Wentylacja szkół – warunek konieczny dla rozwoju Polski

Na termomodernizację szkół wydano dotychczas prawdopodobnie już ponad miliard złotych. Proces inwestycyjny przebiegał zwykle według jednego schematu – audyt, następnie przetarg na projekt i wykonawstwo, a następnie zasłona milczenia i brak jakiejkolwiek analizy czy refleksji dotyczącej osiągniętych oszczędności energetycznych. Uczestnicy może nawet nie byli zainteresowani jakością tego procesu przez cały czas jego trwania, także z tego powodu, że nikt tego od nich skutecznie nie wymagał. Nie łączono inwestycji termomodernizacyjnych z procesem zarządzania energią, kluczowym dla jej oszczędzania.

Nieprawidłowy bywa już sam początek tego procesu, czyli wybór audytora. Z reguły w 100% decyduje najniższa cena, a rekordziści, jak np. samorząd jednej z miejscowości na Pomorzu, posuwają się jeszcze dalej, dodając kolejne „ważne” kryterium – szybkość wykonania audytu. W efekcie system oceny ofert odbywa się na zasadzie: szybko i byle jak. A przecież to jakość audytu decyduje i przesądza o jakości inwestycji. We wspomnianej miejscowości szkoły po termomodernizacji miały według audytu zapotrzebowanie na energię końcową w wysokości 180 kWh/m²/rok.

Po byle jakim audycie szuka się podobnego projektu i najtańszego wykonawcy. Ten zaś kupuje oczywiście najtańsze materiały, które, jak wynika z kontroli GUNB, miewają nawet sfałszowane deklaracje właściwości użytkowych [1], w szczególności kluczową dla termomodernizacji wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(mK)]. W konsekwencji miliony zainwestowane w termomodernizację trafiają w błoto, bo jej rezultat jest często inny od oczekiwanego. Praktyka ta doprowadziła do prawdziwej katastrofy, jeśli chodzi o jakość powietrza w szkołach, ponieważ 99,9% przeprowadzonych termomodernizacji nie obejmowało wentylacji, pomimo że odpowiada ona za ponad połowę strat ciepła w budynkach szkolnych.

Należy podkreślić, że obecny rząd, jako pierwszy od zmiany ustroju w Polsce, słucha argumentów specjalistów alarmujących o problemie jakości powietrza w szkołach. Deklaracja z exposè premiera z 2019 r. o przystąpieniu do realizacji programu tysiąca zeroemisyjnych szkół jest pierwszym krokiem na długiej drodze do poprawy jakości powietrza w obiektach edukacyjnych [2,13]. W listopadzie 2020 r. obchodziliśmy jednak pierwszą rocznicę złożenia tej deklaracji i wciąż czekamy na podjęcie stosownych działań, tym bardziej że w dobie pandemii poprawa jakości powietrza w szkołach jest kluczowa dla przywrócenia nauki stacjonarnej. W przekonaniu autora jakość powietrza w szkołach jest obecnie dla Polski jednym z najważniejszych ­wyzwań.

Dlaczego wentylacja szkół jest tak ważna?

Powiedzenie, że „potrzebujemy czegoś jak powietrza” oznacza, że to coś jest niezbędne do życia. Nie wdając się w zawiłości fizjologii, zwróćmy uwagę na rolę tlenu, tego składnika powietrza, który jest niezbędny we wszystkich procesach energetycznych zachodzących w naszych organizmach. Upraszczając, jesteśmy napędzani paliwem w postaci węglowodanów, które w reakcji z tlenem dają nam energię. Złożony cykl tych reakcji chemicznych zwany jest cyklem Krebsa. W cyklu tym, tak jak w silniku spalinowym, paliwo to glukoza + tlen = energia + H₂O + CO₂. Wiemy, że jeśli np. w samochodzie zatkamy rurę wydechową, straci on moc, podobnie stanie się, jeśli krew i znajdująca się w niej hemoglobina nie usunie CO₂ z komórek – źródło energii słabnie i zanika. Oddychając, produkujemy CO₂, więc jeśli nie będziemy go usuwać z pomieszczeń, w których oddychamy, jego stężenie w powietrzu wzrośnie. Tym samym reakcja wymiany gazowej zachodząca w pęcherzykach płuc będzie mniej skuteczna i zwiększy się stężenie dwutlenku węgla we krwi, hemoglobina dostarczy mniej tlenu i usunie z komórek mniej CO₂.

