Effective ventilation solutions for educational environments: balancing health, comfort, and sustainability in a post-pandemic scenario

Abstract

(English) Indoor air quality (IAQ) and thermal comfort are critical in educational buildings, as poor conditions have been linked to reduced cognitive performance, higher absenteeism and long-term health effects. The COVID-19 pandemic further underscored these issues, especially in naturally ventilated environments, which comprise 93% of schools in tropical or subtropical locations. Initially, schools and universities transitioned to remote learning to curb the spread of the virus. When in-person learning resumed, enhanced ventilation protocols and awareness campaigns emphasized the importance of occupants' role in maintaining IAQ in naturally ventilated environments. However, several critical questions emerged: Were short-term awareness campaigns effective in fostering long-lasting changes in ventilation behaviour? Could natural ventilation alone consistently meet air quality standards without compromising thermal comfort? As the pandemic subsided, these challenges highlighted the need for resilient solutions that could not only mitigate immediate health risks but also promote healthier, more adaptable indoor environments in the face of future public health challenges. This thesis addresses these issues through a comprehensive investigation of ventilation strategies, thermal comfort, and IAQ in naturally ventilated educational buildings during and after the COVID-19 pandemic. The study involved extensive measurement campaigns in classrooms at various academic recording variables such as CO₂ concentrations, air and mean radiant temperatures, relative humidity and air velocity. These campaigns aimed to assess both the effectiveness of natural ventilation and the sustainability of behaviour changes prompted by short-term awareness initiatives. In a first stage, a sensitivity analysis evaluates the impact of assuming certain variables when estimating thermal comfort using PMV and adaptive models from ASHRAE 55, ISO 7736, EN 16798 standards. The findings suggest that simplified thermal comfort models can provide reliable estimates when benchmarked against estimations that incorporate globe sensor measurements of mean radiant temperature (accuracy ±2 °C). This reduces the need for continuous monitoring of variables like mean radiant temperature and air velocity, streamlining thermal comfort assessments in educational settings. Regarding IAQ during and after COVID-19, the study found that natural ventilation alone often failed to meet recommended CO₂ thresholds, primarily due to the trade-off between maintaining thermal comfort and achieving adequate air exchange. Although intensive awareness campaigns led to short-term behavioural changes, the initial improvements in IAQ were short-lived, with CO₂ concentrations rising again as awareness waned. Alternative strategies, such as reduced classroom occupancy or online learning, posed logistical challenges and risked exacerbating educational inequalities. These findings emphasize the need for mechanical ventilation as the most reliable method for improving IAQ and controlling infection spread. However, mechanical systems are energy-intensive, necessitating more efficient alternatives. To address this issue, this thesis focuses on demand-controlled ventilation systems due to their potential for reducing energy demand. Specifically, it examines the characteristics that monitored data must meet for effective calibration of the models used in the control. For this purpose, grey-box models developed from 47 measurements data are used. The results show that the models are most accurate when changes in occupancy and ventilation range between 15 and 20%, and when the coefficient of variation of CO₂ is at least 0.3. These conditions enable dynamic control of ventilation systems, optimizing performance while adapting to fluctuating conditions. Additionally, the potential integration of CO₂ from classroom air into greenhouse crops was explored, revealing promising synergies.

(Català) La qualitat de l'aire interior (CAI) i el confort tèrmic són essencials en edificis educatius, ja que condicions deficients afecten el rendiment cognitiu, augmenten l'absentisme i poden perjudicar la salut. La pandèmia del COVID-19 va destacar encara més aquests problemes, especialment en entorns amb ventilació natural, que representen el 93% de les escoles de zones tropicals i subtropicals. Inicialment, l'ensenyament a distància va ser adoptat per frenar la propagació del virus. Quan es van reprendre les classes presencials, es van implementar protocols estrictes de ventilació juntament amb campanyes de conscienciació sobre la importància de la participació activa dels ocupants en el manteniment de la qualitat de l'aire. Tot i això, van sorgir preguntes clau: van ser eficaces les campanyes per fomentar canvis de comportament duradors? La ventilació natural pot complir amb els estàndards de qualitat de l'aire sense comprometre el confort tèrmic? Aquestes qüestions van subratllar la necessitat de solucions resilients que promoguin entorns més saludables i adaptables davant de futurs desafiaments. Aquesta tesi aborda aquests temes mitjançant una anàlisi exhaustiva d'estratègies de ventilació, confort tèrmic i QAI en edificis educatius amb ventilació natural, tant durant com després de la pandèmia. Inclou àmplies campanyes de monitorització en aules de diferents nivells acadèmics, mesurant variables com a concentracions de CO₂, temperatura de l'aire i mitja radiant, humitat relativa i velocitat de l'aire. L'objectiu és avaluar l'eficàcia de la ventilació natural i la sostenibilitat dels canvis de comportament impulsats per campanyes de conscienciació a curt termini. En una primera fase, es va fer una anàlisi de sensibilitat per avaluar l'impacte d'assumir determinades variables en estimar el confort tèrmic usant els models PMV i adaptatiu proposats per les normatives ASHRAE 55, ISO 7736 i EN 16798. Els resultats suggereixen que els models simplificats poden proporcionar estimacions fiables, sempre que es comparin amb estimacions que incorporen la temperatura mitjana radiant mesurada amb sensors de globus (precisió ±2 °C). Això suggereix que l'avaluació del confort tèrmic en entorns educatius es pot simplificar sense comprometre'n la precisió. Pel que fa a la QAI, l'estudi demostra que la ventilació natural sovint no és suficient per mantenir els nivells de CO₂ recomanats, principalment a causa del conflicte entre mantenir el confort tèrmic i garantir-ne una ventilació adequada. Tot i que les campanyes de conscienciació van provocar millores temporals, els nivells de CO₂ tendeixen a augmentar quan la preocupació disminueix. Estratègies com la reducció de l'ocupació de les aules o l'educació a distància presenten desafiaments logístics i podrien exacerbar les desigualtats en educació. Com a resultat, la ventilació mecànica sorgeix com la solució més fiable per millorar la QAI i controlar la propagació d'infeccions, tot i que el consum energètic elevat requereix alternatives més eficients. Per abordar aquesta qüestió, la tesi explora els sistemes de ventilació controlats per demanda, que poden reduir significativament el consum energètic. En concret, s'estudien les característiques que les dades monitoritzades han de complir per calibrar eficaçment els models usats al control. Per fer-ho, es fan servir models de caixa grisa basats en 47 mesures, mostrant que aquests són més precisos quan els canvis en l'ocupació i la ventilació varien entre un 15% i 20%, i quan el coeficient de variació del CO₂ és almenys 0,3. Aquestes condicions permeten un control dinàmic dels sistemes de ventilació, optimitzant-ne el rendiment enfront de fluctuacions en les condicions ambientals. A més, s'explora la integració del CO₂ generat a les aules en cultius d'hivernacle, revelant sinergies prometedores.

