Zagadnienia dotyczące poprawy energooszczędności budynków publicznych stanowią obecnie powszechny temat dyskusji, jak i przedmiot licznych projektów oraz programów dofinansowujących realizowanych zarówno na poziomie ogólnopolskim jak i samorządowym.
Szczególnym przypadkiem obiektów w których projekt termomodernizacyjny powinien być rozpatrywany wielowątkowo, uwzględniając nie tylko poprawę efektywności energetycznej jak i stanu jakości powietrza są budynki edukacyjne.

Obecna efektywność energetyczna budynków edukacyjnych

Według statystyk opracowanych przez Główny Urząd Statystyczny z budżetu finansowanych jest łącznie 52 132 budynków edukacyjnych, w których naukę od 460 tyś. nauczycieli pobiera blisko 6 mln. uczniów.

Wykres 1: Ilość obiektów edukacyjnych w Polsce , według danych Głównego Urzędu Statystycznego z dnia 01.01.2016r. 

Wykres 2: Całkowita liczba uczniów oraz nauczycieli w budynkach edukacyjnych, według danych Głównego Urzędu Statystycznego z dnia 01.01.2016 r. 

Budynki edukacyjne zgodnie z raportem Europejskiej agencji ds. środowiska zużywają około 10% energii pochłanianej przez sektor budowlany. Wchodząc głębiej w rozkład konsumowanej energii końcowej (wykres 3) przez obiekty oraz ich wyposażenie blisko 85% energii wykorzystywane jest na potrzeby ogrzewania oraz wentylacji.
W typowym budynku edukacyjnym całkowity wskaźnik energii końcowej kształtuję się na poziomie 362 [kWh/m2/rok]
Biorąc pod uwagę fakt iż w danej jednostce administracyjno-terytorialnej grupa budynków edukacyjnych podlega wspólnemu finansowaniu, który pochłania średnio 90% rocznego budżetu lokalnego przeznaczonego na eksploatację infrastruktury lokalnej koniecznym staję się opracowanie dogłębnej analizy energetycznej istniejących obiektów wraz z kompleksowym planem poprawy ich efektywności energetycznej.

Wykres 3: Rozkład zużycia energii końcowej w budynkach edukacyjnych wg. zapotrzebowania. 

Wykres 4: Zużycie energii końcowej [kWh/m2/rok] w budynkach edukacyjnych wg. zapotrzebowania
 

Stan jakości środowiska wewnętrznego w budynkach edukacyjnych

Uczniowie spędzają blisko 14000 godzin swojego życia, wdychając powietrze szkolnych klas lekcyjnych. Biorąc pod uwagę wysoki odsetek uczniów uczulonych na czynniki zewnętrzne, katastrofalną jakość powietrza zewnętrznego oraz negatywny wpływ wysokiego stężenia dwutlenku węgla na koncentrację oraz ogólne samopoczucie uczniów tak ważnym staję się analiza oraz pochylenie się nad problem stanu jakości w polskich szkołach.
Analizując rzeczywiste pomiary stanu jakości powietrza przeprowadzonego w klasie zespołu szkół ponadgimnazjalnych w Warszawie wyraźnie zauważa się że iż wentylacja naturalna nie spełnia swoich podstawowych założeń dotyczących rozcieńczania zanieczyszczeń. Po rozpoczęciu zajęć już w ciągu 30 min. stężenie dwutlenku węgla zawartego w powietrzu przekracza 1000 ppm, która stanowi maksymalne dopuszczalne stężenie ditlenku wegla w pomieszczeniach przebywania ludzi wg. organizacji ASHRE. W ciągu dnia maksymalne stężenie dwutlenku węgla osiągnęło wartość 2722 ppm., znacznie obniżając skuteczność przyswajania wiedzy przez uczniów.
Dodatkowo sala była przegrzewana, temperatura wewnętrzna przez większą część czasu przekraczała 25 [°C], jednocześnie wilgotność względna przez większy okres czasu znajdowała się poniżej granicy akceptowalności komfortu za jaką uznaje się poziom 30%.
Wszystkie w/w dane wskazują na fatalną jakość powietrza wewnętrznego w badanym budynku szkolnym, który ze względu na jego fizykę oraz zastosowane systemy instalacyjne można uznać za typowy oraz odnieść do większości istniejących budynków edukacyjnych.

Wykres 5: Przebieg zmienności stężenia dwutlenku węgla w sali lekcyjnej w ciągu jednego dnia jej użytkowania.

Wykres 6: Zmienność temperatury oraz wilgotności względnej w ciągu dnia użytkowania klasy lekcyjnej nr.205(wentylacja naturalna)- 10.01.2017r.

