Aká je kvalita vnútorného prostredia v školských budovách? Toto ukázali merania

Problém zlej kvality ovzdušia v školských budovách sa v súčasnosti intenzívne rieši, je však otázne, či majú projektanti, architekti, ale aj personál týchto budov vedomosti o tom, aká by mala byť optimálna mikroklíma vnútorného prostredia v jednotlivých priestoroch škôl.

Zariadenia pre deti a mládež sa zriaďujú v zdravotne vhodnom prostredí, ktoré je chránené pred škodlivými faktormi vonkajšieho prostredia, najmä pred hlukom a zdrojmi znečistenia ovzdušia. Väčšina školských budov však bola zriadená ešte v minulom storočí a napriek tomu, že sa niektoré zrekonštruovali, stav ich vnútornej mikroklímy nie je vyhovujúci.

Je dôležité, aby tepelno-vlhkostné podmienky v školách boli čo najlepšie. Prirodzené vetranie s otváraním okien je dobrým zvykom, ale nezaručuje dostatočnú výmenu vzduchu a je kontraproduktívne v prípade škôl v rušných oblastiach. Zároveň to nie je dobré riešenie z hľadiska úspor energie a rizika vystavenia detí chorobám vzhľadom na teplotné zmeny v chladných mesiacoch.

Problém zlej kvality ovzdušia v školských budovách sa v súčasnosti intenzívne rieši, je však otázne, či majú projektanti, architekti, ale aj personál týchto budov vedomosti o tom, aká by mala byť optimálna mikroklíma vnútorného prostredia v jednotlivých priestoroch škôl.

Vetranie, tzn. proces výmeny vzduchu medzi vnútornými a vonkajšími priestormi, môže prebiehať prirodzene, mechanicky alebo kombináciou oboch metód. Nedostatočné vetranie predstavuje významné riziko pre kvalitu vzduchu v interiéri, čo je rozhodujúcim faktorom pohody ľudí, ktorí sa v ňom nachádzajú. Účinnosť vetrania zohráva kľúčovú úlohu pri formovaní kvality vnútorného vzduchu.

Tá sa udáva v predpisoch dvomi spôsobmi – buď ako dávka vonkajšieho vzduchu (napríklad v l/s na osobu či l/s na m² podlahovej plochy), alebo ako počet výmen vzduchu za hodinu. Do úvahy treba brať i ďalšie faktory ovplyvňujúce kvalitu vzduchu, a to najmä produkciu znečisťujúcich látok, počet osôb v priestore, ich činnosť, použité materiály, teplotu a vlhkosť vzduchu a účinnosť vetrania [1].

Prirodzené vetranie

Vetranie, resp. vetracie zariadenie zabezpečuje prívod čerstvého vonkajšieho vzduchu do vnútorného priestoru objektu a odvod vzduchu znehodnoteného primiešanými látkovými škodlivinami, prípadne produkovaným teplom. Pri prirodzenom vetraní dochádza k výmene vzduchu v miestnosti pôsobením prírodných síl. Tieto sily sa prejavujú ako dôsledok vonkajších klimatických podmienok. Ich pôsobením vzniká tlakový rozdiel medzi vonkajším a vnútorným prostredím, vďaka ktorému sa vzduch pohybuje. Ide o gravitačnú silu a sily spôsobené vetrom [2].

V reálnych podmienkach prostredia, v ktorom sa budova nachádza, je však táto transformácia ovplyvnená viacerými faktormi. Okrem rýchlosti a smeru vetra sú to tvar a poloha miesta v budove, konfigurácia terénu v okolí budovy, tvar a poloha prípadných prekážok pred budovou atď. [2, 3]. Vetranie oknami je najpoužívanejším systémom prirodzeného vetrania v obytných a kancelárskych budovách. Využíva oba princípy prirodzeného vetrania.

Infiltrácia

Vetranie infiltráciou predstavuje výmenu vzduchu v miestnosti vonkajším vzduchom vnikajúcim vplyvom pretlaku netesností v obvodovom plášti budovy a cez póry použitých stavebných materiálov. Dominantnou je výmena vzduchu škárami otvárateľných okien či vonkajších dverí. Zdrojom pretlaku je rozdiel teplôt alebo vietor.

