Kvalita vzduchu a teplotní prostředí ve třídách s různými systémy větrání
Originální text v AJ: Indoor Air Quality and Thermal Environment in Classrooms with Different Ventilation Systems
Autoři: Jie Gao (Mezinárodní centrum vnitřního prostředí a energie, Katedra stavebního inženýrství, Technická univerzita Dánska, Škola životního prostředí a výstavby měst, Univerzita architektury a technologie Xi’an, P.R.China), Pawel Wargocki (Mezinárodní centrum vnitřního prostředí a energie, Katedra stavebního inženýrství, Technická univerzita Dánska), Yi Wang (Škola životního prostředí a výstavby měst, Univerzita architektury a technologie Xi’an, P.R.China)
Tento článek představuje měření vnitřního klimatu ve třídách jedné školy v Dánsku. Třídy měly různé systémy větrání: Větrání se provádělo buď ručně otevřením oken nebo pomocí automaticky ovládaných oken s a bez odtahového ventilátoru v provozu, nebo pomocí rovnotlakého nuceného větrání. Po dobu jednoho měsíce se nepřetržitě sledovala teplota vzduchu v místnostech, koncentrace oxidu uhličitého (CO2) a otevírání oken v topné sezóně i mimo topnou sezónu; naměřená hodnota koncentrace CO2 se použila k odhadu průměrné míry větrání ve třídě. Výsledky ukazují, že nucené větrání a přirozené větrání s automaticky fungujícími okny se odtahovým ventilátorem bylo znatelně lepší než ostatní systémy. To rovněž signalizuje, že otvírání oken bylo do značné míry ovlivněno zvyky a návyky. Stávající výsledky je možno použít jako základ logického výběru systémů, které zajistí adekvátní větrání tříd.
Tento článek vyšel v časopise REHVA Journal 4/2014 a na TZB-info je publikován v rámci dohody o spolupráci mezi pořadatelem Aquatherm Praha 2016 a mezinárodní organizací REHVA, která je partnerem veletrhu.Úvod
Hlavním účelem větrání ve třídách je vytvoření takových podmínek vnitřního prostředí, které sníží riziko zdravotních problémů mezi žáky a minimalizují jejich nepohodlí za účelem zabránění negativním vlivům výuky [1–5].
V mnoha školách v Evropě se stále očekává, že větrání ve třídách se provádí tak, že učitelé a žáci si otevřou okna [6–7]. Narůstající počet školních tříd se nyní vybavuje prostředky pro jiné způsoby větrání tříd. Tyto zahrnují kromě jiného automaticky ovládaná okna, podtlakové větrání s využitím odvodních ventilátorů nebo nucených ventilačních systémů s rovnoměrnou dodávkou a odsáváním vzduchu z centrální nebo místní klimatizační jednotky. Systematická data o výkonu těchto různých typů větrání ve školách stále ještě nejsou k dispozici, zejména pokud jde o jejich vliv na vnitřní prostředí ve třídách, na zdraví žáků a učitelů nebo na výuku; existují nějaké údaje o jejich energetickém výkonu [8–9]. Zajímavé je, že je i velmi málo údajů o chování žáků při otvírání oken a jejich vlivu na větrání třídy a klima místnosti; několik údajů o chování při otvírání oken je k dispozici pro jiné typy budov, zejména obydlí [10].
Hlavním cílem této práce je poskytnutí údajů o dlouhodobém výkonu různých metod dosahování větrání tříd a o jejich vlivu na vnitřní klima ve třídě [11].
Metodologie
a)
b)
Obr. 1. Třídy, v nichž probíhalo měření:
(a) třída s automaticky ovládanými okny a odtahovým ventilátorem;
(b) nuceně větraná třída.
