Analysis of the impact of ventilation systems on indoor air quality and energy demand in a retrofitted school building
Joanna Ferdyn-Grygierek1), Krzysztof Grygierek2)
1)Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska
2)Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska
Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, 57 (6), 14-23, DOI: https://doi.org/10.65545/COW.2026.06.02
Słowa kluczowe: szkoła, wentylacja, zużycie energii, efektywność energetyczna, jakość powietrza, symulacja energetyczna
Streszczenie
W artykule przedstawiono ocenę efektywności energetycznej i jakości powietrza w budynku szkoły podstawowej po termomodernizacji w zależności od przyjętej strategii wentylacji. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem sprzężonej symulacji dynamicznej (EnergyPlus-CONTAM), uwzględniającej rzeczywiste
warunki użytkowania obiektu, emisję zanieczyszczeń oraz zmienność warunków zewnętrznych. Rozpatrzono cztery warianty wentylacji: grawitacyjną, hybrydową z wietrzeniem, mechaniczną o stałym strumieniu powietrza oraz mechaniczną ze zmiennym strumieniem sterowanym stężeniem CO2.
Wykazano, że wentylacja grawitacyjna nie zapewnia wymaganej jakości powietrza, ponad 80% czasu użytkowania sal lekcyjnych przypada na najniższą kategorię jakości (stężenie CO2>1750 ppm), mimo bardzo niskiego zużycia energii. Wprowadzenie wietrzenia poprawia warunki środowiska (udział kategorii
IV spada do 16%), jednak ponad 50% czasu nadal nie spełnia wymagań normowych, a zużycie energii wzrasta o ok. 170%. Zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła pozwala na utrzymanie wysokiej jakości powietrza (ponad 95% czasu w kategoriach I–II) przy jednoczesnym ograniczeniu
zużycia energii o ok. 35% względem wariantu z wietrzeniem. Dodatkowe zastosowanie regulacji wydajności central wentylacyjnych (VAV) umożliwia dalszą redukcję zużycia energii o ok. 6% w skali budynku oraz ograniczenie zużycia energii elektrycznej do napędu wentylatorów o ok. 45%. Wyniki wskazują, że kompleksowa modernizacja budynków szkolnych powinna obejmować nie tylko poprawę izolacyjności przegród, lecz również modernizację systemu wentylacji.
Pobierz artykuł w formacie PDF
Pobierz cały numer w formacie PDF
Keywords: school, ventilation, energy consumption, energy efficiency, air quality, energy simulation
Abstract
This paper presents an assessment of energy performance and indoor air quality in a primary school building after thermal retrofitting, depending on the applied ventilation strategy. The analysis was carried out using coupled dynamic simulation (EnergyPlus-CONTAM), taking into account actual occupancy patterns, pollutant emissions, and varying outdoor conditions. Four ventilation scenarios were considered: natural (gravity) ventilation, hybrid ventilation with window airing, mechanical ventilation with constant airflow, and mechanical ventilation with variable airflow controlled by CO2 concentration. The results
show that natural ventilation does not ensure the required indoor air quality, with over 80% of occupied classroom time falling into the lowest quality Category (CO2 >1750 ppm), despite very low energy consumption. The introduction of window airing improves indoor conditions (the share of Category
IV decreases to 16%); however, for more than 50% of the time, the conditions still do not meet standard requirements, while energy consumption increases by approximately 170%. The use of mechanical ventilation with heat recovery enables maintaining high indoor air quality (over 95% of the time in Categories I–II) while reducing energy consumption by approximately 35% compared to the window airing scenario. The additional application of variable air volume ventilation (VAV) allows for further reduction of energy consumption by about 6% at the building scale and decreases fan electricity use by approximately
45%. The results indicate that comprehensive retrofitting of school buildings should include not only improvements to the thermal envelope but also modernization of the ventilation system.
Download the article in PDF format
Download the entire issue in PDF format
Bibliografia / Bibliography
Amanowicz, Ł., Ratajczak, K., & Szczechowiak, E. (2019). Analiza możliwości stosowania systemu wentylacji zdecentralizowanej w budynkach edukacyjnych. Instal, (10), 20–26. https://doi.org/10.36119/15.2019.10.3
ASHRAE. (2017). ANSI/ASHRAE Standard 55-2017: Thermal environmental conditions for human occupancy. American Society of Heating, Refrigerating and Air‐Conditioning Engineers (ASHRAE): Atlanta, GA, USA.
Calama-González, C. M., León-Rodríguez, Á. L., & Suárez, R. (2019). Indoor Air Quality Assessment: Comparison of ventilation scenarios for retrofitting classrooms in a hot climate. Energies, 12(24), 4607. https://doi.org/10.3390/en12244607
Calama-González, C. M., León-Rodríguez, Á. L., & Suárez, R. (2021). Indoor environmental assessment: Comparing ventilation scenarios in pre- and post-retrofitted dwellings through test cells. Journal of Building Engineering, 43, 103148. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103148
Coggins, A. M., Wemken, N., Mishra, A. K., Sharkey, M., Horgan, L., Cowie, H., Bourdin, E., & McIntyre, B. (2022). Indoor air quality, thermal comfort and ventilation in deep energy retrofitted Irish dwellings. Building and Environment, 219, 109236. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109236
Duda, L. (2021). Wentylacja szkół – warunek konieczny dla rozwoju Polski. Rynek Instalacyjny, 1–2.
