Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Teoretické předpoklady zajištění hygienické výměny vzduchu v obytných místnostech Bakalářská práce Brno 2008 Jaroslav Kukuliš
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Fakulta lesnická a dřevařská Ústav základního zpracování dřeva Teoretické předpoklady zajištění hygienické výměny vzduchu v obytných místnostech Bakalářská práce Brno 2008 Vedoucí bakalářské práce: prof. Ing. Josef Polášek,Ph.D. Vypracoval: Jaroslav Kukuliš
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav základního zpracování dřeva 2007/2008 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Jaroslav Kukuliš Dřevařství Dřevařství Název tématu: Teoretické předpoklady zajištěni hygienické výměny vzduchu v obytných místnostech Rozsah práce: 35 Zásady pro vypracování: 1. Úvod 2. Metodika: Patentová a literární rešerše technických řešení regulované výměnyvzduchu 3. Cil práce: Volba hodnoticích kriterií pro návrh technického řešení regulované výměny vzduchu 4. Vyhodnocení dokumentace podle zvolených kriterií 5. Návrh zaměření dalšího výzkumu v dané problematice 6. Resume 7. Použitá literatura
Seznam odborné literatury: 1. ROŽNOVSKÝ, J. Bioklimatologie. MZLU v Brně, 1998. 155 s. ISBN 80-7157- 291-8. 2. JOKL, M. Zdravé obytné a pracovní prostředí. Praha: Academia, 2002. 261 s. ISBN 80-200-0928-0. 3. POLÁŠEK, J. Technická normalizace a posuzování shody. 1.vydání. Brno: MZLU, 2005. 200s. ISBN 80-7157-876-2 4. POLÁŠEK, J. Konstrukce a technologie stavebně truhlářských výrobků, okna, dveře, podlahy. Brno: MZLU, 2005. 74s. 5. ĆSN EN 12114 Tepelné chvání budov - Stanovení průvzdušnosti stavebních dílců a prvků Datum zadání bakalářské práce: únor 2008 Termín odevzdání bakalářské práce: duben 2008 L.S. Jaroslav Kukuliš řešitel bakalářské práce prof. Ing. Josef Polášek, Ph.D. vedoucí bakalářské práce prof. Ing. Miroslav Rousek, CSc. vedoucí ústavu doc. Dr. Ing. Petr Horáček děkan LDF MZLU v Brně
Poděkování Dovoluji si tímto poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce prof. Ing. Josefovi Poláškovi, Ph.D, za odborné vedení, metodickou pomoc a cenné rady, které mi poskytl při zpracování této práce.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci: Teoretické předpoklady zajištění hygienické výměny vzduchu v obytných místnostech" zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor bakalářské práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. Brno 2008, dne... Podpis studenta...
Abstrakt Jméno posluchače: Jaroslav Kukuliš Název práce: Teoretické předpoklady zajištění hygienické výměny vzduchu v obytných místnostech Name: Jaroslav Kukuliš Title: Teoretical aspects of possibilities to guarantee sanitary requirements of interior microclimate Abstrakt Tato práce rozebírá hlediska optimálních vlastností interiérového mikroklimatu, hygienických nároků na limitní obsahy škodlivin, jejich hlavní zdroje a množství produkovaná v závislosti na využití bytu a možnosti jak se výměna vzduchu může uskutečňovat. Zaměřením této práce je charakteristika různých systémů regulované výměny vzduchu, stanovení hodnotících kritérií pro posouzení jejich vhodnosti z hlediska teoretických podkladů problematiky a nástin dalšího možného vývoje v této oblasti. Klíčová slova: interiér, vzduch, mikroklima, hygienické nároky, technická řešení výměny vzduchu Abstrakt This research analyses optimal characteristics of interior microclimate, sanitary requirements on the limits of harmful substances, their main sources and quantities produced in dependence on the use of the interior space and possibilities of air flow. This project focuses on characterizing various systems of regulated air flow, determining criteria for assessing their convenience from the point of view of theoretical aspects of the situation, and outlining possible future developments in this field. Key words: interior, air, microclimate, sanitary requirements, technical solutions of air changing
Obsah 1. Úvod 3 2. Cíl práce 5 3. Metodika 6 3.1. Obytná místnost 7 3.2. Charakteristika klimatických podmínek 8 3.3. Optimální interiérové mikroklima 10 3.3.1. Vlhkost 10 3.3.2. Teplota 13 3.3.3. Rychlost proudění vzduchu v místnostech 13 3.3.4. Odérové mikroklima a koncentrace plynů 14 3.3.5. Pohoda prostředí 17 4. Fyzikální zákonitosti výměny vzduchu 19 4.1. Přirozené větrání zajišťované okny 19 4.1.1. Hlavní a vedlejší funkce okna 19 7.1.2. Vyvození tlaku způsobujícího výměnu vzduchu 20 7.1.3. Prostup vzduchu netěsnostmi 22 7.1.4. Větrání otevřením oken 24 4.2. Systémy nucené výměny vzduchu 24 4.2.1. Charakteristika nuceného větrání 24 4.2.2 Centrální vzduchotechnická jednotka s rekuperací 26 4.2.3. Klasické větrání v porovnání s větráním s rekuperací 27 5. V současnosti používaná technická řešení 29 5.1. Navrhovaná hodnotící kriteria 29 5.2. Vybrané systémy regulované výměny vzduchu 30 5.2.1. Mikroventilace a perforované těsnění 30 5.2.2. Okenní a dveřní větrací mřížky 31 5.2.3. Okenní větrací drážky Regel air s omezovačem objemu 32 5.2.4. Gaelan Gecco: Klimatické okno 33 5.2.5. Rehau AirComfort: Samočinný regulační systém větrání 34 5.2.6. Rehau BLR 115 4-K: Infiltrace s využitím profilu 35 5.2.7. ComfortAir: Otopná tělesa s větráním 36 5.2.8. Rekuperační výměníky 37
5.2.9. Hybridní větrací systémy 40 6. Zhodnocení systémů na základě stanovených kritérií 43 7. Návrh zaměření dalšího výzkumu v dané problematice 47 8. Závěr 49 9. Shrnutí, summary, resume 50 10. Literatura 52 11. Přílohy 55 2