Studie byla provedena na základní škole v Dánsku umístěné ve venkovské oblasti severně od Kodaně. Byly vybrány tři třídy, kde se větrání normálně provádí automaticky ovládanými okny a odtahovým ventilátorem (Obr. 1a). Dvě z těchto tříd byly pro účely těchto pokusů přizpůsobeny k vytvoření dvou různých režimů větrání jak s ručně, tak s automaticky ovládanými okny; ovládání ve třetí třídě zůstalo beze změny. Navíc byla vybrána jedna třída, kde se větrání provádí pomocí rovnotlakého nuceného větracího systému s průtokem vzduchu 120 l/s na třídu (Obr. 1b). Všechny třídy mohly být navíc větrány pomocí oken nebo dveří do zahrady, které mohli žáci nebo učitelé ručně otevřít. Žádná třída neměla nainstalované strojní chlazení. Typologie tříd je uvedena v Tab. 1.
| Třída | Zkratka | Popis systému větrání | Průměrné obsazení | Objem prostoru [m3] | Plocha podlahy [m2] | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Netopná sezóna | Topná sezóna | |||||
| 1 | MW | Třída větraná ručně ovládanými okny | 22 | 19 | 123,5 | 49,4 |
| 2 | AW | Třída větraná primárně automaticky ovládanými okny | 24 | 22 | 123,5 | 49,4 |
| 3 | AW/EF | Třída větraná primárně automaticky ovládanými okny a odtahovým ventilátorem | 25 | 24 | 123,5 | 49,4 |
| 4 | MV | Třída větraná primárně nuceným větracím systémem | 20 | 16 | 180 | 72 |
Měření se prováděla po dobu jednoho měsíce jak mimo topnou sezónu (květen), tak v topnou sezónu (listopad-prosinec). Měření zahrnují měření koncentrace CO2 s využitím čidla VAISALA GM20D (přesnost: ±30 ppm +2% čtení) připojeného k zapisovacímu přístroji HOBO U12. Zapisovací přístroj navíc zaznamenával teplotu třídy (přesnost: ±0,7 °C) a relativní vlhkost (RH) (přesnost: ±5% RH). Otvírání oken (ruční i automaticky ovládané) a dveří do zahrady bylo zaznamenáváno s využitím zapisovacích přístrojů HOBO State, které byly připojeny k rámu každého okna/ dveří v každé třídě, ve které měření probíhalo. K odhadu míry větrání se použil vyvažovací model za předpokladu, že rychlost tvorby CO2 na žáka je 0,004 l/s a na učitele 0,0054 l/s; k přibližně minimální rychlosti dodávky venkovního vzduchu byla použita průměrná špičková koncentrace CO2 [12]. Vnější CO2 byl odhadnut na 350 ppm.
Výsledky a diskuze
Teploty naměřené ve třídách mimo topnou sezónu byly systematicky vyšší než teploty v topné sezóně (Obr. 2). Teploty naměřené v různých třídách mimo topnou sezónu byly mezi 22 °C a 26 °C a nebyly stejnoměrné: Nejvyšší teplota byla naměřena ve třídě, kde se nedalo větrat ručním otevřením oken/dveří do zahrady, a nejnižší teplota byla naměřena v nuceně větrané třídě. Nicméně třídy lze obecně klasifikovat jako prostory, ve kterých se plní vysoká pravděpodobnost splnění teplotních podmínek nezávisle na nainstalovaném systému větrání [13]. V topné sezóně byl vážený průměr teplot ve třídě mezi 19 °C až 25 °C. Teploty ve třídách bez nuceného větrání byly podobné; ve třídě s nuceným větráním byly teploty ráno poněkud nižší. Následkem toho mohly být třídy bez nuceného větrání klasifikovány jako prostory splňující vysokou míru pravděpodobnosti, zatímco třída s nuceným větráním splnila pouze mírnou úroveň pravděpodobnosti [13]. Třídy byly vytápěny radiátory naplněnými vodou umístěnými pod okny. Radiátory byly vybaveny termostatickými ventily, ale jejich nastavení nebylo během měření zaznamenáno. Rozdíly v teplotách ve třídách se tak mohly objevit v důsledku různého nastavení těchto ventilů, které mohly být ovládány učiteli i žáky podle jejich potřeb.