Objemový prietok infiltrovaného vzduchu Q prúdiaceho do miestnosti dĺžkou škár otvárateľných krídiel okien a dverí sa vypočíta ako:

Q=i.l.Δpⁿ

kde:

• i je súčiniteľ škárovej prievzdušnosti [(m³/(s . m . Pan)],
• l – dĺžka škár (m),
• Δp = Δpt + Δpw – rozdiel tlaku vyvolaný vplyvom teplôt Δpt a pôsobením vetra Δpw (Pa),
• n – exponent charakterizujúci prúdenie vzduchu škárou (–); bežne n = 0,67.

Vetranie oknami

Vetranie oknami predstavuje najrozšírenejší spôsob prirodzeného vetrania miestností. Výpočet objemového prietoku privádzaného vzduchu Q_p je odvodený len pre účinok teploty a vychádza z problematiky aerácie, ale s tým, že jediný otvor (okno) slúži na prívod aj odvod vzduchu. Vypočíta sa ako:

kde:

• μ je prietokový súčiniteľ (–),
• a – šírka okna (m),
• b – výška okna (m),
• ρ_s – stredná hustota vzduchu,
• ρ_e – hustota vonkajšieho vzduchu (kg/m³),
• ρ_i – hustota vnútorného vzduchu (kg/m³),
• g – gravitačné (tiažové) zrýchlenie (m/s²).

Experimentálne meranie

V 15 základných školách sa uskutočnilo meranie vybraných parametrov vnútorného prostredia. Každé meranie trvalo 5 pracovných/školských dní od pondelka do piatka.

Cieľ merania

Cieľom experimentálneho merania bolo:

• overiť, či teplota a vlhkosť vnútorného vzduchu, koncentrácia oxidu uhličitého (CO₂) akoncentrácia tuhých častíc PM (10 a 2,5) v priestoroch základných škôl spĺňajú požiadavky stanovené v príslušných právnych dokumentoch a technických normách,
• posúdiť, či sú splnené právne a normové požiadavky, v opačnom prípade určiť dôvody ich nesplnenia.

Metodika merania

Metodika z hľadiska meraných parametrov

Merané boli parametre ako teplota vnútorného vzduchu, relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu, koncentrácia CO₂ a tuhé častice PM10 a PM2,5.

Metodika z hľadiska meraných parametrov

Merania teploty vnútorného vzduchu, relatívnej vlhkosti vnútorného vzduchu a koncentrácie CO₂ sa uskutočnili pomocou senzora značky Vaisala typ GMW90 a záznamníka údajov značky HOBO, typ 4 (obr. 1).

Senzor Vaisala má rozsah meranej teploty vzduchu od –5 °C do +55 °C s presnosťou pri teplote +10 až 30 °C ±0,6 °C. Relatívnu vlhkosť vzduchu dokáže prístroj merať v rozsahu od 0 do 95 % s presnosťou ±2.5 % pri 0 až 60 %, ±3,0 % pri 60 až 80 % a ±4,0 % pri 80 až 95 %. Koncentráciu CO₂ možno merať v rozsahu 0 – 5 000 ppm, s presnosťou pri teplote +10 až +30 °C ±35 ppm [6].

Záznamník údajov HOBO podporuje zber, ukladanie a analýzu údajov zo senzora Vaisala pomocou softvéru HOBOware. Prevádzkový rozsah záznamníka je pri teplote od –20 do +70 °C a pri vlhkosti 0 až 95 %. Zaznamenávania možno nastaviť v intervaloch od 1 sekundy do 18 hodín. Záznamník má pamäť 4 MB, čo predstavuje približne 1,9 milióna meraní [7].

Meranie koncentrácie PM2,5 a PM10 sa uskutočnilo senzorom Flow 2. generácie (obr. 2).

Senzor pracuje v rozsahu detekcie od 0 do 300 µg, pričom ako jediné vreckové zariadenie dokáže merať najrozšírenejšiu škálu znečisťujúcich látok (PM1, PM2,5, PM10, NO2 a VOC/prchavé organické zlúčeniny) súčasne. Výrobca uvádza, že namerané hodnoty vysoko (na úrovni okolo 90 %) korelujú s referenčnými zariadeniami, ktorými sú monitorovacie stanice a laboratórne monitory.