,,Optymalny”  proces termomodernizacji budynków edukacyjnych

Ustawa z dnia 21 listopada 2008r. o wspieraniu termomodernizacji i remontów - ,,Ustawa o termomodernizacji” definiuje działania termomodernizacyjne jako ulepszenie, w wyniku którego następuje zmniejszenie zapotrzebowania na energię niezbędną do ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej – poprawa efektywności energetycznej obiektu. 
Tradycyjnie ,,rutynowe” przedsięwzięcie termomodernizacyjne w budynkach edukacyjnych ogranicza się w większości przypadków jedynie do poprawy izolacyjności przegród budowlanych oraz wymiany stolarki okienno-drzwiowej. W przypadku ,,głębszego” podejścia dodatkowo eliminowane są problemy nieefektywnego oraz nie-ekologicznego źródła ciepła obiektu.
Rutynowa termomodernizacja obiektów edukacyjnych ogranicza się jedynie do redukcji zużycia energii nie biorąc pod uwagę poprawy złej jakości środowiska (powietrza) wewnętrznego.
Dodatkowo uszczelnienie struktury budynku, a w szczególności stolarki okiennej zasadniczo ogranicza naturalną wymianę powietrza oraz napływ świeżego, powietrza zewnętrznego znacząco poniżej minimalnych wartości higienicznych. Biorąc pod uwagę specyfikę termomodernizowaniach obiektów edukacyjnych tj. duża powierzchnia przeszkleń, szczelna stolarka oraz wysokie zagęszczenie uczniów ze względu na wysokie wartości wewnętrznych jak i zewnętrznych zysków ciepła obserwuje się stałe przegrzewanie sal lekcyjnych oraz uczucie duszności wśród uczniów. Biorąc pod uwagę wszystkie w/w aspekty według autora artykułu każde przedsięwzięcia termomodernizacyjne obiektów edukacyjnych powinny być rozpatrywane a następnie przeprowadzane indywidualnie oraz ,,optymalnie” ze szczególnym uwzględnieniem działań służących podniesieniu jakości środowiska wewnętrznego.  

Rys. Rutynowe oraz optymalne działania termomodernizacyjne obiektów oraz ich wpływ na efektywność energetyczną oraz jakość środowiska wewnętrznego budynków 

System wentylacji mechanicznej budynków edukacyjnych oparty na centrali wentylacyjnej wyposażonej w periodyczny wymiennik ciepła.

Optymalna termomodernizacja budynków edukacyjnych musi swoim zakresem obejmować działania służące poprawie jakości środowiska wewnętrznego sal dydaktycznych.
Prawidłowym podejściem staje się zmiana sposobu wentylacji pomieszczeń przebywania uczniów z nieefektywnej oraz niekontrolowanej wentylacji naturalnej na zrównoważoną, efektywną wentylację mechaniczną.
Szczególnie interesującym rozwiązaniem dedykowanym do pracy w obiektach oświaty jest system wentylacji mechanicznej oparty na centrali wentylacyjnej wyposażonej w periodyczny wymiennik przeciwprądowy zapewniający wysokosprawny odzysk ciepła oraz wilgoci z powietrza wyciąganego.  

Rys. Rekuperator Onyx Premium

Istota pracy periodycznego wymiennika ciepła polega na aktywnym przełączaniu się przeciwstawnych, ,,szybkich” przepustnic powietrza, które powodują naprzemienną zmianę kierunku przepływającego powietrza przez wymiennik ciepła. Przepustnice przełączają się cyklicznie, a czas ich przełączania jest ściśle uzależniony od panującej temperatury zewnętrznej.
Olbrzymią zaletą energetyczną jak i eksploatacyjną stosowania systemów wentylacyjnych wyposażonych w periodyczne wymienniki ciepła oraz wykorzystaniu jest całkowite wyeliminowanie zapotrzebowania na energię pierwotną związaną z koniecznością zapobiegania szronieniu i zamarzania płyt wymiennika przeciwprądowego, jednocześnie przy zachowaniu nominalnej, bardzo wysokiej sprawności odzysku ciepła.  
W powszechnie stosowanych systemach wentylacyjnych przy niskich temperaturach zewnętrznych gdy temperatura powietrza po stronie wyrzutowej wymienników rekuperacyjnych kształtuje się w okolicach 0-3°C występuje bardzo wysokie prawdopodobieństwo zamrożenia wymiennika skutkujące znacznym lub nawet całkowitym spadkiem sprawności odzysku ciepła. Tradycyjnie procedura anty-zamrożeniowa polega na gradacji wydatków wentylatora nawiewnego względem wywiewnego oraz aktywacji elektrycznej nagrzewnicy wstępnej, działania te przyczyniają się do zmniejszenia komfortu użytkowników – zaburzenie nominalnych parametrów pracy centrali (powstawanie podciśnienia) oraz znacznych kosztów eksploatacyjnych. W przypadku systemów wyposażonych w obrotowe, regeneracyjne wymienniki ciepła w okresach niskich temperatur zauważymy znaczne zwolnienie ich prędkości obrotowych skutkujące spadkiem sprawności odzysku ciepła do wartości bliskim 50%.