Wszyscy znamy uczucie przemożnej senności, a nawet otępienia ogarniające nas w niewentylowanych pomieszczeniach, szczególnie gdy przebywa w nich wiele osób. Spadek wydolności intelektualnej to niejedyny problem – dłuższe przebywanie w atmosferze o zbyt wysokim stężeniu CO₂ prowadzi do zakwaszenia organizmu i szeregu poważnych schorzeń z tym związanych [3].

Jak pokazały liczne badania naukowe, gdy stężenie CO₂ w powietrzu przekracza 1000 ppm (cząsteczek na milion), spada nasza sprawność umysłowa, a przy 2500 ppm przechodzimy w stan „zombie” [4]. W przebadanych polskich szkołach stężenie dwutlenku węgla na poziomie 2500 ppm osiągane jest już po 15 minutach od przewietrzenia klasy podczas przerwy, aby pod koniec lekcji sięgnąć nawet 4000 ppm [5]. Warto wiedzieć, że inspekcja weterynaryjna interweniuje, gdy stężenie CO₂ w chlewniach przekracza 3000 ppm, a hodowcom świń zaleca się utrzymywanie tej wartości poniżej 2000 ppm. Przekroczenie tego poziomu prowadzi do zakwaszenia organizmów zwierząt i wiąże się ze stratami spowodowanymi niskim przyrostem wagi oraz chorobami, a nawet padnięciami [6]. Na szczęście dla świń, na straży ich dobrostanu stoi dbałość o efekty ekonomiczne hodowli. Wniosek nasuwa się jednoznaczny, choć brzmi dosadnie: polskie dzieci mają w szkołach powietrze gorszej jakości niż zwierzęta w chlewniach.

Jak wentylowane są polskie szkoły?

Za zły stan powietrza w klasach odpowiada sposób wentylacji – w ponad 99% szkół jest to wentylacja grawitacyjna (naturalna). Zgodnie z polskimi przepisami w pomieszczeniach tych należy zapewnić dwie wymiany powietrza na godzinę i każda klasa powinna mieć kanały wentylacji grawitacyjnej oraz nawiewniki lub okna z nawiewnikami, co powinno zapewnić jedną wymianę powietrza w ciągu godziny. Drugą wymianę ma zapewnić otwarcie okien podczas przerwy. Takie zalecenie nie uwzględnia jednak liczby uczniów w klasie, a przy jej średnim zagęszczeniu na jednego ucznia przypadają tylko 2 m² powierzchni, czyli 6 m³ powietrza do oddychania (minimalna wysokość pomieszczeń szkolnych to 3 m). Prowadzi to do opisanej powyżej sytuacji, czyli nadmiaru dwutlenku węgla i braku świeżego powietrza. Przeciętne stężenie CO₂ w klasie wynosi ok. 2500 ppm i dla podanego powyżej zagęszczenia uczniów przy zalecanych dwóch wymianach mamy strumień powietrza wentylacyjnego o wielkości 12 m³/h/ucznia, podczas gdy dla zaleconego przez WHO poziomu koncentracji CO₂ < 1000 ppm konieczne jest co najmniej 30 m³/h/ucznia.

Koszty wentylacji i jej braku

Pomimo dramatycznie niedostatecznego poziomu wentylacji i tak generuje ona wysokie koszty. Ogrzanie powietrza wentylacyjnego w III strefie klimatycznej przy tradycyjnym sposobie wentylacji i cenie ciepła w wysokości 0,25 zł/kWh kosztuje rocznie 31,5 zł/m². Co gorsza, taki sposób wentylacji szkół, prowadzący do wysokich rachunków za ogrzewanie i wysokiego stężenia CO₂ w klasach, generuje także inne koszty.

