Środowisko wewnętrzne w obiektach edukacyjnych – jak wentylacja i mikroklimat wpływają na uczniów i nauczycieli? 

Wywiad z Dr hab. inż. Ewą Zender-Świercz, prof PŚk¹⁾

¹⁾ Wydział Inżynierii Środowiska, Geodezji i Energetyki Odnawialnej
Politechnika Świętokrzyska
PZITS O. Kielce

 Jak Pani Profesor ocenia aktualny stan jakości powietrza w polskich szkołach i przedszkolach?

Niestety jakość powietrza w szkołach i przedszkolach jest bardzo słaba. Badaniami stanu powietrza w placów­kach edukacyjnych zajmuję się od 2006 r. i z przykrością stwierdzam, że nic, albo niewiele zmieniło się przez te lata. Nie tylko obserwacje mojego zespołu nie są optymi­styczne w tym względzie, ale również inni naukowcy po­dzielają nasze wnioski.

Czy problem jakości powietrza w obiektach edukacyjnych jest w Polsce wystarczająco dostrzegany?

Problem jakości powietrza w obiektach edukacyjnych jest mocno bagatelizowany. Obserwuję pewną specyfikę, gdzie dyrektorzy placówek zasłaniają się brakiem finan­sów, a zarządcy – gminy/miasta twierdzą, że dyrektorzy nie zgłaszają anonsów. Może działa tutaj zasada – dobry dyrektor, to ten, który nie prosi o pieniądze… Trochę lepiej jest w placówkach zarządzanych przez stowarzyszenia. W tym przypadku można zauważyć większą aktywność dyrektorów, np. pod względem pozyskiwania środków w różnego typu konkursach.

Jakie są główne źródła zanieczyszczeń powietrza w kla­sach lekcyjnych?

Główne źródła zanieczyszczeń w salach lekcyjnych to przede wszystkim ludzie – uczniowie i nauczyciele. Każdy z nas wydycha dwutlenek węgla i wilgoć. Jesteśmy również swoistymi „grzejnikami”, stąd zyski ciepła, które również stanowią źródło zaburzeń mikroklimatu. Drugim istotnym źródłem zanieczyszczeń jest powietrze zewnętrzne. Więk­szość placówek edukacyjnych jest wentylowana w sposób naturalny, a to oznacza, że powietrze świeże dopływa z ze­wnątrz bez żadnej ingerencji – ogrzewania, czy oczysz­czania. W Polsce powietrze zewnętrzne jest często mocno zanieczyszczone pyłami zawieszonymi (PM2.5, PM10) – smogiem. Jeżeli nie mamy możliwości filtracji powietrza przed doprowadzeniem go do pomieszczeń te zanieczysz­czenia dostają się do naszych dróg oddechowych.

W jaki sposób jakość powietrza wpływa na koncentrację i efektywność nauki?

Naukowcy z całego świata obserwują wpływ dwutlen­ku węgla na koncentrację uwagi. Oddychanie powietrzem o stężeniu tego gazu przekraczającym normy powodu­je senność oraz spadek koncentracji. A wiadomo, że bez odpowiedniej koncentracji uwagi zdolność przyswajania wiedzy jest mocno osłabiona. Wraz z zespołem przepro­wadziliśmy badania finansowane z środków MEiN, które obejmowały wpływ zanieczyszczeń pyłowych na funkcje poznawcze dzieci w wieku szkolnym. Funkcje poznawcze objęte analizą to koncentracja uwagi, pamięć krótko i dłu­goterminowa oraz wynik ogólny w testach poznawczych. Stwierdziliśmy negatywny wpływ zanieczyszczeń pyło­wych na wszystkie funkcje. Na obszarach, gdzie jakość powietrza zewnętrznego należy do kategorii dobra wpływ ten był najmniejszy. Najgorzej było na obszarach o indek­sie jakości zła i bardzo zła.

Czy istnieją jednoznaczne dowody na związek między mi­kroklimatem a wynikami edukacyjnymi?

Wielu naukowców obserwowało wpływ zarówno w ob­szarze wyników edukacyjnych dzieci, jak i wydajności pra­cy osób dorosłych. Można tutaj sięgnąć do doniesień z mię­dzynarodowych publikacji naukowych. Połączenie obser­wacji wpływu mikroklimatu na funkcje poznawcze z arty­kułami z dziedziny pedagogiki i psychologii, które pokazu­ją związek funkcji poznawczych z wynikami edukacyjnymi pozwala wnioskować o istnieniu takiej zależności.

Jakie objawy zdrowotne mogą wskazywać na niewłaściwe warunki środowiskowe w klasach?