1. Úvod Čerstvý vzduch je podmínkou zdravého dýchání. Všechny živé organismy jsou závislé na neustálém, přivádění kyslíku a odvádění produktů metabolismu, především oxidu uhličitého. Tímto nápadně připomínají oheň, tedy plamenný proces oxidace, jehož trvání je také podmíněno přiváděním kyslíku a odvodem spalin. Tato podobnost není náhodná, je zapříčiněna stejnou podstatou obou, tedy uvolňování energie oxidací za vzniku odpadních produktů. Od pradávna kdy člověk získal oheň je na něm existenčně závislý, tak se oheň dostal do obytných místností kde sloužil k vytápění a tepelné úpravě pokrmů. Oba pod jednou střechou jsou, oheň i člověk, závislí na čerstvém vzduchu s obsahem kyslíku, který se neustále znehodnocuje míšením s produkty metabolismu (spalování) a je potřeba jej pravidelnou výměnou občerstvovat. To bylo dříve zajišťováno skrze všemožné netěsnosti v konstrukci samotných lidských obydlí, která jak se postupně zdokonalovala, stávala se z prostého důvodu udržení tepla stále nepropustnější pro venkovní v našich klimatických podmínkách většinu roku chladný vzduch. Vliv chladného zimního období je nejvíce patrný u historických domů, kde se spaliny z ohniště v černé kuchyni pouštěli pouze pod střechu. Důvodem takového počínání, které krom nezdravého prostředí snadno mohlo skončit požárem byly jednak snaha využít veškeré teplo které oheň poskytoval, nebo například ve Finsku to byla vyměřená daň z komína, která lidi k takovémuto počínání vedla. Spaliny se shromažďovaly pod střechou a občas byly vyvětrány. Postupem času se stal samostatný komín pro odvod spalin z topeniště nedílnou součástí každého obydlí. Tím že komínem odcházely spaliny a oheň sál vzduch z místnosti vznikl podtlakový větrací systém. Chybějící vzduch se do místnosti dral poháněn vzniklým podtlakem skrz různé netěsnosti. Okolo dveřních otvorů a pod prahem, dále netěsnostmi okenních konstrukcí, spárami mezi ostěním a rámem i mezi rámem a křídly. Tímto nejjednodušším podtlakovým větráním, působením komínového tahu a přisáváním netěsnostmi, byla zajišťována dostatečná obměna vzduchu v obytné místnosti ve které pobývali lidé a hořel oheň. Pokud se zdá být taková představa lidského obydlí historická a neaktuální pro dnešní dobu a její podmínky, stačí se podívat do kuchyně v panelovém domě s plynovým sporákem a digestoří. Zde je použít ten samý model podtlakového větrání a topeniště s otevřeným ohněm. V takovémto případě musí netěsnosti i při zavřených oknech zajistit dostatečné promíchání vzduchu, aby osoby v takovéto místnosti 3
pobývající nebyly ohroženy nehygienickým ovzduším s vysokým obsahem zdraví škodlivého oxidu uhličitého ( při nedokonalém spalování i jedovatého oxidu uhelnatého) na úkor obsahu kyslíku. Nástin takovýchto podmínek vnitřního prostředí obytných místností dokládá důležitost větrání z pohledu zajištění povinné hygienické výměny vzduchu. Postupem času byly hledány způsoby kterými by se zamezilo vnikání studeného venkovního vzduchu, což ve své nekontrolované a neregulované podobě narušovalo obytné prostředí průvanovými zónami a ochlazováním interiéru. Byly aplikována stále dokonalejší a neprodyšnější těsnění, a místo toho aby se hledala řešení která by množství i způsob proudícího vzduchu usměrňovala a regulovala tak, aby se omezily jeho největší negativní vlivy, tedy chlad a průvan, našlo se řešení jak stavební otvorové výplně, okna a dveře, utěsnit téměř dokonale. To umožňují aplikace dvojitých i trojitých těsnění a vyspělých celoobvodových kování. Tyto systémy jsou zajisté přínosem v oblasti těsnosti proti nárazovému větru a dešti i bezpečnosti proti neoprávněnému vniknutí, je však nezbytné při jejich navrhování do interiérů myslet i na výměnu vzduchu v interiéru, kterou dříve okenní konstrukce plnily, nyní ji však díky vysokým požadavkům na těsnost ztratily. Při chybném návrhu se lze setkat s negativním dopadem hermetického utěsnění otvorů. Vzduch s vysokým obsahem oxidu uhličitého a vysokou relativní vlhkostí, která může na chladných místech kondenzovat a vytvářet rosení, při dlouhodobém působení pak podporovat rozvoj plísně, je nezdravým prostředím pro člověka a je příčinou špatného hoření ohně i nebezpečí nedokonalého spalování nebo zhášení plamene. Větrací funkci okenních otvorových výplní dnes postupně přebírá samostatná skupina technických řešení ať už do konstrukce okna integrovaných nebo zcela samostatných. Jsou to zařízení zajišťující hygienickou výměnu vzduchu v místnosti, bez nežádoucích účinků průvanu a chladu. Toho je docilováno usměrňováním a předehříváním vzduchu spolu s optimalizací jeho množství a systémy blokujícími průnik nárazového větru a deště. Tyto systémy jsou koncipovány tak, aby fungovaly samostatně, s minimálními zásahy uživatele a při zavřených oknech. Těmito systémy, jejich technickými charakteristikami a jejich zhodnocením podle stanovených hodnotících kritérií, výhodami a naopak nedostatky stávajících technických řešení a nástinem dalšího možného vývoje se zabývá tato práce. 4
2. Cíl práce Práce si klade za cíl soustředit dostupné teoretické poznatky a technická řešení oboru regulované výměny vzduchu v obytných místnostech do logicky uceleného celku nabízejícího souhrn nejdůležitějších aspektů problematiky. Představuje nároky obyvatel na obytné prostředí charakterizované příjemným mikroklimatem a hygienickým ovzduším v interiéru a v současnosti nabízená technická řešení zajišťující regulovanou výměnu vzduchu porovnaná dle stanovených hodnotících kritérií. 5
3. Metodika Tato práce obsahující shrnutí současných teoretických poznatků a technických řešení regulované výměny vzduchu je výsledkem literární a patentové rešerše provedené s využitím moderních vyhledávacích systémů výpočetní techniky. Literární rešerše byla provedena počítačovým vyhledávacím rozhraním Univerzitní knihovny Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity a Moravské zemské knihovny v Brně. Patentová rešerše je výsledkem postupného vyhledávání klíčových slov problematiky v síti world wide web. Z výsledků vyhledávání byly vybrány stránky a dokumenty prezentující technická řešení regulované výměny vzduchu, dále články v odborných časopisech a internetových portálech, které se touto problematikou zabývají, nebo ji doplňují o mezioborové souvislosti a nejnovější informace. Jednotlivá technická řešení a jejich parametry jsou představeny spolu s hodnotícími kritérii navrhovanými na základě teoretických předpokladů k posouzení jejich funkční vhodnosti pro současný obytný interiér a naše klimatické podmínky. 6