Jeśli ogromny wysiłek finansowy państwa i obywateli na rzecz sfinansowania edukacji w szkołach mierzyć nakładami na edukację, to spadek efektywności procesu dydaktycznego spowodowany wpływem na uczniów nadmiernego stężenia CO2 w klasach będzie stratą równą nakładom pomnożonym przez procent tego spadku. Zakładając ostrożnie, że spadek ten, wyższy w sezonie grzewczym i niższy latem, wynosi średnio w ciągu roku szkolnego 20%, przy 4,5 mln uczniów i rocznym koszcie kształcenia przypadającym na jednego ucznia w wysokości 17 tys. zł [7] stratę z tytułu obniżenia sprawności intelektualnej uczniów i nauczycieli na skutek niedostatecznej wentylacji w szkołach można oszacować na 4,5 mln×17 tys. zł/rok×20% = 15,3 mld zł/rok. Albo inaczej: jeśli nauka w klasach ze złą wentylacją trwa 8 lat, to przy dobrej wentylacji ten sam wynik nauczania można by osiągnąć w okresie krótszym o 1,6 roku.

Kolejny aspekt: niedostateczna wentylacja klas wbrew pozorom nie chroni dzieci przed katastrofalną jakością powietrza zewnętrznego w sezonie grzewczym w Polsce. Mamy najgorsze powietrze w Europie, a poziom stężenia pyłów PM2,5 i PM10 wielokrotnie przekracza normy WHO. Szczególnie groźne jest ponad sześciokrotne średnioroczne przekroczenie normy dot. silnie kancerogennego benzo(a)pirenu. Wentylowanie klas polegające na otwieraniu okien podczas przerw nie zapewnia właściwego stężenia CO₂, co więcej, powoduje, że stężenie zanieczyszczeń powietrza w klasie jest większe niż na zewnątrz, ponieważ otwierając okna, wymieniamy powietrze na zewnętrzne, z pyłem. Po zamknięciu okien część pyłów osiada na powierzchniach i ubraniach, a także zatrzymywana jest w pęcherzykach płucnych uczniów. Przy kolejnym wietrzeniu częściowo oczyszczone z pyłów powietrze jest usuwane, a do klasy wprowadzana kolejna porcja smogu. Przy intensywniejszym ruchu uczniów osadzone na powierzchniach pyły unoszą się i – jak pokazują pomiary – zapylenie wewnętrzne może chwilowo nawet kilkukrotnie przewyższyć poziom zapylenia zewnętrznego. Z wielu względów dzieci są bardziej niż dorośli narażone na choroby wywoływane przez składniki smogu [8]. Tym samym uczęszczanie do szkoły wentylowanej w tradycyjny sposób naraża je na choroby układu oddechowego, naczyniowego i nerwowego, astmę, zmiany w mózgu i liczne rodzaje raka.

Zwiększone zapylenie wpływa także na poziom inteligencji, a dzieci narażone na smog w klasie są w przyszłości szczególnie podatne na POChP, czyli przewlekłą obturacyjną chorobę płuc [9].

Straty spowodowane smogiem w klasach stanowią istotną część 111 mld zł rocznych strat ponoszonych przez Polskę na skutek zanieczyszczenia powietrza [10]. Sytuacja ta kładzie się cieniem na przyszłości naszego narodu, bo kolejne pokolenia będą wchodziły w życie obciążone bagażem przewlekłych chorób i braków w wykształceniu.

Jak widać zatem trudno przeceniać pierwszą w historii III RP inicjatywę rządu zmierzającą do zmiany tej sytuacji. Patrząc na skalę strat finansowych i cierpienia będącego udziałem najmłodszych w wyniku chorób wywołanych wielogodzinnym przebywaniem w trującej atmosferze klas, warto inaczej spojrzeć na obowiązek szkolny, który poza misją przygotowania do dorosłego życia niesie ryzyko kalectwa na całe życie, jeśli realizowany jest w obiektach o silnym zanieczyszczeniu powietrza.

