Větrání ve školách požadavky a realita Ventilation at schools requirements and reality Martin Jindrák, ATREA, Jablonec nad Nisou Klíčová slova: základní požadavky na stavby energeticky úsporná opatření kvalita vnitřního prostředí exhalace CO 2 Key words: basic requirements for buildings energysavings measures quality of an internal environment of a building carbon dioxide (CO 2 ) emission Recenzentka: Zuzana Mathauserová V posledním období jsme svědky revitalizace škol a školek, které má jeden společný jmenovatel snížení energetické náročnosti budovy ZŠ. Při splnění podmínek a na základě jednání mohou starostové, resp. zřizovatelé škol, získat velmi významné dotace, bez nichž by z obecního rozpočtu nemohly být stavební úpravy provedeny. Školy se následně chlubí novým barevným kabátem, těsnými okny a obvykle velkou děkovnou cedulí poskytovateli dotace státní, unijní apod. Zřizovatel je spokojen při pohledu na vyúčtování nákladů za vytápění. Opravdu ale splnil všechny na něj kladené požadavky? Lately, we are witnessing revitalisation of schools and kindergartens with common denominator decreasing energy efficiency of basic school buildings... Meeting the conditions and based on discussions, mayors or rather school establishment can obtain very significant grants. Without receiving grants, construction works could not be financed only using the municipal budget. Schools show thereafter pride on the new colorful envelope, airtight windlows and usual large billboard of thanks to the grant provider the state, the Union, etc. Schools are content with receiving costs savings for heating. Although, have they really met all requirements? Podporuj všechno, co napomáhá školství v obci. Nic lepšího nemůžeme přát svým dětem, ovšem kromě zdraví, než dobré vzdělání. (jeden z bodů Desatera správného starosty) 1 Aktuální stav Většina revitalizací škol probíhá podle stejné šablony jako revitalizace panelových obytných domů výměna stávajících oken za nová, těsná, provedení tepelné izolace obvodových stěn, někde i zateplení stropů a střech nebo podlah nad suterény. Vyměňují se případně zdroje tepla; pokud topná soustava je na nebo za hranicí životnosti, pak se někdy dostane i na ni. Veškeré prováděné zásahy, které mají vliv na snížení energetické náročnosti, se tak týkají pouze obálky budovy. Školní rok je spíše v chladnějším období roku kalendářního, proto se prostory temperují a je snaha o maximální snížení energetické náročnosti. Úspory a investice ovšem nelze vnímat pouze z pohledů energií. Školy navštěvují děti, je to pro ně prostor, ve kterém pět dní v týdnu tráví delší čas, s velkou koncentrací osob v přepočtu na podlahovou plochu. V interiéru je vždy horší kvalita vzduchu než ve venkovním prostředí. Těsnými okny a konstrukcemi není žákům přiváděno dostatečné množství venkovního čerstvého vzduchu, takže koncentrace zátěže v prostoru se rychle zvyšují. V prováděcích projektech, nutných pro povolení realizace, se bohužel konstatuje, že větrání bude zajišťováno přirozeně otevíráním oken. Původní okna ve vysokých třídách měla otvíravou horní část pomocí táhel. Při revitalizaci se inovativně často horní cca 2/3 oken provedla pevná a pouze spodní 1/3 otvíravá jak ale odvést teplý vzduch od stropu tříd? Jak zajistit výměnu vzduchu, když během vyučovací hodiny není možné okna otevřít z důvodů venkovního hluku, prachu a průvanu? Automobilová doprava kolem škol od doby jejich postavení znatelně zhoustla. Spodním oknem navíc proudí na žáky studený vzduch, riziko nachlazení vzrůstá. Z bezpečnostních důvodů není často možné otevírat okna ani při přestávkách. Už v prvních stavebních předpisech Rakouska-Uherska bylo definováno větrání školních síní. Od té doby jsme na to pozapomněli, obvykle z finančních důvodů. V některých starých školách byly dokonce tehdejší systémy větrání v rámci pokroku rušeny a zazdívány. Výsledkem toho je vydýchaný vzduch, zvýšené koncentrace částic, např. CO 2. Na první pohled by se mohlo zdát, že jsou děti hyperaktivní a rozjívené. Velmi často se ale tím pouze maskuje únava a problém s udržením pozornosti z důvodu nekvalitního vnitřního prostředí. Pro žáky se může jednat o pobytový a vzdělávací prostor, pro učitele o prostor pracovní. Zřizovatel je přitom povinen podle vyhlášek a nařízení splnit několik dalších požadavků, které směřují právě k zajištění kvalitního vnitřního mikroklimatu, a tím prostředí vhodného nejen pro vzdělávání. 2 Mikroklima ve třídách a vliv na žáky Na osoby v uzavřených prostorách vzájemně spolupůsobí teplota a rychlost proudění vzduchu, relativní vlhkost a koncentrace zátěží, např. CO 2. Teplotu s vysokou vlhkostí vyhodnocujeme jako dusno. Je znesnadněn odvod tepla z osob, žáci se více potí, a tím zatěžují prostor pachy. 20 TEPELNÁ OCHRANA BUDOV 3/2013