3.1. Obytná místnost Právní úprava Při vymezení daného pojmu je proto nutno vyjít ze stavebních předpisů. Za obytnou je ve smyslu ust. 3 písm. m) vyhlášky č. 137/1998 Sb. považována část bytu (zejména obývací pokoj, ložnice, jídelna), která je určena k trvalému bydlení, má nejmenší podlahovou plochu 8 m 2 a splňuje požadavky stanovené citovaným předpisem; pokud byt tvoří jediná obytná místnost, musí mít podlahovou plochu nejméně 16 m 2. Všeobecné požadavky na obytnou místnost jsou stanoveny zejména v ust. 22 odst. 3 a 4, 23 odst. 2 a 24 cit.: - úroveň podlahy obytné místnosti musí ležet alespoň 150 mm nad upraveným terénem pozemku hraničícím s touto místností a alespoň 500 mm nad hladinou podzemní vody, pokud místnost není chráněna před nežádoucím působením vody technickými prostředky; tím nejsou dotčeny požadavky stanovené zvláštními předpisy, - světlá výška místností, pokud není zvláštním předpisem nebo ustanoveními této vyhlášky stanoveno jinak, musí být alespoň: 1. 2 600 mm v obytných místnostech, 2. 2 300 mm v obytných místnostech v podkroví, přičemž místnosti se skosenými stropy musí mít tuto světlou výšku nejméně nad polovinou podlahové plochy. - musí mít zajištěno dostatečné denní osvětlení, přímé větrání a musí být dostatečně vytápěny s možností regulace tepla. - musí být prosluněny. [23] 7
3.2. Charakteristika klimatických podmínek Z klimatických podmínek jako ukazatele kvality vnějšího prostředí působícího na obvodový plášť staveb jsou pro posuzování jejich vlivu na vnitřní prostředí obytných místností nejdůležitější údaje o průměrné teplotě, relativní vzdušné vlhkosti a rychlosti větru. Z důvodu zajištění správné funkce větrácích systémů okeních nebo specielních, jsou důležité údaje o maximálních hodnotách kterým tyto systémy musí odolávat, aby i při působení extrémních vlivů nebyly degradovány užitné vlastnosti zajišťované při průměrných klimatických podmínkách. Všechny vzduchotechnické prvky a otvorové výplně musí klimatu odolávat, přiváděný vzduch vstupující do interiéru musí být upraven na požadované parametry vnitřního prostředí. Topné období K nejžádanějším údajům z technické klimatologie patří údaje o topném období, které nastává převážně ve čtvrtém čtvrtletí, jestliže tři dny za sebou poklesnou průměrné venkovní denní teploty pod 12 C, a končí ve druhém čtvrtletí, jestliže tři dny za sebou průměrná denní teplota 12 C překročí. Topné období představuje v našich klimatických podmínkách nezanedbatelnou část roku ( okolo 200 dnů ). Z technického hlediska zahrnuje krom vytápění samotného i zvýšené nároky na kontrolované a regulované větrání, které je v tomto období vzhledem k úsporám tepla a nárokům na tepelnou pohodu místností potřeba optimalizovat. Rychlost větru Rychlost větru je zákonitě nejvyšší na horách s častějším výskytem vichřic (průměrná roční rychlost na vrcholech hor přesahuje 5 m.s -1. S klesající nadmořskou výškou rychlost větru klesá, v nížinách je průměrná roční rychlost 3 až 4 m.s -1. V ročním chodu se maxima rychlostí vyskytují koncem zimy a začátkem jara, minima na podzim. Maximální nárazy větru zaznamenané na našem území dosahují až 50 m.s -1, tj. kolem 180 km.h -1. 8
Tab. 3.1. Průměrné klimatické hod. zaznamenané 1960-91 stanicí Brno Tuřany Měsíc: I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII IX. X. XI. XII.. Prům.tep. -2,5-0,3 3,8 9,0 13,9 17 18,5 18,1 14,3 9,1 3,5-0,6 [ C] Max.tep.[ C] 12,2 17,6 24,3 28,0 29,7 32 35,1 34,9 32 26,5 20,1 14,4 Min. tep.[ C] - 24,1-22,2-18,6-5,1-1,9 1,8 3,6 3,0-0,7-5,5-13,1-19,4 Prům. 3,3 3,8 3,9 4,2 3,7 3,2 3,0 3,0 2,9 3,3 3,4 3,3 rychlost větru [m/s] Rel. vlhkost 84 81 73 65 67 69 67 68 73 78 84 85 [%] Relativní vlhkost vzduchu a měrná vlhkost vzduchu Z tabulky která vychází z Mollierova psychrometrického diagramu je jasně patrné, že při stejné relativní vlhkost 75% což je průměrná hodnota ( viz. klima) vnějšího prostředí se skutečný obsah vodních par ve vzduchu výrazně mění v závislosti na teplotě. Schopnost vzduchu nést vodní páry je úměrná teplotě, při nízké teplotě páry kondenzují a jejich obsah ve vzduchu výrazně klesá. Pokud tedy přivádíme do interiéru vzduch které má teplotu blížící se nule, bude obsah par ve vzduchu natolik nízký, že předehřátí tohoto vzduchu před vstupem do místnosti způsobí pokles jeho relativní vlhkosti na hodnotu adekvátní podle diagramu jeho měrné vlhkosti a požadované vnitřní teplotě. Při ohřátí na 25 C bude mít relativní vlhkost pod 20%. To je potřeba zohlednit pro splnění nároků na vlhkostní mikroklima interiéru. Tab. 3.2. Závislost obsahu vodní páry ve vzduchu na teplotě [3] t X při w=75% C g/kg 30 21,5 2 0 11,2 10 5,8 0 3,1-10 1,4-20 0,6-30 <0,5 9
Z tabulky 3.2. která vychází z Mollierova psychrometrického diagramu je patrné, že při stejné relativní vlhkost 75% což je průměrná hodnota ( viz. klima) vnějšího prostředí se skutečný obsah vodních par ve vzduchu výrazně mění v závislosti na teplotě. Schopnost vzduchu jímat vodní páry je úměrná teplotě. Podle psychrometrického diagramu, při nízké teplotě pod hodnotou tzv. rosného bodu páry kondenzují a jejich obsah ve vzduchu klesá. Pokud tedy přivádíme do interiéru venkovní vzduch který má teplotu 0 C a rel. vlhkost 75%, bude obsah vodních par ve vzduchu( tzv. měrná vlhkost ) natolik nízký, že předehřátí tohoto vzduchu před vstupem do místnosti způsobí pokles jeho relativní vlhkosti na hodnotu adekvátní podle diagramu jeho měrné vlhkosti a požadované vnitřní teplotě. Při ohřátí na 22 C bude mít vzduch relativní vlhkost pod 20%. To je potřeba zohlednit pro splnění nároků na vlhkostní mikroklima interiéru. ( viz. Příloha 8 Molliérův psychrometrický diagram ) 3.3. Optimální interiérové mikroklima Tepelně-vlhkostní pohodu prostředí vytvářejí tepelné a vlhkostní toky ( teplo a vodní pára ) v interiéru, které působí na člověka a spoluvytvářejí tak jeho celkový stav. Odérové látky ( odéry ) jsou plynné složky v ovzduší, vnímané jako pachy ( jednak nepříjemné zápachy, jednak příjemné vůně ). Jsou to anorganické nebo organické látky, většinou produkované člověkem samotným nebo jeho činností, popřípadě uvolňované ze stavebních konstrukcí a zařizovacích předmětů. [6] 3.3.1. Vlhkost Množství produkované vlhkosti může byt podle druhu činnosti velmi rozdílné (tab.3.3.). Pro průměrný byt může dosáhnout celková produkce vodní páry 10-15 kg za den. Zaleží na druhu bytu, používaném zařízení, počtu osob, jejich činnosti apod. Nárazová množství vlhkosti jsou pohlcena omítkou a postupně odvětrávána s větším či menším efektem, při absenci jiných větracích systémů pouze infiltrací netěsnostmi oken. V řadě vyspělých zemí se z těchto důvodů předepisuje nucené větraní bytů se zpětným získáváním tepla. 10
