Paweł, Porras-Salazar Jose Ali, Contreras-Espinoza Sergio, Bahnfleth William, The relationships between classroom air quality and children’s performance in school, „Building and Environment” 173, 2020),
3. Dobra wentylacja w szkołach wcale nie jest droga, rozmowa z prof. dr. inż. Pawłem Wargockim (Technical University of Denmark), „Rynek Instalacyjny” 4/2021.