Takich objawów może być naprawdę bardzo wiele. Po­cząwszy od senności odczuwanej podczas przebywania w środowisku szkolnym, przez bóle głowy, alergie, a nawet problemy kardiologiczne, czy neurologiczne. Doniesienia ze świata nauk medycznych pokazują, że oddychanie po­wietrzem zanieczyszczonym pyłami może powodować objawy demencji już u 12-to letnich dzieci. Ponieważ pyły mają bardzo małą średnicę osiadają nie tylko w naszych płucach, ale przenikają do każdej komórki ciała. Również przedostają się do dziecka w łonie matki. Artykuły nauko­we pokazują związek pomiędzy autyzmem, a przebywa­niem kobiet w ciąży w środowisku o wysokich stężeniach smogu.

Jakie systemy wentylacyjne dominują dziś w polskich szkołach?

Ogromna większość polskich szkół wentylowana jest w sposób naturalny poprzez wentylację grawitacyjną. Oznacza to, iż efektywność wymiany powietrza zależna jest od sił natury – wyporu termicznego (różnica ciężarów właściwych powietrza o różnej temperaturze) oraz napo­ru wiatru. Stąd wynika brak stabilnego usuwania zanie­czyszczeń.

Czy wentylacja grawitacyjna jest w stanie zapewnić odpo­wiednią jakość powietrza w salach lekcyjnych?

Wentylacja grawitacyjna jest zależna od chwilowych wartości temperatury oraz prędkości i kierunku wiatru. Oznacza to, że nie jest w stanie zagwarantować utrzyma­nia parametrów oraz składu powietrza w pomieszcze­niach na stałym poziomie. Ponadto powietrze zewnętrz­ne dopływając do pomieszczeń nie jest filtrowane. Zatem wraz z powietrzem zewnętrznym zanieczyszczenia w nim zawarte wpływają do pomieszczenia.

Jakie są najczęstsze błędy w projektowaniu i eksploatacji systemów wentylacyjnych w placówkach edukacyjnych?

Tak naprawdę błędem jest brak projektu wentylacji gra­witacyjnej. W praktyce sytuacja wygląda tak, że na etapie projektu architektonicznego architekci wrysowują loka­lizację kanałów grawitacyjnych zakładając wymiar kana­łu 14×14 cm i uznają sprawę za załatwioną. Tymczasem prawidłowo wykonany projekt powinien definiować opo­ry przepływu na drodze powietrza dopływającego i usu­wanego z pomieszczenia. Są to między innymi opory przy przepływie przez stolarkę okienną i drzwiową. Jeżeli chce­my, aby powietrze wypłynęło kanałem wentylacji grawita­cyjnej, to jakoś musi dopłynąć do budynku. Inne miejsce stanowiące opór dla przepływającego powietrza, to szcze­liny pod drzwiami między pomieszczeniami, albo umiesz­czone w nich kratki kontaktowe. W praktyce nie jest to wszystko uwzględniane i obliczenia nie są wykonywane, zatem nie wiadomo, czy w kanale powstanie wystarczają­co duża siła – ciąg, aby powietrze mogło przepływać.

Z kolei podczas eksploatacji bardzo częstym, obserwo­wanym przeze mnie błędem jest zamykanie, a czasem na­wet zaklejanie nawiewników okiennych. To skutkuje od­wróceniem ciągu w jednym z kanałów – nawiew zamiast wywiewu. Wówczas co robią dyrektorzy i nauczyciele? – zaklejają kratki na kanałach, aby zimne powietrze nie dopływało. Niestety takie działanie ogranicza wymianę powietrza.

Jak modernizacje energetyczne budynków szkolnych wpływają na warunki wentylacyjne?

Modernizacja najczęściej polega na izolacji termicz­nej przegród budowlanych i wymianie stolarki okiennej i drzwiowej na szczelną. Takie działania ograniczają nie tylko straty ciepła, ale również utrudniają lub uniemoż­liwiają dopływ powietrza do pomieszczeń. Ograniczenie dopływu powietrza z jednej strony owszem ogranicza do­pływ zanieczyszczeń zewnętrznych, ale z drugiej strony powoduje wzrost stężenia zanieczyszczeń emitowanych wewnątrz. Będzie to wzrost głównie temperatury powie­trza i stężenia dwutlenku węgla.

Czy poprawa efektywności energetycznej odbywa się kosztem jakości powietrza?

Bardzo często tak właśnie się dzieje. Wprowadzając ja­kiekolwiek zmiany w budynku powinniśmy patrzeć holi­stycznie i zwrócić uwagę na co jeszcze nasza zmiana wpły­wa.

Jak można uniknąć pogorszenia mikroklimatu podczas termomodernizacji?