Princíp snímania pevných častíc spočíva vo vyžiarení laserového lúča na vzduch, ktorý je privádzaný ventilátorom obsiahnutým v zariadení. Vždy keď je častica zasiahnutá, svetlo sa rozptýli a automaticky ho deteguje fotovoltický článok, ktorý premieňa lúče lasera na merateľný elektrický prúd. Dáta získavané z tohto senzora sa zaznamenávajú pomocou mobilného softvéru, ktorý umožňuje okamžitý prehľad, ale aj ďalšiu prácu so získanými dátami [8] .

Metodika z hľadiska času a podmienok merania

Meranie vybraných veličín prebiehalo od 16. 1. 2023 do 31. 3. 2023. V každej zo škôl sa meralo od pondelka do piatka. Meranie sa začalo vždy v pondelok pred začiatkom vyučovania a ukončilo v piatok po vyučovaní. Hodnoty teploty vnútorného vzduchu, relatívnej vlhkosti vnútorného vzduchu a koncentrácie CO₂ boli zaznamenávané v 5-minútových intervaloch a hodnoty PM v minútových intervaloch.

Metodika z hľadiska umiestnenia snímačov

Krátkodobé kontinuálne meranie vybraných veličín sa realizovalo v triedach 5. až 7. ročníka základnej školy. Vo väčšine tried sa za meracie miesto zvolil vrch skrine (obr. 3), aby sa nenarúšal priebeh vyučovania. Všetci žiaci a vyučujúci boli informovaní o prebiehajúcich meraniach a boli požiadaní o zvýšenú opatrnosť, aby sa predišlo posunutiu, prípadne poškodeniu meracích zariadení.

Analýza výsledkov meraní

Škola	Dátum merania 2023	Rozsah teplôt vnútorného vzduchu θi (°C)	Rozsah vlhkostí vnútorného vzduchu φ (%)	Maximálna koncentrácia CO2 (ppm)	Priemerná 24 h koncentrácia PM10 (µg/m3)	Priemerná 24 h koncentrácia PM2,5 (µg/m3)
1	16. 1. – 20. 1.	17,8 – 25,9	34,7 – 55,8	2 913	56,59	7,20
2	23. 1. – 27. 1.	19,7 – 23,8	28,4 – 56,7	3 319	53,55	16,15
3	23. 1. – 27. 1.	16,6 – 25,8	30,3 – 62,9	3 284	48,22	5,71
4	30. 1. – 3. 2.	17,8 – 24,1	37,4 – 50,9	3 920	–	–
5	30. 1. – 3. 2.	18,0 – 23,2	36,1 – 59,1	4 649	50,11	49,31
6	6. 2. – 10. 2.	20,2 – 25,7	19,6 – 34,7	2 305	31,92	4,91
7	6. 2. – 10. 2.	17,2 – 26,2	17,7 – 34,2	2 759	19,82	4,62
8	13. 2. –17.2.	16,6 – 24,3	31,1 – 49,1	4 496	13,89	4,19
9	13. 2. – 17. 2.	18,5 – 24,6	24,8 – 42,2	2 625	42,54	7,44
10	27. 2. –3. 3.	20,7 – 28,2	20,8 – 56,1	2 439	44,47	6,78
11	27. 2. – 3. 3.	19,4 – 25,9	28,0 – 46,3	2 952	39,78	4,49
12	6. 3. –10. 3.	19,6 – 26,3	23,8 – 43,6	3 416	39,00	5,05
13	6. 3. – 10. 3.	17,5 – 25,4	27,7 – 43,3	3 653	33,71	4,39
14	13. 3. – 17. 3.	20,4 – 25,4	21,8 – 44,8	3 180	21,94	3,40
15	27. 3. – 31. 3.	20,4 – 25,4	25,4 – 47,1	2 568	24,04	3,64

Tab. 1 Výsledky z experimentálnych meraní

Posúdenie výsledkov meraní

Stav teploty vnútorného vzduchu v triedach (tab. 1) bol v nadväznosti na požiadavky definované v právnych a technických predpisoch (tab. 2) akceptovateľný, keďže teplota vnútorného vzduchu sa počas celého merania v chladnom období roka nachádzala v intervale 20 až 24 °C.