(Español) La calidad del aire interior (CAI) y el confort térmico son esenciales en edificios educativos, ya que condiciones deficientes afectan al rendimiento cognitivo, aumentan el absentismo y pueden perjudicar la salud. La pandemia del COVID-19 destacó aun más estos problemas, especialmente en entornos con ventilación natural, que representan el 93% de las escuelas de zonas tropicales y subtropicales. Inicialmente, la enseñanza a distancia fue adoptada para frenar la propagación del virus. Cuando las clases presenciales se reanudaron, se implementaron protocolos estrictos de ventilación junto con campañas de concienciación sobre la importancia de la participación activa de los ocupantes en el mantenimiento de la calidad del aire. Sin embargo, surgieron preguntas clave: ¿Fueron eficaces las campañas para fomentar cambios de comportamiento duraderos? ¿Puede la ventilación natural cumplir con los estándares de calidad del aire sin comprometer el confort térmico? Estas cuestiones subrayaron la necesidad de soluciones resilientes que promuevan entornos más saludables y adaptables ante futuros desafíos. Esta tesis aborda estos temas a través de un análisis exhaustivo de estrategias de ventilación, confort térmico y CAI en edificios educativos con ventilación natural, tanto durante como después de la pandemia. Incluye amplias campañas de monitorización en aulas de distintos niveles académicos, midiendo variables como concentraciones de CO₂, temperatura del aire y media radiante, humedad relativa y velocidad del aire. El objetivo es evaluar la eficacia de la ventilación natural y la sostenibilidad de los cambios de comportamiento impulsados por campañas de concienciación a corto plazo. En una primera fase, se realizó un análisis de sensibilidad para evaluar el impacto de asumir determinadas variables al estimar el confort térmico usando los modelos PMV y adaptativo propuestos por las normativas ASHRAE 55, ISO 7736 y EN 16798. Los resultados sugieren que los modelos simplificados pueden proporcionar estimaciones fiables, siempre que se comparen con estimaciones que incorporan la temperatura media radiante medida con sensores de globo (precisión ±2 °C). Esto sugiere que la evaluación del confort térmico en entornos educativos puede simplificarse sin comprometer su precisión. En cuanto a la CAI, el estudio demuestra que la ventilación natural a menudo no es suficiente para mantener los niveles de CO₂ recomendados, principalmente debido al conflicto entre mantener el confort térmico y garantizar una ventilación adecuada. Aunque las campañas de concienciación provocaron mejoras temporales, los niveles de CO₂ tienden a aumentar cuando la preocupación disminuye. Estrategias como la reducción de la ocupación de las aulas o la educación a distancia presentan desafíos logísticos y podrían exacerbar desigualdades en educación. Como resultado, la ventilación mecánica surge como la solución más fiable para mejorar la CAI y controlar la propagación de infecciones, aunque su elevado consumo energético requiere alternativas más eficientes. Para abordar esta cuestión, la tesis explora los sistemas de ventilación controlados por demanda, los cuales pueden reducir significativamente el consumo energético. En concreto, se estudian las características que los datos monitorizados deben cumplir para calibrar eficazmente los modelos usados en el control. Para ello, se emplean modelos de caja gris basados en 47 mediciones, mostrando que estos son más precisos cuando los cambios de ocupación y ventilación varían entre un 15% y 20%, y cuando el coeficiente de variación del CO₂ es al menos 0,3. Estas condiciones permiten un control dinámico de los sistemas de ventilación, optimizando su rendimiento frente a fluctuaciones en las condiciones ambientales. Además, se explora la integración del CO₂ generado en las aulas en cultivos de invernadero, revelando sinergias prometedoras.