Analizując pracę centrali wentylacyjnej w rzeczywistych warunkach przy temperaturze zewnętrznej bliskiej -15°C, temperaturze wewnętrznej w klasie wynoszącej 20°C, temperatura powietrza nawiewanego w ciągu całego okresu użytkowania sali lekcyjnej kształtowała się na poziomie bliskim 18°C. Sprawność temperaturowa odzysku ciepła w ciągu całego dnia znajdowała się w pobliżu swojego maksimum nie spadając w żadnym punkcie pomiarowym poniżej 90%. Bardzo wysoka, niezmieniająca się sezonowa sprawność odzysku ciepła pozwala na całkowitą rezygnację z nagrzewnic wtórnych obniżając zarówno koszty inwestycyjne jak i eksploatacyjne użytkowania budynku.

Wykres 7: Zmienność temperatur powietrza czerpanego, nawiewanego oraz wyciąganego w ciągu dnia użytkowania klasy lekcyjnej nr.207(wentylacja mechaniczna, periodyczny wymiennik ciepła) - 10.01.2017 r

Wykorzystując proces odzysku wilgoci z powietrza wyciąganego o sprawności bliskiej 70%, wilgotność względna powietrza nawiewanego do pomieszczeń nie spadała poniżej wartości komfortu tj. 30% eliminując zjawisko przesuszania pomieszczeń za pomocą strumienia wentylacyjnego pochodzącego ze standardowych systemów wentylacyjnych oraz konieczność stosowania systemu nawilżania, który cechuję się bardzo wysoką energochłonnością.

Wykres 8: Zmienność wilgotności względnej powietrza czerpanego, nawiewanego, wyciąganego oraz wyrzutowego w ciągu dnia użytkowania klasy lekcyjnej nr.207 (wentylacja mechaniczna, periodyczny wymiennik ciepła) - 10.01.2017

Wykres 9: Zmienność wartości sprawności temperaturowej odzysku ciepła oraz odzysku wilgoci z powietrza wywiewanego w ciągu dnia użytkowania klasy lekcyjnej nr.207 (wentylacja mechaniczna, periodyczny wymiennik ciepła) - 10.01.2017 r.

Cykliczna zmiana położeń przepustnic powietrza nie zmienia zasadniczo nominalnych strumieni powietrza nawiewanego oraz wywiewanego z klasy lekcyjnej. Dla projektowego wydatku powietrza wynoszącego 1500 m3/h różnice te nie przekraczają +/- 10% co jest wartością akceptowalną. Dodatkowo system wentylacyjny za pomocą zastosowanego czujnika CO2 w strefie przebywania uczniów dopasowuje odpowiedni strumień wentylacyjny w celu utrzymania stężenia dwutlenku węgla na poziomie 1000 ppm.

Wykres 10: Zmienność strumieni wentylacyjnych oraz stężenia dwutlenku węgla w ciągu dnia użytkowania klasy lekcyjnej nr.207 (wentylacja mechaniczna, periodyczny wymiennik ciepła) – 10.01.2017r.

 Dodatkowo centrala wyposażona jest w obustronne obejście wymiennika ciepła, wbudowaną komorę recyrkulacyjną oraz zawansowany system automatyki oparty na swobodnie sterowanym sterowniku PLC, który zapewnia szerokie możliwości integracji z obiektowymi źródłami ciepła lub chłodu.
 
Podsumowanie

Wszelkim działaniom promocyjnym na rzecz oszczędzania energii powinny towarzyszyć działania uświadamiające znaczenie problematyki jakości powietrza. Działania termomodernizacyjne wszelkich obiektów publicznych powinny być przeprowadzane w sposób optymalny uwzględniając działania prowadzące do poprawy jakości środowiska wewnętrznego, które w sposób efektywny mogą być realizowane poprzez zastosowanie systemu wentylacji mechanicznej wyposażonej w periodyczny wymiennik ciepła gwarantujący energooszczędną pracę systemu przy bardzo wysokiej sprawności odzysku ciepła oraz wilgoci niezmieniającym się w trakcie całego sezonowego okresu użytkowania centrali. 

Autor: Daniel Satoła, Menadżer Produktu ds. systemów wentylacyjnych