Tab.3.3. Zdroje vodní páry v bytě Člověk při lehké činnosti 30 až 60 g/h při středně tě/ke práci 120 až 200 g/h při těžké práci 200 až 300 g/h Koupelna s vanou asi 700 g/h se sprchou asi 2600 g/h Kuchyně při vaření 600 až 1500 g/h průměrně denně 100 g/h Sušení prádla (pračka na 4.5 odstředěného 50 až 200 g/h kg) mokrého kapajícího 100 až 500 g/h Rostliny pokojové květiny, např. fialka (Viola) 5 až 10 g/h rostliny v květináči, např. kapradina 7 až 15 g/h (Comptonis asplemilolia) fíkus střední velikosti (Ficus elastica) 10 až 20 g/h vodní rostliny, např. leknín (Nymphea 6 až 8 g/h alba) mladé stromy (2 až 3 m), např. buk 2 až 4 g/h (Fagus) Obsah vodních par v interiéru je opět určován jednak stavem vodních par v exteriéru, jednak jejich zdroji uvnitř budovy. V zimě v důsledku nízkých teplot, je jejich obsah ve venkovním vzduchu malý. Vzduch přiváděný do interiéru je pak po ohřátí na vnitřní teplotu suchý. V létě v důsledku relativně vysokých teplot, je obsah vodních par ve venkovním vzduchu značný, neboť čím je vyšší teplota vzduchu, tím více je schopen pohltit vodní páry Vzduch přiváděný do interiéru je pak po ochlazení na vnitrní teplotu téměř nasycen vodními parami Zdroji vodních par uvnitř budovy jsou opět nejvíce různé aktivity člověka, viz tab.3.3. Působení vodních par na člověka Jak již bylo uvedeno, s nízkou relativní vlhkostí vzduchu bývají problémy v zimě, kdy vzduch přicházející z venku obsahuje jen malé množství vodní páry. S vysokou vlhkostí vzduchu naopak v létě. Zvláště za deštivého počasí. Při nízké relativní vlhkosti vzduchu vysychají sliznice dýchacích cest. Snižuje se tvorba hlenu a aktivita řasinek na nosní sliznici a tím se oslabuje obranný mechanismus člověka proti vnikání mikroorganismů a aerosolu včetně alergenů do lidského organismu (obr. 3.1.). Mikroskopem lze vidět, že řasinky (cilia) na sliznici jsou v 11
neustalém pohybu, čímž je zabraňováno usazovaní prachu. Dle Ewerta tvorba slizu závisí hlavně na relativní vlhkosti vdechovaného vzduchu - sníži-li se pod 40 %, tvorba slizu rychle klesá a pohyb řasinek také. Bakterie a viry tak nacházejí optimální podmínky pro svůj rozvoj. Nízká relativní vlhkost se nepříznivě projevuje i na pokožce a očích, výrazná je i tvorba statické elektřiny. Obr.3.1. Sliznice horních cest dýchacích v normálním stavu (A) a vysušené (B). Vlhkost vzduchu působí nejen na pocit pohody, ale má přímý vliv i na zdraví. Ritzel sledoval U školních dětí onemocnění z nachlazení a zjistil, že ve třídách s vlhčením vzduchu během topného období byl počet onemocnění téměř poloviční než u dětí kontrolní skupiny ve třídách bez. úpravy vlhkosti vzduchu. Vysvětlení je mimo jiné dáno tím že mikroorganismy (např. adenoviry) způsobující nemoci z nachlazení jsou na tom nejhůře při vlhkosti kolem 60 % tj. při této vlhkosti jich přežívá nejméně. Nízká vlhkost vzduchu podporuje v interiéru též šíření částic, jež mohou být příčinou úporných alergií, např. pylu. ale i bytového prachu, často obsahujícího chlupy a částečky kůže domácích zvířat, roztočů apod. Vysoká relativní vlhkost vzduchu - nad 70 % (u mimořádně senzitivních jedinců i nad 50 %) - vyvolává za současného působení příliš vysoké teploty vzduchu pocit dusna. popř. i zdravotní obtíže. Vzniká totiž možnost vzdušného šíření plísní a množení roztočů což může vést u dětí ke zvýšeným dýchacím potížím, častým bolestem v krku, bolestem hlavy, rýmy i nervovým obtížím. Dospěli trpívají častěji nevolností, zvracením, dusností, zácpou, bolestmi v zádech, rýmou i nervovými obtížemi. Počet a závažnost těchto potíží stoupá přímo úměrně s vlhkostí obytných místností (podle Dr. Platta z Epidemiological Unit of Medical Research at Royal Edinburgh Hospital, U. K.). [6] 12
3.3.2. Teplota Teplota vzduchu ve vytápěných místnostech v zimním období je dána normou a pohybuje se od 20 do 22 C ( popř. případě 15 či 26 C, jedná-li se o podřadné prostory či některá hygienická zařízení ). Z hlediska letních teplot vstupuje do zadání základní úvaha investora, zda-li chce tuto teplotu hlídat či nikoli. Optimální teplota vzduchu v místnosti pro oblečeného člověka je v zimě 21,5 ± 2 C. V letním období se tato teplota pohybuje okolo 24 C a nemá překročit 26 C. [12] Zdroji tepla uvnitř budovy jsou nejvíce různé aktivity člověka, zvláště vaření, pečení, smažení a žehlení (příkon spotřebičů lze považovat za přívod tepla do interiéru), a také člověk sám což se zvláště projeví při přítomnosti více lidí v interiéru. V klidu ( ve spánku ) člověk produkuje teplo nejvíce svými játry, a to v závislosti na svém věku (děti produkují nejvíce) a pohlaví (ženy produkují méně, jsou tudíž náročnější na teplo v místnosti). S tělesnou aktivitou vzrůstá značně tepelná produkce, jejímž zdrojem jsou převážně svalové skupiny. Teoreticky by zajištění optimální teplotně vlhkostní rovnováhy v obytném interiéru mělo být zajišťováno systémy pro vytápění a vlhčení v zimě a chlazení a odvlhčování v létě. Optimální vytápění v zimě, tj. přesněji v chladném údobí roku, závisí na takovém pokrytí tepelných ztrát místnosti ( úniku tepla z interiéru ), při kterém je zabezpečena tepelně-vlhkostní pohoda prostředí, tj. a) je bezprůvanová. b) má dostatečnou složku sálavého tepla a c) umožňuje individuální regulaci tepelného výkonu. [6] 3.3.3. Rychlost proudění vzduchu v místnostech Tento parametr je dán rovněž hygienickými směrnicemi a je definován ve vztahu k uvažované vnitřní teplotě v létě. Běžně musí být dodržována rychlost proudění vzduchu v pobytové zóně do 0,25 m/s pro teploty vzduchu 26 C a do 0,2 m/s pro teploty vzduchu 24 C. Jde o maximální hodnoty, které by neměly být překročeny, protože pak lehce vzniká průvan. Optimální rychlost prodění vzduchu v obytných místnostech se pohybuje okolo 0,1 m/s. [12] 13