Obr. 2. Teploty během školních hodin ve třídách s různými systémy větrání mimo topnou (vlevo) a v topné sezóně (vpravo); pruhy vyznačují pásma vnitřních teplot s rozdílnou mírou pravděpodobnosti týkající se teplotního prostředí podle normy EN15251 [13] (zkratky viz Tab. 1).Koncentrace CO2 naměřené ve třídách byly systematicky nižší mimo topnou sezónu než během topné (Obr. 3). Průměrná koncentrace CO2 byla mimo topnou sezónu nižší než 1.000 ppm ve všech třídách a pouze ve třídě, kde bylo za účelem větrání nutno ručně otvírat okna, byla špičková koncentrace vyšší než 1.000 ppm. Byly zde zřetelné rozdíly v průměrné koncentraci CO2 ve třídách během topné sezóny: koncentrace CO2 byly blízké nebo vyšší než 1.000 ppm ve všech třídách a nejvyšší koncentrace byla naměřena ve třídě, kde bylo za účelem řádného větrání nutno ručně otvírat okna, zatímco druhá nejvyšší koncentrace CO2 byla pozorována ve třídě s automaticky ovládanými okny, kde nebyl v provozu žádný odtahový ventilátor.
Obr. 3. Koncentrace CO2 během školních hodin ve třídách s různými systémy větrání mimo topnou (vlevo) a v topné sezóně (vpravo); křivka ukazuje CO2 při koncentraci 1.000 ppm, jejíž úroveň nesměla být ve třídách překročena [14] (zkratky viz Tab. 1).Dánský stavební řád určuje, že větrání ve třídách by měla být přibližně 6 l/s na osobu [14]. Odhadovaná rychlost dodávky vnějšího vzduchu splnila požadavky Dánského stavebního řádu pouze ve třídě s nuceným systémem větrání a téměř byly tyto požadavky splněny ve třídě s automaticky ovládanými okny s odtahovým ventilátorem. Během topné sezóny byly odhadované intenzity větrání nižší než ty mimo topnou sezónu a pouze třída s nuceným systémem větrání splnila požadavky Dánského stavebního řádu (Tab. 2). Nižší intenzity větrání byly pravděpodobně důsledkem méně častého otvírání oken, jak ručního, tak automatického (Obr. 4). Zejména nižší vnější teplota způsobuje uvnitř průvan a omezuje otvírání oken. Následkem toho je zde potřebná instalace alternativního systému, který umí větrat, i když okna zůstávají zavřená v důsledku nepříznivých povětrnostních podmínek, nebo informovat žáky a učitele, že je třeba okna otevřít [15].
| Mimo topnou sezónu | Topná sezóna | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MW | AW | AW/EF | MV | MW | AW | AW/EF | MV | |
| Špičková koncentrace CO2 [ppm] | 1463 | 1319 | 1093 | 887 | 2200 | 1447 | 1303 | 954 |
| −273 | −154 | −147 | −149 | −436 | −248 | −185 | −147 | |
| Odhadovaná míra větrání [l/s na osobu] | 3,8 | 4,3 | 5,6 | 7,8 | 2,3 | 4,2 | 4,5 | 7,3 |
| (0,9) | (0,8) | (1,0) | (1,2) | (0,6) | (0,9) | (1,3) | (1,8) | |
Na základě počtu otevřených oken a době trvání otevření oken zaznamenané zapisovacími přístroji je průměrná doba, po kterou byla okna za den v různých třídách otevřena, počítána zvlášť pro netopnou a topnou sezónu (Obr. 4). Výsledky ukazují, že ručně ovládaná okna / dveře do zahrady byly během topné sezóny otvírány méně často a obecně po mnohem delší dobu ve třídě, kde bylo za účelem větrání třídy nutno otvírat okna ručně. Celková doba, po kterou byla v různých třídách otevřena všechna okna/ dveře do zahrady (ručně a automaticky ovládaná), byla mnohem delší ve třídách s automaticky ovládanými okny. Byl to zejména případ mimo topnou sezónu, kdy byla okna/ dveře do zahrady otevřena téměř celý školní den, tj. v průměru 6 až 7 hodin denně. Okna byla otevřena dokonce ve třídě s nuceným systémem větrání, což naznačuje, že otvírání oken je ve velké míře ovlivněno zvyky a návyky osazenstva.