Osobną kwestią jest skażenie mikrobiologiczne niedostatecznie wentylowanych klas. Wydychane przez chore dzieci powietrze, zawierające aerozol mikrobów i wirusów, nie jest szybko usuwane przez system wentylacyjny, ale trafia do płuc dzieci zdrowych, zarażając je. Mogłoby temu zapobiec częstsze wietrzenie, zalecane w wielu krajach [11], ale w licznych miejscowościach w Polsce ze względu na występowanie smogu nie jest to wskazane.

Kierunek zmian

Pozostaje pytanie, czy istnieje jakieś rozwiązanie tego problemu kwadratury koła? Odpowiedź może być zaskakująca – tak, i to bardzo opłacalne, uwzględniając skalę strat, jakie ponosimy w wyniku wadliwego systemu wentylacji szkół. Tym rozwiązaniem jest wprowadzenie w szkołach wentylacji mechanicznej z rekuperacją. Nowoczesne centrale wentylacyjne dzięki bardzo cichej pracy mogą być instalowane w klasach, zapewniając kontrolę stężenia CO2 na optymalnym poziomie < 1000 ppm. Dzięki wysokiej sprawności odzysku ciepła i nowoczesnym wentylatorom oszczędności energii w stosunku do obecnego systemu wentylacji mogą być wyższe niż 80%. Ponadto taki system wentylacji umożliwia efektywne usuwanie powietrza wydychanego poza strefę przebywania ludzi, co zapobiega wzajemnemu zarażaniu się uczniów.

Na polskim rynku funkcjonuje wiele firm oferujących centrale wentylacyjne dla szkół. Większość urządzeń spełnia wszystkie wymagania norm i z powiedzeniem mogłyby być stosowane powszechnie. Nieliczne szkoły poddane zostały bowiem kompleksowej termomodernizacji, dzięki czemu jakość powietrza w ich klasach jest odpowiednia przy radykalnie niższych kosztach eksploatacyjnych [12]. Pojawiają się też niestety oferty central wentylacyjnych dla szkół, które nie spełniają żadnych wymagań, ale mają atrakcyjną cenę. Zachęceni nią samorządowcy mogą w skali kraju utopić miliony w wadliwym sprzęcie, dlatego warto rozpowszechniać dobre praktyki wyboru sprzętu wentylacyjnego dla szkół. Jakimi zatem kryteriami powinny się kierować samorządy?

Warunki techniczno­-ekonomiczne i kryteria wyboru systemu wentylacyjnego dla szkół

Instalowane w szkołach rekuperatory powinny spełniać obowiązujące w UE wymagania dla urządzeń wentylacyjnych i być dopuszczone do sprzedaży na rynku europejskim. Ponadto ich wydajność powinna zapewniać zgodną z wytycznymi WHO jakość powietrza w klasach szkolnych, czyli stężenie CO2 < 1000 ppm. Kolejne wymagania dla central to:

• zgodność z rozporządzeniem Komisji (EU) nr 1254/2014 regulującym wymagania dot. efektywności energetycznej systemów wentylacyjnych przeznaczonych do budynków mieszkalnych,
• klasa energetyczna: A+,
• filtry: klasy min. ePM1 75% wg ISO 16890,
• poziom hałasu: < 40 dB (wg PN-EN 13141-7),
• wydatek nominalny: min. 30 m³/ucznia.

Rynkowe kryteria wyboru oferty instalacji wentylacyjnej mogą zostać sprowadzone do dwóch parametrów, z których pierwszym jest prosty czas zwrotu nakładów (SPBT) na instalację wentylacji. Jego wartość wyliczamy ze wzoru:

gdzie:

CAPEX – koszty inwestycyjne, na które składają się:

1. koszt centrali,
2. koszt osprzętu, czyli kanałów wentylacyjnych i ich izolacji oraz wewnętrznych i zewnętrznych czerpni i wyrzutni anemostatów itp.,
3. koszt systemu sterowania (BMS),
4. koszt instalacji całego systemu;

∆EK – różnica pomiędzy kosztami ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego przed i po inwestycji;

OPEX – koszty eksploatacji, na które składają się:

1. roczny koszt energii elektrycznej zapewniający działanie:
   
   • wentylatorów,
   •  systemu odmrażania wymiennika,
   • układu nawilżania powietrza (jeśli centrala wentylacyjna nie ma układu odzysku wilgoci z powietrza usuwanego, powinna być obligatoryjnie wyposażona w układ nawilżania powietrza. Brak takiego układu zagraża zdrowiu dzieci),
   • automatyki;
2. koszt filtrów i ich wymiany;
3. koszty czyszczenia kanałów wentylacyjnych;
4. koszty serwisu.