Przede wszystkim powinniśmy zadać sobie pytanie co się stanie z wyposażeniem technicznym budynku, jak za­reaguje, jeżeli coś zmienimy. Wracając do izolacji przegród i wymiany okien – wiemy, że nowe rozwiązania mają dużą szczelność powietrzną, czyli nie będą przepuszczać powie­trza. Jeżeli nie uwzględnimy tego na etapie modernizacji mamy niemal gwarancję, że któryś kanał wentylacji gra­witacyjnej zacznie realizować nawiew. Zatem co zrobić? Należy w tym przypadku zamontować nawiewniki okien­ne, które będą realizować zadanie doprowadzania powie­trza. Tylko tutaj uwaga – będą spełniać swoje zadanie pod warunkiem, że będą otwarte i nie zaklejone, jak to często obserwuję podczas analizy zgłaszanych nam problemów.

Które parametry mikroklimatu są kluczowe w obiektach edukacyjnych (CO₂, temperatura, wilgotność powietrza)?

Kluczowe parametry to z pewnością zanieczyszczenia w postaci dwutlenku węgla i pyłów zawieszonych, ale rów­nież temperatura powietrza, która stanowi duży problem w przypadku obiektów edukacyjnych. Niestety ogromna większość sal lekcyjnych w Polsce jest przegrzewana. Ba­dania pokazują, że temperatura wewnątrz pomieszczeń utrzymywana jest na poziomie 27°C, co jest dalekie od wartości zgodnych z przeznaczeniem sal lekcyjnych, czyli 20–22°C. Wysoka temperatura powietrza sprzyja rozle­niwieniu, obniża koncentrację uwagi, która w szkole jest niezwykle ważna. Podobnie na koncentrację uwagi wpły­wa CO2 i pyły zawieszone. Oba zanieczyszczenia obniżają koncentrację uwagi, zmniejszają efektywność przyswaja­nia wiedzy. Pyły PM2.5 oraz PM10 obniżają pamięć krótko i długoterminową.

Jak często przekraczane są dopuszczalne poziomy CO₂ w klasach?

Źródłem stężenia dwutlenku węgla jest człowiek, a w sa­li lekcyjnej dzieci jest dużo. Zatem łatwo się domyśleć, że stężenie dwutlenku węgla będzie szybko rosnąć. Biorąc pod uwagę niedostateczną wymianę powietrza – niewy­dajną wentylację – ten wzrost będzie na prawdę szybki. W salach, w których nie ma nawiewników zamontowa­nych w ramach okiennych, już w trakcie pierwszej godziny lekcyjnej przekraczane są dopuszczalne wartości, tj. 300 ppm powyżej stężenia zewnętrznego, czyli powyżej ok. 1000 ppm. Nasze obserwacje pokazują, że nawet otwarcie okna na czas przerwy jest niewystarczające, aby chociaż zbliżyć stężenie wewnątrz pomieszczeń do stężenia ze­wnętrznego podczas wietrzenia. To oznacza kolejną dawkę gazu wtłaczaną podczas kolejnych godzin lekcyjnych. Stę­żenie CO2, które jest wyraźnie odczuwalne, to 5000 ppm. Mówimy wówczas, że powietrze jest „ciężkie”. Nie jest to jeszcze sytuacja zagrażająca życiu, bo o tej możemy mó­wić przy 10000 ppm, ale z pewnością są to wartości, które wpływają na efektywność uczenia się i wydajność pracy. Senność, znużenie, rozkojarzenie to stany, które będą to­warzyszyć dzieciom, a pod koniec dnia szkolnego w wielu klasach wartości stężenia CO2 są bliskie 5000 ppm.

Czy nauczyciele i administratorzy budynków mają narzę­dzia do kontroli tych parametrów?

Do pomiaru stężenia dwutlenku węgla w szkołach wen­tylowanych w sposób naturalny właściwie nie ma narzę­dzi kontroli. Jedyny sposób na redukcję gazu to rozszczel­nienie obudowy budynku poprzez usunięcie przynajmniej fragmentu uszczelek w oknach lub montaż nawiewników w ramach okiennych i pilnowanie, aby te ostatnie były otwarte. Jednocześnie bezwzględnie nie wolno, co niestety często się zdarza, zamykać/ograniczać powierzchni kratek wentylacji naturalnej. Ponadto musimy mieć świadomość, że uczniowie siedzący w pobliżu okien będą odczuwali na­pływ zimnej strugi powietrza, stąd dobrze byłoby odsunąć ławki i pozostawić wolne miejsce wzdłuż ściany z oknami.

Musimy mieć świadomość, że taka walka ze zbyt wyso­kimi stężeniami CO2 będzie wiązała się z napływem po­wietrza zewnętrznego z jego zanieczyszczeniami. To ozna­cza często napływ pyłów PM2.5, PM10. Ktoś teraz może powiedzieć to jedno naprawiamy, żeby zepsuć drugie. Nie­stety w przypadku wentylacji naturalnej idziemy na kom­promis – najniższe koszty i najsłabsza jakość powietrza. Szkoły nie są wyposażone w mechanizmy kontroli pyłów zawieszonych. A wystarcza w tym przypadku niewiele, ponieważ zwykłe przenośne oczyszczacze powietrza wy­posażone w filtry HEPA są skuteczne w redukcji pyłów. Pa­miętać jednak należy o regularnej wymianie filtrów.