Obr. 4. Poměr času s otevřenými okny během výuky ve třídách s různými systémy větrání mimo topnou sezónu (vlevo) a během topné sezóny (vpravo), (zkratky viz Tab. 1).Závěry a důsledky
Měření ukazují, že výkon nuceného větrání a přirozeného větrání s automaticky ovládanými okny, kdy je zajištěno adekvátní větrání, byl výrazně lepší než ve třídách, kde se za účelem větrání musela otvírat okna ručně nebo kde se okna otvírala automaticky, ale bez prostředků zajišťujících, že větrání bude adekvátní (odtahový ventilátor mimo činnost). Tyto výsledky jasně neurčují, který ze dvou preferovaných systémů je lepší. Dvě nejdůležitější kritéria výběru je spotřeba energie a zajištění podmínek, které nemají negativní vliv na výuku. Nic z toho nebylo rozhodující. Umístění školy a klimatické podmínky patří rovněž k faktorům, které je možno při výběru systému větrání zvažovat. V tomto případě nečinila úroveň okolního znečištění žádná omezení pro přirozené systémy větrání s ručně nebo automaticky ovládanými okny: škola byla umístěna na předměstí. V místech, kde okolní znečištění nesplňuje úrovně doporučované WHO [16], se musí před dodávkou vzduchu do místností použít nějaké filtrační prostředky a čištění vzduchu.
Silná stránka těchto měření spočívá v tom, že byla prováděna po relativně dlouhou dobu (1 měsíc) ve dvou různých obdobích, takže se dají výsledky aplikovat na celý školní rok. Omezením je, že třída, ve které nepracoval odtahový ventilátor, nebyla speciálně navržena pro jednostranné přirozené větrání k podpoře kříženého větrání. Dále byli učitelé a žáci zvyklí na automaticky ovládaná okna, a to i ve třídě, kde se nepoužívala. To by mohlo mít vliv na rozsah větrání a snížit počet oken, která se otvírala ručně. Přes tato omezení představují naměřené výsledky cestu a základ pro logický výběr systémů zajišťujících adekvátní větrání tříd a přijatelnou kvalitu vnitřního prostředí po dobu celého školního roku.
Poděkování
Podpora byla získána z projektu „ Větrání ve školách – Větrání, chlazení a vzdělávání ve vysoce výkonných renovovaných školních budov“ (School vent cool – Ventilation, cooling a education in high performance renovated school buildings) Dánského úřadu pro podniky a výstavbu (Danish Enterprise a Construction Authority – EBST), grant č. 10/00786 v rámci programu EU Eracobuild – strategické vytváření sítí RDI programů při stavbě a provozování budov (Eracobuild – Strategic Networking of RDI Programs in Construction and Operation of Building sand) z fondu Bjarne Saxhof’s Foundation v Dánsku. Poděkování patří také Národnímu přírodnímu vědeckému fondu Číny (National Natural Science Foundation of China) – projekt č. 51238010. Autoři chtějí poděkovat Gitte Thorup Tranholmové z WindowMaster A/S, Dánsko, za pomoc při sestavování strategie řízení v různých třídách, a školníkovi Peru Pedersenovi za pomoc a podporu.
Reference
- [1] Daisey, J. M., Angell, W. J. a Apte, M. G. (2003) Indoor air quality, ventilation a health symptoms in schools: an analysis of existing information. Indoor Air, 13(1), 53–64.
- [2] Salleh, N. M., Kamaruzzaman, S. N., Sulaiman, R. a Mahbob, N. S. (2011) Indoor Air Quality at School: Ventilation Rates a It Impacts Towards Children – A review. 2nd International Conference on Environmental Science a Technology, Vol. 6: 418–422.