3.3.4. Odérové mikroklima a koncentrace plynů Posuzování úrovně odérového mikroklimatu Základními kritérii pro posuzování úrovně odérového mikroklimatu je jednak koncentrace oxidu uhličitého ( CO 2 ), jeden člověk znečišťuje vzduch CO 2 15 až 18 l/h [12], jednak koncentrace TVOC ( total volatile organic compounds souhrn všech těkavých organických látek ) v interiéru, nenachází-li se tam žádná dominující speciální odérová látka. Z těchto základních kritérií jsou pak odvozovaná další kritéria, a to množství venkovního vzduchu na jednu osobu. Oxid uhličitý CO 2. Po dlouhou dobu bylo odérové mikroklima hodnoceno na zaklade koncentrace CO 2 v interiéru a jeho limitní hodnota 1000 ppm byla zavedená Maxem von Pettenkoferem ( 1818-1901 byl profesorem University v Mnichově ), také určovala minimální množství venkovního vzduchu 25 m 3 /h na osobu. CO 2 je nejduležitéjši biologicky aktivní látka, jejíž produkce je proporcionální, tj. přímo úměrná tělesné aktivitě. V České republice dle přílohy č. 4 k nařízení vlády Č.l78/2001 Sb. je předepsané minimální množství venkovního vzduchu pro lehce pracujícího nekuřáka 50 m 3 /h na osobu ( práce převážně vsedě ), pro práci převážně vstoje a v chůzi 70 m 3 /h na osobu, pro těžce pracujícího 90 m 3 /h na osobu. Celkové množství větracího vzduchu se určuje podle nejvyššího počtu osob současně užívajících prostor. Komplex těkavých organických látek (TVOC). Ačkoliv je C0 2 dobrým indikátorem kvality vnímaného vzduchu sedícími osobami, v mnoha případech jako kritérium nevyhovuje, neboť nerespektuje další možné odéry ve vzduchu, které mohou vycházet ze stavebních materiálů a ze zařízení interiéru, zvláště z koberců a ostatních podlahovin, které produkují těkavé organické látky, jejichž soubor je nazýván TVOC ( total volatile organic compounds souhrn všech těkavých organických látek ). Nejprogresivnější systémy - americký ASHRAE Standard 62-1989R a evropský, vycházející z decibelových jednotek dtv a dcd - používají jako základní kritéria obojí - jak oxid uhličitý, tak komplex těkavých organických látek. Oxid uhličitý je kritériem pro znečištění vzduchu v interiéru přítomností osob. TVOC pak kritériem pro znečištění 14
vzduchu stavebními materiály a zařizovacími předměty. Potřebné množství venkovního vzduchu pro větrání je pak dáno součtem obou množství vzduchu, stanovených na základě CO 2 a TVOC. Nejnovější systém hodnocení odérového mikroklimatu vychází z decibelových jednotek, stanovených obdobně jako decibelové jednotky pro hluk. tj. jde o upravené dekadické logaritmy koncentrací ( tzv. hladiny odéru ) jednak CO 2 jednak TVOC naměřených ve vyšetřovaném prostoru a vztažených k prahovým hodnotám (nejslabší vnímané odéry - the weakest odour that can be detected) (Jokl 1997). Tab.3.4. Množství venkovního vzduchu na osobu dle EUR 14449 EN Úroveň kvality Vnímaná kvalita vzduchu Požadované množství vzduchu (kategorie) nespokojeni (%) [decipol ] [l/s na osobu ] [ m 3 /h na osobu ] A 10 0,6 16 58 B 20 1,4 7 25 C 30 2,5 4 14 Produkty spalování: Oxid uhelnatý a oxidy dusíku V důsledku aktivity člověka v obytných budovách je nejčastější složkou toxického mikroklimatu oxid uhelnatý CO. Jeho zdrojem jsou většinou spalovací procesy. [6] V nových bytových jednotkách se nejčastěji setkáváme se spotřebiči pro úpravu pokrmů nebo plynovým kotlem jako zdrojem tepla pro vytápění a ohřev teplé vody. Požadavky pro jejich umístění v bytových prostorech uvádí TPG 704 01. Technickým pravidlem TPG 800 00 byly plynové spotřebiče rozděleny do tří základních skupin A,B,C. Do skupiny A spadají spotřebiče, které odebírají vzduch pro spalování z prostoru, ve kterém jsou umístěny a produkty spalování zůstávají v tomtéž prostoru. Plynový sporák s plynovou troubou Jedná se o spotřebič patřící do skupiny A ( spotřebovávaný vzduch nasává z místnosti a spaliny vypouští rovněž přímo do místnosti ve které je instalován), umísťovaný v prostoru kuchyně. Z hlediska bezpečnosti při užívání spotřebiče a hygieny byly stanoveny požadavky na objem místnosti se spotřebičem a na výměnu vzduchu. Minimální objem místnosti ve které může být umístěn spotřebič typu A je 20m 3 (50m 3 byt o jediné místnosti), instalovaná digestoř s odvodem spalin nároky na objem místnosti snižuje o čtvrtinu. Místnost musí být přímo větratelná, což znamená, že 15
výměnu vzduchu s venkovním prostorem lze v běžných případech zajistit otevřením okna, balkónových dveří, má mít alespoň jednonásobnou výměnu vzduchu za hodinu a to i při uzavřených oknech a dveřích. Pokud má místnost s plynovým spotřebičem bez odvodu spalin těsná okna a dveře, je potřeba zajistit požadovanou výměnu vzduchu jiným způsobem, bez ohledu na fyzický zásah uživatele bytu (otevření okna). Mezi produkty nedokonalého spalování, ke kterému ve skutečných spalovacích zařízeních dochází, patří oxid uhelnatý CO. Při dlouhodobějším provozu spotřebiče může vzhledem k nárůstu obsahu vodních par, CO 2 a úbytku kyslíku docházet k zhoršení spalovacího procesu a zvyšování podílu CO ve spalinách. Jelikož zůstávají v prostoru, je jejich koncentrace závislá na výměně vzduchu. [11] V následujícím grafu 6.2. je znázorněna závislost objemového podílu CO v místnosti kuchyně o objemu 20m 3 s plynovou vestavěnou varnou deskou s potřebou plynu 0,7m 3 /hod. a násobku výměny vzduchu v místnosti při době provozu spotřebiče 1 hodina. Graf 3.1. Podíl CO v závislosti na výměně vzduchu [11] Kromě CO přidávají plynové spotřebiče bez odtahu spalin do ovzduší bytu též oxidy dusíku. V bytech s plynovými kuchyněmi je průměrná koncentrace NO x v kuchyních asi o 50 μg/m 3 a v ložnicích asi o 20 až 25 μg/m 3 vyšší než. koncentrace venkovní, které se v měřených lokalitách pohybovaly okolo 10 μg/m 3. [6] 16
Formaldehyd Formaldehyd se může uvolňovat z různých stavebních dílců zhotovených z granulovaných organických surovin spojených močovinoformaldehydovými a fenolformaldehydovými lepidly, jako jsou dřevotřískové, dřevovláknité, pilinotřískové a pazdeřové desky. Dále je produkují předměty z některých plastických hmot, z laků a barev. Formaldehyd je též v apreturách pro textilní výrobky k dosažení nemačkavých vodovzdorných a nešpinivých úprav textilu. Je i v některých měkkých pěnách používaných pro izolační účely, při jejichž výrobě je používáno močovinoformaldehydových fenolových pryskyřic. Formaldehyd je též produktem nedokonalého spalování paliv, je v tabákovém dýmu, je i meziproduktem fotochemické oxidace uhlovodíku v atmosféře. Formaldehyd lze vnímat pro jeho silnou dráždivost na oční sliznici a horní cesty dýchací, již při koncentraci asi 400 μg/m 3 vyvolává slzení a dráždí ke kašli. Tab.3.5. Návrh nejvýše přípustných koncentrací toxických látek pro obytné interiéry [6] Toxická látka NPK [mg/m 3 ] průměrné (24h) Oxid uhličitý 1800 Oxid uhelnatý 10 Oxidy dusíku 0,1 Formaldehyd 0,06 TVOC 0,3 3.3.5. Pohoda prostředí Prostředí, v němž se člověk pohybuje, ve velké míře ovlivňuje jeho schopnost podávat dobrý pracovní výkon nebo si kvalitně odpočinout. Ze zdravotně technického hlediska je pohoda prostředí definována jako stav, ve kterém je člověku zajištěn zdravý pobyt a maximální možnost tvořivé práce. Tepelná pohoda prostředí znamená, že člověk nemá (bez zásahu termoregulačních systému) pocit zimy ani tepla. 17