Drugim kryterium powinny być warunki finansowania inwestycji. Biorąc pod uwagę złożoność techniczną instalacji i trudne do wyceny ryzyko eksploatacyjne, najkorzystniejszą formą realizacji inwestycji jest formuła, w której koszty wdrożenia energooszczędnych przedsięwzięć ponosi firma ESCO (Energy Service Company), a następnie, w trakcie trwania kontraktu, uczestniczy ona w podziale korzyści z tytułu inwestycji lub modernizacji. W tej formule kryterium wyboru stanowi podział korzyści pomiędzy firmą ESCO i jednostką samorządu terytorialnego będącą właścicielem szkoły.

Pomimo że modernizacja wentylacji polegająca na zastąpieniu wentylacji grawitacyjnej wentylacją mechaniczną z rekuperacją to duża inwestycja, rzędu 350–400 zł/m² klasy, już tylko z tytułu oszczędności energii powinna się ona zwrócić w okresie krótszym niż 15 lat. Przy obecnych stopach procentowych jest to bardzo opłacalne przedsięwzięcie. Jeśli dodatkowo uwzględnimy wspomniane powyżej straty społeczne i gospodarcze, to inwestycja państwa polskiego w poprawę jakości powietrza w szkołach będzie jedną z najbardziej opłacalnych, biorąc pod uwagę zarówno stopę zwrotu nakładów, jak i dalekosiężne skutki dla przyszłości naszego narodu. Nie ma bowiem lepszej inwestycji niż ta w wykształcenie i zdrowie młodego pokolenia, a cóż dopiero, jeśli dodatkowo wiąże się ona z redukcją emisji CO₂.

Literatura

1. https://www.muratorplus.pl/biznes/wiesci-z-rynku/jakosc-wyrobow-budowlanych-prawda-czy-falsz-aa- hNqd-WJMS-cBfe.html (dostęp: 12.01.2021).
2. https://300gospodarka.pl/live/9-najwazniejszych-deklaracji-gospodarczych-w-expose-premiera-morawieckiego (dostęp: 12.01.2021).
3. https://diagnozujmy.pl/dwutlenek-wegla/ (dostęp: 12.01.2021).
4. http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/2016/631.pdf (dostęp: 12.01.2021).
5. https://www.pap.pl/aktualnosci/news%2C1431184% 2Cbadania-stezenie-co2-w-szkolach-jest-zbyt-wysokie.html (dostęp: 12.01.2021).
6. https://www.nanosens.pl/2017/04/13/gazy-w-obiektach-inwentarskich (dostęp: 12.01.2021).
7. https://forsal.pl/artykuly/646814,raport-oecd-ile-kosztuje-wyksztalcenie-obywatela-polski.html (dostęp: 12.01.2021).
8. Niepublikowane badania własne w Zespole Szkół nr 33 w Warszawie.
9. https://parenting.pl/smog-jest-przyczyna-wielu-groznych- chorob-u-dzieci (dostęp: 12.01.2021).
10. https://businessinsider.com.pl/finanse/fundusze/polska- placi-za-smog-111-mld-zl-rocznie-raport-deloitte/sxzzdel (dostęp: 12.01.2021).
11. https://www.dw.com/pl/niemieckie-szko%C5%82y-i- covid-19-wietrzenie-to-podstawa/a-55326818 (dostęp: 12.01.2021).
12. http://eko.org.pl/index_news.php?dzial=2&kat=20&art =2233 (dostęp: 12.01.2021).
13. https://www.gov.pl/web/premier/stenogram-expos- mateusza-morawieckiego-2019 (dostęp: 12.01.2021).