Ferdyn-Grygierek, J., Baranowski, A., Blaszczok, M., & Kaczmarczyk, J. (2019). Thermal Diagnostics of natural ventilation in Buildings: an Integrated approach. Energies, 12(23), 4556. https://doi.org/10.3390/en12234556
Fix, A. J., Pamintuan, B. C., Braun, J. E., & Warsinger, D. M. (2022). Vapor-selective active membrane energy exchanger with mechanical ventilation and indoor air recirculation. Applied Energy, 312, 118768. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.118768
Grygierek, K., Nateghi, S., Ferdyn-Grygierek, J., & Kaczmarczyk, J. (2023). Controlling and Limiting Infection Risk, Thermal Discomfort, and Low Indoor Air Quality in a Classroom through Natural Ventilation Controlled by Smart Windows. Energies, 16(2), 592. https://doi.org/10.3390/en16020592
Heebøll, A., Wargocki, P., & Toftum, J. (2018). Window and door opening behavior, carbon dioxide concentration, temperature, and energy use during the heating season in classrooms with different ventilation retrofits—ASHRAE RP1624. Science and Technology for the Built Environment, 24(6), 626–637. https://doi.org/10.1080/23744731.2018.1432938
Li, C., Cui, C., & Li, M. (2022). A proactive 2-stage indoor CO2-based demand-controlled ventilation method considering control performance and energy efficiency. Applied Energy, 329, 120288. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.120288
Măgurean, A. M., & Petran, H. A. (2023). Analysis of Measured CO2 Levels through Long-Term Monitoring in Renovated Multifamily Buildings: A Common Case. Buildings, 13(8), 2113. https://doi.org/10.3390/buildings13082113
McGill, G., Oyedele, L. O., & McAllister, K. (2015). Case study investigation of indoor air quality in mechanically ventilated and naturally ventilated UK social housing. International Journal of Sustainable Built Environment, 4(1), 58–77. https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2015.03.002
Merema, B., Delwati, M., Sourbron, M., & Breesch, H. (2018). Demand controlled ventilation (DCV) in school and office buildings: Lessons learnt from case studies. Energy and Buildings, 172, 349–360. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.04.065
Minister Infrastruktury i Rozwoju. (2015). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (Dz.U. 2015 poz. 376, ze zm.).
Minister Rozwoju i Technologii. (2022). Obwieszczenie z dnia 15 kwietnia 2022 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2022 poz. 1225).
NFOŚiGW (2024). B1.1.3 Wymiana źródeł ciepła i poprawa efektywności energetycznej szkół. Program Priorytetowy „Wymiana źródeł ciepła i poprawa efektywności energetycznej szkół” Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.
Otoo, C., Lu, T., & Lü, X. (2024). Application of Mixed-Mode ventilation to enhance indoor air quality and energy efficiency in school buildings. Energies, 17(23), 6097. https://doi.org/10.3390/en17236097
Park, J., & Kim, H. (2012). A field study of occupant behavior and energy consumption in apartments with mechanical ventilation. Energy and Buildings, 50, 19–25. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.03.015
Pereira, P. F., Ramos, N. M., Almeida, R. M., Simões, M. L., & Barreira, E. (2017). Occupant influence on residential ventilation patterns in mild climate conditions. Energy Procedia, 132, 837–842. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.669
Persily, A., & De Jonge, L. (2017). Carbon dioxide generation rates for building occupants. Indoor Air, 27(5), 868–879. https://doi.org/10.1111/ina.12383
PKN. (2019). PN-EN 16798-1:2019-06 Charakterystyka energetyczna budynków – Wentylacja budynków – Część 1: Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego do projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków w odniesieniu do jakości powietrza wewnętrznego, środowiska cieplnego, oświetlenia i akustyki – Moduł M1-6. Polski Komitet Normalizacyjny.
Popiołek, Z. (Ed.). (2013). Poradnik diagnostyki cieplnej budynków (tom 5). Politechnika Śląska.
Rizzo, K., Camilleri, M., Gatt, D., & Yousif, C. (2024). Optimising mechanical ventilation for indoor air quality and thermal comfort in a Mediterranean school building. Sustainability, 16(2), 766. https://doi.org/10.3390/su16020766
Stabile, L., Massimo, A., Canale, L., Russi, A., Andrade, A., & Dell’Isola, M. (2019). The effect of ventilation strategies on indoor air quality and energy consumptions in classrooms. Buildings, 9(5), 110. https://doi.org/10.3390/buildings9050110
Typowe lata meteorologiczne. Dostęp online https://dane.gov.pl/dataset/797,typowe-lata-meteorologiczne-i-statystyczne-dane-klimatyczne-dla-obszaru-polski-do-obliczen-energetycznych-budynkow
Wallner, P., Munoz, U., Tappler, P., Wanka, A., Kundi, M., Shelton, J., & Hutter, H. (2015). Indoor Environmental Quality in Mechanically Ventilated, Energy-Efficient Buildings vs. Conventional Buildings. Wentylacja szkół – warunek konieczny dla rozwoju Polski. Rynek Instalacyjny, 12(11), 14132–14147. https://doi.org/10.3390/ijerph121114132
Ye, Y., Chen, Y., Zhang, J., Pang, Z., O’Neill, Z., Dong, B., & Cheng, H. (2021). Energy-saving potential evaluation for primary schools with occupant-centric controls. Applied Energy, 293, 116854. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116854
Zhang, S., Ai, Z., & Lin, Z. (2021). Novel demand-controlled optimization of constant-air-volume mechanical ventilation for indoor air quality, durability and energy saving. Applied Energy, 293, 116954. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116954
Zhuang, C., Shan, K., & Wang, S. (2021). Coordinated demand-controlled ventilation strategy for energy-efficient operation in multi-zone cleanroom air-conditioning systems. Building and Environment, 191, 107588. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.107588