Pohodu prostředí ovlivňuje: tepelný stav daný teplotou vzduchu, stěn a okolních předmětů. prouděním a vlhkosti vzduchu a produkci tepla člověkem, jeho oblečením čistota vzduchu, kterou lze vyhodnotit podle druhu a množství škodlivin ve vzduchu obsažených tělesné vlastnosti člověka, tedy hmotnost, výška, schopnost aklimatizace, zdravotní stav apod., další vlivy jako jsou hluk, osvětlení, látky s nimiž přichází člověk do kontaktu, technologická zařízení (v průmyslových provozech) aj. Prostředí, v němž se člověk pohybuje, má vliv jak na jeho okamžitý pocit, tak i na jeho zdravotní stav. Proto by měl člověk v každém prostředí i při jakékoli činnosti dbát na to, aby mu nebylo příliš teplo či chladno, aby neměl pocit žízně nebo dusna, aby se nezdržoval v průvanu atp. Faktorů, které mohou ovlivnit pocit pohody prostředí člověka, je relativně velké množství. Důležité je, v jakém množství nebo koncentraci se vyskytují v místnosti, kde člověk právě pobývá. [5] Rostliny pomáhají v přírodě i v interiéru Pokojové rostliny jsou nejen ozdobou bytového interiéru a spotřebitelem CO 2, ale některé čistí vzduch od acetonu, benzenu, CO, etanolu. formaldehydu, metanolu, SO 2, toluenu a od těkavých organických látek. V atriích se doporučuje věnovat pozornost i trávníku: plocha 15 x 15 m je postačujícím zdrojem kyslíku pro čtyřčlennou rodinu a navíc intenzivně čistí vzduch od SO 2, CO 2 a fluorovodíku. Vzrostlý strom jírovce maďalu (kaštanu) dokáže očistit od výfukových zplodin automobilu vzduch o objemu 20 000 m 3 tj. např. výšky 10 m, šířky 20 m a délky 100 m. Podle výsledků výzkumu univerzity ve Stockholmu tato dřevina výfukovými plyny, které rozkládá, sama netrpí. Dle výzkumu NASA jsou toxické látky, vnikající do rostliny, likvidovány mikroorganismy na kořenech a v okolí kořenu stromu. Tímto způsobem lze nejen zlepšit čistotu venkovního vzduchu, ale i výrazně snížit tok toxických látek z exteriéru do interiéru budovy. [6] 18
4. Fyzikální zákonitosti výměny vzduchu Větrání bytových prostorů by mělo zajistit odvedení vydýchaného vzduchu, škodlivin, vlhkosti a pachů a tím zajistit příjemné klima v místnosti. Objem vzduchu v místnosti by měl být celý vyměněn minimálně jedenkrát za dvě hodiny což je dáno požadavkem intenzity větrání n = 0,5 h -1, kde n je počet výměn. Důležitými faktory jsou relativní vlhkost vzduchu, teplota a rychlost pohybu vzduchu a povrchová teplota stěn. Je zřejmé, že větrání ovlivňuje nejenom hygienické podmínky, ale také náklady na vytápění. Ostatně vpouštět si do místnosti chladný vzduch, dodat mu teplo a bez užitku ho znečištěný vypustit ven, to nezní příliš hospodárně. Finanční náročnost je citelnější při stálém růstu cen za energii. Proto se v současné době objevují na trhu zařízení umožňující předehřívání přiváděného vzduchu pomocí vzduchu odváděného ( odpadního ), tj. zařízení s regenerací tepla. [12] 4.1. Přirozené větrání zajišťované okny 4.1.1. Hlavní a vedlejší funkce okna Prvořadým požadavkem na okna je spojení vnitřního a vnějšího prostoru umožňující výhled ( současně je tím zabezpečeno osvětlení vnitřního prostoru ) - průhledné části okna mají zajistit jasnou a nedeformující viditelnost při pohledu z interiéru do exteriéru. Ostatní funkce okna jsou druhotné a patří sem: větrání, tepelná izolace, zvuková izolace, izolace proti vodě a prachu, zajištění bezpečnosti. Okno a větrání Okno patří mezi ty stavební prvky, na které máme snad největší počet protichůdných nároků a požadavků. Například s rostoucími požadavky na tepelně izolační funkci a izolaci proti dešti a vodě byla v posledních letech konstrukce oken natolik dobře utěsněna, že stálé větrání infiltrací bylo omezeno na minimum. Intenzita infiltrace závisí na velikosti větracího otvoru a na rozdílech tlaků vzduchu uvnitř a vně místnosti, ten je způsobován rozdílnou teplotou vzduchu interiéru a exteriéru a na rychlosti větru. Naše hygienické limity pro konstrukce oken dokonce nevyžadují v objektech bez klimatizace 100% těsnost, která znamená snížení tepelných ztrát, ale vyžadují infiltraci 19
0,01 až 0,03 m 2.s -1. Pa -67. Nejúčinnějším způsobem pro rychlou výměnu vzduchu je nárazové větrání otevřenými protilehlými okny. Nárazovým větráním se vytváří průvan a při delším intenzivním větrání v topné sezóně dochází i k prochladnutí vnitřních částí interiéru a následně k tepelným ztrátám. Větrání je možné zabezpečit ale i jinými způsoby nežli otevřenými okny - např. větracími štěrbinami či klapkami, okenními ventilátory nebo v případě plastových oken přímo samotným profilem okenního křídla a rámu. Obrázek 4.1. Větrací štěrbiny u dřevěných oken U nových typů oken je žádoucí řešit regulovanou výměnu vzduchu přímo samotnou konstrukcí okna, tak odpadá nutnost nárazového větrání nebo větrání výklopným ventilačním křídlem. U místností s centrálním odvodem vzduchu (kuchyně, koupelny) jsou větrací systémy pro zabezpečení dostatečného množství přiváděného čerstvého vzduchu téměř nutností. Trvalé větrání vede při malé výměně vzduchu rovněž ke zvýšeným ztrátám energie. Je proto nutné, aby velikost větracího otvoru bylo možné měnit, a tím intenzitu větrání regulovat. [8] 4.1.2. Vyvození tlaku způsobujícího výměnu vzduchu Přirozené gravitační větrání Princip přirozeného gravitačního větrání je založen na nerovnosti měrné hmotnosti venkovního a vnitřního vzduchu v důsledku jejich rozdílné teploty ( viz tab 7.1. ). Teplý vzduch s menší hmotností má v důsledku gravitace tendenci stoupat a chladnější vzduch má tendenci klesat. V místnosti se zdrojem tepla tak dochází k vertikálnímu rozdělení teplot a vzduch u stropu, který má menší hmotnost, je teplejší jako ten u podlahy. 20