- [3] Wargocki, P. a Wyon, D. P. (2013) Providing better thermal a air quality conditions in school classrooms would be cost-effective, Building a Environment, 59, 581–589.
- [4] Bakó-Biró, Z., Clements-Croome, D. J., Kochhar, N., Awbi, H. B. a Williams, M. J. (2012) Ventilation rates in schools a pupils’ performance. Building a Environment, 48, 215–223.
- [5] Haverinen-Shaughnessy, U., Moschandreas, D. J. a Shaughnessy, R. J. (2011). Association between substandard classroom ventilation rates a students’ academic achievement. Indoor Air, 21(2), 121131.
- [6] Santamouris, M., Synnefa, A., Asssimakopoulos, M., Livada, I., Pavlou, K., Papaglastra, M., Gaitani, N., Kolokotsa, D. a Assimakopoulos, V. (2008). Experimental investigation of the airflow a indoor carbon dioxide koncentrace ve třídách s intermittent natural ventilation. Energy a Buildings, 40(10), 1833–1843.
- [7] Wyon, D., Wargocki, P., Toftum, J. a Clausen, G. (2010). Classroom ventilation must be improved for better health a learning. REHVA Journal, 3:12–16
- [8] Di Perna, C., Mengaroni, E., Fuselli, L. a Stazi, A. (2011). Ventilation strategies in school buildings for optimization of air quality, energy consumption a environmental comfort in Mediterranean climates. International Journal of Ventilation, 10(1), 61–78.
- [9] Steiger, S., Roth. J a Ostergaard. L. (2012) Hybrid ventilation- the ventilation concept in the future school buildings? The AIVC-TIGHVENT Conference, 204–208.
- [10] Fabi, V., Andersen, R. V., Corgnati, S. a Olesen, B. W. (2012). Occupants’ window opening behaviour: A literature review of factors influencing occupant behaviour a models. Building a Environment, 58, 188–198.
- [11] Gao, J., Wargocki, P. a Wang, Y. (2014). Ventilation system type, classroom environmental quality a pupils' perceptions a symptoms. Building a Environment, 75, 46–57.
- [12] Persily, A. K. (1997). Evaluating building IAQ a ventilation s indoor carbon dioxide. ASHRAE Transactions, American Society Of Heating Refrigerating a Air Conditioning Engineers, 103, 193–204.
- [13] EN15251-2007. (2007). European Standard on Indoor environmental input parameters for design a assessment of energy performance of buildings- addressing indoor air quality, thermal environment, lighting a acoustics.
- [14] Building Regulations. (2010). The Danish Ministry of Economic a Business Affairs. Copenhagen, 2010.
- [15] Wargocki, P. a Da Silva, N. A. F. (2014) Use of visual CO2 feedback as a retrofit solution for improving classroom air quality. Indoor Air, in the Press.
- [16] WHO: Air quality guidelines. Global update 2005. (2006) Particulate matter, ozone, nitrogen dioxide a sulfur dioxide. Copenhagen, WHO Regional Office for Europe.
Originální text v AJ: Indoor Air Quality and Thermal Environment in Classrooms with Different Ventilation Systems
This article presents the measurements of indoor climate in classrooms in the same school in Denmark. The classrooms had different ventilation systems: Ventilation was achieved either by manually operable windows, or by automatically operable windows with and without an exhaust fan in operation, or by a balanced mechanical ventilation system. Indoor air temperature and carbon dioxide (CO2) concentration, as well as opening of windows were continuously monitored for one month in the non-heating and heating seasons; measured CO2 concentration was used to estimate average classroom ventilation rates. The results show that mechanical ventilation and natural ventilation with automatically operable windows with exhaust fan performed notably better than the other systems. They indicate also that opening of windows was largely affected by customs and habits. Present results can be used as the basis for rational selection of systems that ensure adequate classroom ventilation.