Jakie systemy wentylacji najlepiej sprawdzają się w szko­łach – mechaniczne, hybrydowe czy naturalne wspoma­gane?

Z punktu widzenia jakości powietrza z pewnością syste­my mechaniczne będą najbardziej efektywne, jednak mu­simy zdawać sobie sprawę z dwóch kwestii. Po pierwsze są najdroższe w eksploatacji, a po drugie wymagają dużo miejsca na instalację. W szkołach, które istnieją i funkcjo­nują od wielu lat nie przewidywano na etapie budowy montażu kanałów i central wentylacyjnych, stąd bardzo często tego miejsca po prostu nie ma. Nie jest to sytuacja bez wyjścia, gdyż dobry projektant jest w stanie, w więk­szości przypadków, zaprojektować odpowiedni układ ka­nałów. Szansą dla rozwiązania sytuacji jest zapowiadana zmiana w przepisach prawa i zalegalizowanie montażu urządzeń zdecentralizowanej wentylacji do naprzemien­nego nawiewu i wywiewu powietrza.

Jeszcze słowo komentarza na temat wentylacji hybrydo­wej. Jest to rozwiązanie łączące poprawę jakości powie­trza z obniżeniem kosztów. Jednak poprawne zaprojekto­wanie takiego systemu wymaga wieloletnich obserwacji układu wiatrów na danym terenie, gdyż jest to system wykorzystujący siły natury, czyli siłę wiatru i wyporu ter­micznego. Ważna jest w tym przypadku lokalizacja bryły budynku, a właściwie skierowanie otworów okiennych i drzwiowych na stronę, z której wieje wiatr. W najprost­szym układzie, najczęściej spotykanym w Polsce, wenty­lacja hybrydowa ogranicza się do montażu wentylatorów hybrydowych na kanałach wentylacji grawitacyjnej celem ich wspomagania. Jednak takie rozwiązanie nie niweluje kwestii napływu zimnej strugi powietrza wraz z zanie­czyszczeniami zewnętrznymi przez nieszczelności.

Czy istnieją skuteczne, niskokosztowe metody poprawy ja­kości powietrza w istniejących obiektach?

Tak, jak już wcześniej wspomniałam dobrym rozwiąza­niem są przenośne oczyszczacze powietrza.

Jaką rolę może odegrać automatyka i

monitoring jakości powietrza?

Monitoring powietrza jest niezwykle istotny. Nasze ba­dania pokazały, iż funkcje poznawcze dzieci zależą od tego na jakim terenie pod względem indeksu jakości powietrza znajduje się szkoła. Niestety na obszarach o złej i bardzo złej jakości powietrza pamięć krótko i długoterminowa, a także koncentracja uwagi są mocno obniżone. Monito­rując powietrze zewnętrzne samorządy powinny podej­mować działania zmierzające do ograniczenia emisji, ale również zadbać o ograniczenie napływu zanieczyszczeń do obiektów edukacyjnych, np. przewidując fundusze na wyposażenie szkół we wspomniane oczyszczacze powie­trza, gwarantując środki na regularną wymianę filtrów.

Również podejmując działania edukacyjne powinni­śmy bardziej zwracać uwagę na wpływ zanieczyszczeń na zdrowie niż na globalne ocieplenie, gdyż ta informacja prędzej trafi do świadomości ludzi.

W kwestii automatyki, z pewnością sprawdzi się ona w systemach wentylacji mechanicznej i pozwoli na szyb­ką reakcję systemu w przypadku przekroczenia wartości stężeń zanieczyszczeń. Również przenośne oczyszczacze powietrza często wyposażone są w regulatory przepływu i czujniki pyłów, co pozwala urządzeniom zwiększyć in­tensywność oczyszczania w przypadku wzrostu stężenia zanieczyszczeń.

Dziękujemy Pani Profesor za niezwykle ważny głos w dys­kusji o jakości środowiska wewnętrznego w obiektach edukacyjnych. Przedstawione w wywiadzie wnioski jasno pokazują, że problem wentylacji i mikroklimatu w szko­łach nie jest jedynie kwestią techniczną, lecz ma bezpo­średnie przełożenie na zdrowie oraz efektywność nauki i pracy. Zapewnienie właściwej jakości powietrza w szko­łach powinno stać się jednym z priorytetów w zarządza­niu infrastrukturą edukacyjną – nie tylko w kontekście komfortu, ale przede wszystkim zdrowia i jakości kształ­cenia