Pokud je teplota venkovního vzduchu rozdílná v porovnání s teplotou vnitřního vzduchu, jsou rozdílné i jejich měrné hmotnosti. Pokud v tomto případě vytvoříme na obvodové stěně budovy dva otvory vertikálně posunuté o výšku H, vznikne zde tlakový rozdíl, který se vyjádří jako: Δ p = h ρ ) g ( 1 1 e ρi Δ p = h ρ ) g ( 2 2 e ρi [ Pa] [ Pa] Obrázek 4.2. Rozdělení tlaků vyvolaných gravitací Jedním z otvorů bude venkovní vzduch do místnosti přicházet a druhým z místnosti odcházet, musí být ale splněna podmínka ρi ρ 2, respektive pokud teploty vzduchu venkovní a vnitřní nebudou shodné. Tab.4.1. Závislost hustoty vzduchu na teplotě [3] t ρ C kg/m3-30 1,433-20 1,376-10 1,324 0 1,275 +10 1,230 20 1,188 30 1,49 Větrání vyvolané působením větru Působení větru se na budovách projevuje tím, že na návětrné straně mění vítr svoji pohybovou energii na tlakovou, čímž se vytváří přetlak v porovnání s atmosférickým tlakem. Na stěnách odvrácených od proudu větru a na střechách s menším sklonem než 45 k směru větru, vzniká následkem obtékání tlak menší jako atmosférický - podtlak. 21
Pokud by se na návětrné straně přeměnila celá pohybová energie větru na tlak, bylo by možné absolutní hodnotu tlaku vyjádřit jako: Δ p v = p a 2 v ρ + 2 [ Pa] kde: Δp v tlak vyvolaný větrem [Pa] p a atmosférický tlak [Pa] v rychlost větru [m.s -1 ] ρ hustota [kg.m -3 ] V reálných podmínkách není možné počítat s úplnou změnou pohybové energie na tlakovou, proto pro vyjádření přetlaku vůči atmosférickému tlaku můžeme použít vztah: 2 v ρ Δ p = A 2 [ Pa] kde: A je aerodynamický koeficient, který vyjadřuje míru přeměny pohybové energie na tlakovou. Na návětrné straně A = 0,6 a A = -0,3 na straně závětrné. 4.1.3. Prostup vzduchu netěsnostmi Spárová průvzdušnost K měření spárové průvzdušnosti oken platí (ČSN 74 6185), dále také (EN 42) nebo (ASTM E 283-83). Základním ukazatelem je spárová objemová průvzdušnost, která vyjadřuje objemový tok vzduchu v m 3 za sekundu, který proudí 1 m délky spáry při rozdílu tlaků vzduchu 1 Pa. Značí se: i lv = [m 3 / m.s.pa n ] = [m 2.s -1. Pa -n ] kde: n je exponent při tlakovém rozdílu vzduchu a dle (ČSN 06 0210) má hodnotu n = 0,67. 22
Objemový tok Pro kvantifikaci vzduchové propustnosti spár a styků, která se vyjadřuje pomocí objemového toku vzduchu spárou, lze použít vztah: V inf 3 1 [ m ] n = i L Δp s lv kde: V inf je objemový tok vzduchu [m 3.s -1 ] i lv součinitel spárové průvzdušnosti v [m 3. m -1.s -1.Pa -n ] L délka spáry v [m] Δp rozdíl tlaku vnějšího a vnitřního vzduchu [Pa] n exponent, který se určí měřením, pohybuje se v intervalu 0,5 < n < 0,85 (nejčastěji0,67). Při praktických výpočtech je obtížné stanovit tlakový rozdíl Δp v průběhu hodnocení (nestacionární stav). Za účelem predikce je tlakový rozdíl definován pomocí veličin B - charakteristické číslo budovy M - charakteristické číslo místnosti. Charakteristické číslo budovy B je závislé na rychlosti větru stanoveného dle polohy budovy v krajině (chráněná, nechráněná a velmi nepříznivá poloha) a na druhu budovy (řadové a osaměle stojící objekty). Charakteristické číslo místnosti M závisí na poměru průvzdušnosti oken a vnitřních dveří. Hodnota M má interval od 0,4 do 1,0. Potom vztah pro intenzitu výměny vzduchu lze upravit takto: 1 [ ] 3600 ( ilv L) B M n = h V n V dřívější ČSN 06 0210 byla předepisována intenzita výměny vzduchu místnosti za hodinu hodnotou: n>0,3 [h -1 ] Dříve bylo výpočty prokázáno, že v konstrukční soustavě by mělo dostačovat k dosažení n=0,3 h -1, aby infiltrace oken a dveří byla alespoň i lv > 0,9.10 4 m 2.s -1.Pa 0,67 Výsledky laboratorních měření však ukazují, že těsnost vyráběných oken se u nás 23
zvyšuje. Současně vyráběná okna, ať již dřevěná nebo plastová jsou ještě těsnější a není žádoucí infiltraci ještě snižovat, neboť může vést k nevětraným bytům s nevyhovujícím vnitřním prostředím. [12] 4.1.4. Větrání otevřením oken U bytů s dobře utěsněnými okny (kvůli sníženi tepelných ztrát) se vymění maximálně 1/10 vzduchu. Aby se splnila hygienická podmínka výměny vzduchu, musí se občas vyvětrat krátkým a plným otevřením okna. Tím se rychle vymění vzduch a nestačí se ochladit stěny, čímž se šetří teplo. Větrání otevřením okna je účinné, ale nekontrolovatelné. Při průvanu nebo velkém rozdílu teplot vně a uvnitř probíhá výměna vzduchu rychleji a nelze dobře odhadnout dobu na vyvětrání. [5] Tabulka 4.2. Výměna vzduchu při otevřených oknech [6] Poloha okna (velikost 1 x 1.2 Množství vzduchu Výměna vzduchu za m) [m 3 /h] hodinu[h -1 ] Výklopné okno spára 2 cm do 50 0.25 Výklopné okno spára 6 cm do 130 0.65 Výklopné okno spára 12 cm do 220 l.l Otočné okno spára 6 cm do 180 0.9 Otočné okno spára 12 cm do 280 1.4 Otočné okno otevření 90 do 800 4 * při 8O m 2 obytné plochy 4.2. Systémy nucené výměny vzduchu 4.2.1. Charakteristika nuceného větrání Zakladem je přívod nebo odvod vzduchu ventilátorem. K přívodu a odvodu vzduchu muže docházet současné, a to dvěma ventilátory. Podle poměru množství přiváděného a odváděného vzduchu se rozděluje větraní na přetlakové, rovnotlaké nebo podtlakové. 24
ε = Mp / Mo Kde: Mp objem uměle přiváděného vzduchu [m 3.h -1 ] Mo objem uměle odváděného vzduchu [m 3.h -1 ] ε součinitel větrací rovnováhy Přetlakové větrání (ε > 1) Znamená, že množství přiváděného vzduchu je větší než množství vzduchu odváděného. Používá se v místnostech, do nichž se má zabránit vnikaní okolního neupraveného vzduchu. Typickým příkladem jsou operační sály, výpočetní střediska, klimaticky náročná výroba apod. Rovnotlaké větrání (ε = 1) Množství přiváděného i odváděného vzduchu pomocí ventilátoru je stejné. Cirkulaci vzduchu se dosahuje požadovaného charakteru proudění v místnosti. Tento způsob větrání je nejrozšířenější. Podtlakové větrání (ε < 1) Používá se v místnostech, v nichž vzniká velké množství škodlivin. Podtlakovým větráním se zabraňuje jejich úniku do sousedních prostorů. Typickým podtlakovým větráním je odsávací zařízení. Hlavními výhodami větracích soustav s nucenou výměnou vzduchu ve srovnání s přirozeným větráním jsou: zaručená funkce soustav i při nepříznivých povětrnostních podmínkách, přesná regulace množství vyměňovaného vzduchu podle okamžité potřeby, dokonalá filtrace přiváděného nebo cirkulačního vzduchu pomoci všech druhů filtrů. možnost zpětného získávaní tepla z odváděného vzduchu, možnost využiti výměníku tepla pro chlazeni či vlhčeni přiváděného vzduchu. Ve většině činžovních domů se používá některý z podtlakových způsobů větraní. Rovněž v mnoha rodinných domcích a malých dílnách se může vyskytovat tento způsob větraní.[5] 25