V určitých meracích bodoch chladného obdobia však bola teplota vnútorného vzduchu v niektorých časoch počas dňa prekročená. Išlo najmä o hodnoty vo večerných, v nočných a ranných hodinách, keď teplota vystúpila na hodnoty mimo optimálnych teplôt. Vo väčšine škôl boli prekročené aj prípustné hodnoty podľa STN EN 16798-1:2019 (18 až 26 °C). V tomto kontexte je možné prostredie charakterizovať z hľadiska tepelného stavu ako prijateľné, ale nie ideálne.

Priestor	t0 (°C)	φ (%)	n  (1/h)
Zariadenie pre deti a mládež
Herne a spálne pre deti do 6 rokov veku	najmenej 22	30 – 70	5
Umyvárne a WC pre deti do 6 rokov veku	najmenej 24	30 – 70	8
Učebne, herne, denné miestnosti	20 – 24	30 – 70	3 – 8
Telocvične, cvičebne	15	30 – 70	5
Šatne pri telocvičniach, cvičebniach	najmenej 20	30 – 70	5
Umyvárne a WC pri telocvičniach	najmenej 24	30 – 70	8
Iné šatne, chodby, záchody	najmenej 15	30 – 70	5

Tab. 2 Parametre tepelno-vlhkostnej mikroklímy v priestoroch s osobitnými požiadavkami [9]

Relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu bola takmer počas celého merania dodržaná v požadovaných hodnotách 30 až 70 %, v niektorých časových intervaloch však klesla pod požadovanú spodnú hranicu 30 %.

Kvalita vnútorného vzduchu v jednotlivých triedach bola v nadväznosti na požiadavky definované v právnych a technických predpisoch čiastočne prijateľná, len čo sa však žiaci nachádzali v triede, hodnoty koncentrácie CO₂ niekoľkonásobne prevyšovali odporúčanú limitnú hodnotu (tab. 3).

Kategória	Zodpovedajúca koncentrácia CO2 nad vonkajšou koncentráciou v PPM pre neadaptované osoby
I	550
II	800
III	1 350
IV	1 350

Tab. 3 Návrhová koncentrácia CO₂ nad vonkajšou koncentráciou za predpokladu štandardnej emisie CO₂ 20 l/(h/osoba) [4]

Denná priemerná koncentrácia PM10 bola prekročená v štyroch triedach (tab. 1), ale v určitých dňoch sa približovala k limitnej koncentrácii (tab. 4) vo viacerých z tried.

Denná priemerná koncentrácia PM2,5 bola prekročená iba v dvoch triedach (tab. 1), v jednej z týchto tried však merací prístroj nemeral po celý čas experimentálneho merania vzhľadom na chybu spojenia meracieho prístroja s mobilnou aplikáciou.

V škole č. 4 chýbajú namerané dáta, takisto v dôsledku chyby spojenia meracieho prístroja s mobilnou aplikáciou.

Znečisťujúca látka	WHO 2021
PM2,5	24-h priemerná koncentrácia: 15 µg/m3 ročná priemerná koncentrácia: 5 µg/m3
PM10	24-h priemerná koncentrácia: 45 µg/m3 ročná priemerná koncentrácia: 15 µg/m3

Tab. 4 Limitné hodnoty pre hodnotenie kvality ovzdušia podľa WHO (Svetová zdravotnícka organizácia) [5]

Záver 

Celková kvalita vnútorného prostredia v školských budovách je vskutku zásadná, a to predovšetkým z dôvodu nárokov na sústredenú prácu a kognitívne funkcie pri učení. Zabezpečenie kvalitného vnútorného prostredia v školách by zároveň malo byť súčasťou systémového prístupu v podpore kvalitnej výchovy a vzdelávania detí, do ktorého patrí samotný systém vzdelávania, zdravá strava či dostatok pohybu a rovnako tak prostredie, v ktorom sa deti vzdelávajú.

Príspevok podporilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantov VEGA 1/0303/21, VEGA 1/0304/21. Bol publikovaný v zborníku z konferencie Vnútorná klíma budov 2023. Organizátorom a súčasne vydavateľom zborníka je SSTP.

TEXT: Ing. Pavol Štefanič
FOTO: autor, Shutterstock

Článok bol uverejnený v časopise TZB 3/2024