4.2.2 Centrální vzduchotechnická jednotka s rekuperací Rekuperace, neboli zpětné získávání tepla je děj, při němž se přiváděný vzduch do budovy předehřívá teplým odpadním vzduchem. Teplý vzduch není tedy bez užitku odveden otevřeným oknem ven, ale v rekuperačním výměníku odevzdá většinu svého tepla přiváděnému vzduchu. Srdcem každé rekuperační jednotky je výměník tepla. Obrázek 4.3. Rekuperační jednotka Zde se odnímá teplo vzduchu teplému ( odváděnému z domu ) a předává se chladnému čerstvému vzduchu nebo topnému médiu ( výměníky vzduch - voda ). Rekuperační jednotka slouží ke snížení tepelných ztrát, které vznikají při klasickém větrání. Potrubí, flexihadice nebo ploché kanály se zabudují do mezistěn, pohledů nebo instalačních šachet a po dokončení jsou skryté, tedy opticky neruší prostor. V kuchyních, záchodech a koupelnách jsou instalovány odtahové vyústky, ze kterých je na základě povelu čidla kvality vzduchu výše uvedeným vedením odsáván vlhký, znečištěný vzduch směrem k rekuperační jednotce za pomocí odtahového ventilátoru. Zde tento teplý vzduch předá teplo prostřednictvím výměníku studenému čerstvému vzduchu, který je nasáván jednotkou zvenčí. Čerstvý vzduch je předehříván na cca. 18 C i v mrazech. Ohřátý čerstvý vzduch je distribuován do obytných místností. Rekuperační jednotka neobsahuje jen výměník tepla, ventilátor odtahu a ventilátor čerstvého vzduchu, ale i dva filtry. Filtr čerstvého vzduchu a filtr odtahovaného vzduchu. Filtry slouží k ochraně výměníku a přívodního potrubí před znečištěním možné jsou i protipylové filtry. V případě obtížných pachů z venkovního prostředí je možné předřadit filtr z aktivním uhlím, který pachové látky absorbuje. Při použití řízeného větracího systému jsou kladeny vysoké požadavky na těsnost obvodového pláště budovy kvůli zaručení funkce zpetného získávání tepla. 26
Zemní registr Centrální vzduchotechnickou jednotku s rekuperačním výměníkem je vhodné, pokud je to v daném případě možné, doplnit o zemní registr pro přirozené letní klimatizování budovy a předhřívání vzduchu v zimě. Jedná se o potrubí z těsných PP, PVC, nebo kameninových trub ø 200 mm v délce cca 20 metrů, uložené v hloubce 2 metrů pod terénem, kterými se přivádí vzduch ventilátorem přes filtr k rekuperační jednotce. Bylo ověřeno, že v létě se přiváděný vzduch + 30 C v registru ochlazuje až na + 18 C a tím udržuje teplotu v interiéru max. 24 25 C. V zimním období se naopak přiváděný mrazivý vzduch -15 C předehřívá až na + 6 C, zamezuje tak zamrzání rekuperačního výměníku jednotky a snižuje spotřebu tepla pro ohřev. Celková účinnost rekuperace se přitom zvyšuje až na 92%. [9] 4.2.3. Klasické větrání v porovnání s řízeným větráním s rekuperací Klasické větrání Nárazové intenzivní větrání realizované pomocí otevření dvou oken nebo okna a dveří. Kompletní výměna vzduchu v celém objektu každé 2 hodiny, tak aby byla dodržena hygienická podmínka n a = 0,5 hod -1. Výsledek Trvale proměnná kvalita vzduchu. Překračování hygienických limitů s postupem času od posledního provětrání. Zvyšující se koncentrace CO 2, vydýchaný vzduch, hromadění pachů, hromadění vlhkosti. Obrázek 4.4. Klasické větrání Graf 4.1. Kvalita vzduchu při klasickém větrání 27
Řízené větrání s rekuperací tepla Kontinuální výměna vzduchu v celém objektu na úrovni n a = 0,4 hod -1 dle EnEV 2002 a dle normy DIN 4701 V-10. Obrázek 4.5. Řízené větrání Graf 4.2. Kvalita vzduchu při řízeném větrání Výsledek Trvale dobrá a ustálená kvalita vzduchu, přičemž je nutné dodržet správné množství větracího vzduchu dle potřeby místnosti. Při použití rekuperační jednotky se redukuje tepelná ztráta větráním na 15 až 20% původní teplené ztráty. Graf 4.3. Porovnání úspory energie při řízeném větrání s rekuperací [17] 28
5. V současnosti používaná technická řešení 5.1. Navrhovaná hodnotící kriteria Hodnocení systémů regulované výměny vzduchu vychází z hygienických nároků na objem vyměněného vzduchu v jednotlivých místnostech podle druhu činnosti a znehodnocení vzduchu které obnáší. Souvisí s pohodou bydlení a zdravým obytným prostředím z hlediska optimální teploty a vlhkosti pro převažující lidskou činnost a minimální rychlostí proudění vzduchové hmoty kvůli zabránění průvanu. Dále jsou ovlivněny převládajícími klimatickými vlivy které určují vlastnosti venkovního vzduchu v převládající části roku a v extrémních případech. Z tohoto komplexního pohledu je nutno větrací systémy posuzovat. Jednotlivě lze definovat hodnotami: - objemu průtoku vzduchu zařízením Q [m 3 /h] - rozdílu teploty přiváděného vzduchu oproti původnímu Δt [ C] - relativní vlhkostí přiváděného vzduchu w [%] - rychlostí vstupujícího vzduchu v [m/s] - indexem neprůzvučnosti Rw ( pokud je větrací systém součástí okna ) [db] - vlastní hlučností [db] A požadovanými vlastnostmi: - plnou funcí při zavřených oknech - možností regulace - odolností vůčí extrémním klimatickým vlivům ( nárazový vítr, déšť ) - nenáročností na spotřebu energie 29
5.2. Vybrané systémy regulované výměny vzduchu 5.2.1. Mikroventilace a perforované těsnění Nejjednoduššími způsoby jak zajistit infiltraci u moderních velmi neprodyšně zatěsněných eurooken je cílené místní porušení těsnosti. U otevíravých, sklopných křídel to je standartně montovaná mikroventilace zajištěná funcí celoobvodového kování a volitelná tzv. 4. polohou okenní kliky 45 mezi svislou polohou sklopné ventilace a vodorovnou polohou otevření křídla. Tato poloha kliky zajistí oddálení křídla od rámu okolo 4-7mm což zajistí dostatečně velkou spáru pro infiltraci vyvolanou tlakem odvozeným z rychlosti větru, nebo podtlakem způsobeným komínovým efektem či odtahovým ventilátorem. Obrázek 5.1. Princip mikroventilace Tato výměna vzduchu je však neregulovaná, nezajištěná proti působení nárazového větru, nedostatečná co do objemu i parametrů vtupujícího vzduchu. Tento způsob je nekomfortní z hlediska vnitřního prostředí, vzduch vstupuje chladný, je výrazně snížena neprůzvučnost okna a nárazový vítr může způsobit průvan. Tento systém je nedostatečný i z hlediska bezpečnostního, protože křídlo není uzamčeno všemi čepy kování což oslabuje odolnost proti násilnému otevření. Pojišťovny tuto polohu klapky neberou jako zajištění proti krádežím. [25] Dalším způsobem porušení hermetičnosti okenních systémů je perforace těsnění mezi rámem a křídlem přesně definovaným počtem otvorů pro zajištění průchodu vzduchu. Tento způsob má všechny nevýhody předcházejícího, ale alespoň funguje při zavřeném zajištěném okně. 30