Tab. 1 Obecné rozdělení parametrů vnitřního prostředí s ohledem na koncentrace CO 2 (jednotka ppm počet jednotek z milionu celkových) Poznámka: *) Požadovaná hodnota pro pobytové místnosti Při občasném otevření okna, pokud je prováděno, je prudkým snížením teploty zvýšena pravděpodobnost nachlazení. V uzavřeném prostoru bez výměny vzduchu se zvyšuje množství drobného prachu z oblečení, šupinek kůže nebo vlasů. Jsou namáhány sliznice a plíce drážděny prachem; zvyšují se koncentrace plynných částic. Účinek výparů z nábytku a nátěrů (styren, formaldehyd, někde i pronikající radon) je často okamžitě neznatelný, ale následky s odstupem času mohou být velmi vážné. Některé z alergií mohou mít původ právě zde. Podívejme se na jednoho reprezentanta zátěží, kvůli němuž se velmi často mění mezinárodní smlouvy, a který je považován za původce mnoha problémů v celosvětovém hledisku CO 2. V tomto posouzení se zaměřme na dýchání a následně na vliv CO 2 na osoby. Při dýchání nádechem přivádíme do plic směs tvořenou z cca 21 % CO 2, 78 % N 2, 0,034 % CO 2 + další plyny. Vydechujeme cca 16 % CO 2, 79 % N 2 a 4 4,5 % CO 2. Zatímco koncentrace N 2 se prakticky nemění, CO 2 se díky dýchání v uzavřeném prostoru zvyšuje poměrně rychle. Negativní vliv zvýšené koncentrace CO 2 na osoby může být velmi rozmanitý. Už od roku 1861 jsou v zásadě nastaveny hranice maximálních doporučených koncentrací CO 2 v interiéru pro jednotlivé činnosti. Jsou také známy hranice koncentrace CO 2, které již ovlivňuje naše jednání (viz tab. 1). Každý z nás ale reaguje odlišně. Každý si určitě dovede představit ranní vzbuzení v ložnici bez dostatečného větrání malátnost, těžká hlava, neodpočatost. Z toho může pramenit podráždění, den nezačíná nejvhodnějším způsobem. Koncentrace CO 2 v nevětraných třídách jsou bohužel na stejné úrovni. Citlivější jedinci už při koncentracích kolem 1100 ppm (0,11 %) usínají. Existuje mnoho dalších studií, více či méně potvrzených. Při nedostatku O 2 mozek automaticky Graf 1a SPŠ a VOŠ Volyně semináře v délkách 2krát 45 min (bez řízeného větrání) *) začíná filtrovat veškeré vjemy a nepodstatné nepouští dál ke zpracování. Může se proto stát, že vidění se zužuje pouze na pohled na učitelku a tabuli pak žák má pocit, že se dívá, jako by si vytvořil z papíru rourku. Nastupuje malátnost a lenost tělo šetří kyslíkem. Některé studie poukazují na vliv vyšší koncentrace CO 2 v budovách, na rychlejší odumírání mozkových buněk a stále vyšší výskyt Parkinsonovy nemoci (může jít o náhodu a stále se zvyšující věk lidí, ale kdoví). Nedávná studie dánských vědců (prof. Arne Astrup, University of Copenhagen) poukazuje na překyselení organismu díky vyšším koncentracím CO 2 jak v atmosféře, tak hlavně v interiérech budov, kde často trávíme 80 90 % času. Za posledních cca 100 let poklesla ph osob o zhruba 0,1. Pokusy potvrdily předpoklad zvýšení neuronální aktivity, tzv. orexinových neuronů. Ty ovlivňují mimo jiné i pocit hladu. Výsledkem může být přejídání a stále více obézních osob. Podobné problémy jsou i při poruchách spánku, kdy jeho nedostatek ovlivňuje stejné skupiny neuronů. Nevyspání a neodpočinutí si díky vysoké koncentraci CO 2 může být začátek kruhu, který pokračuje nevyhovujícím prostředím školní třídy, pracovišť a kanceláří. Koncentrace CO 2 ve třídách je rozdílná, nelze soudit paušálně. Důležitý je přívod a odvod vzduchu. Po provedení revitalizace byl původní, byť nedostatečný a teplotně nevyhovující přívod netěsností oken, zrušen bez náhrady. Jak ukazují měření v těchto třídách po revitalizaci, koncentrace CO 2 se udržují na vysokých úrovních i během přestávek (viz graf 1a, b). Větrání okny také není všespasitelné byť je prostor školní třídy objemově poměrně velký, na vyšší počet žáků stačit nemusí (viz graf 2), kdy nebylo možné větrat v průběhu vyučovací hodiny venku bylo -4 C a kolem školy vede rušná komunikace. Větrání bylo zajišťováno otevřením oken o přestávce, samozřejmě bez přítomnosti osob ve třídě, aby na ně nešel velmi studený venkovní vzduch. Z grafu je vidět i pokles teploty v interiéru při nárazovém větrání. Z organizačních důvodů ale nemůžeme všechny žáky celé školy o přestávce koncentrovat na chodbách. 3 Požadavky a nařízení Na první pohled právní a technická džungle předpisů, ale opak je pravdou. TEPELNÁ OCHRANA BUDOV 3/2013 21
Požadavek č. 2 Zákon č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví v platném znění 13 Vnitřní prostředí staveb a hygienické požadavky na venkovní hrací plochy čl. 1 Uživatelé staveb zařízení pro výchovu a vzdělávání, vysokých škol, škol v přírodě, staveb pro zotavovací akce, staveb zdravotnických zařízení, ústavů sociální péče, ubytovacích zařízení, staveb pro obchod a pro shromažďování většího počtu osob jsou povinni zajistit, aby vnitřní prostředí pobytových místností v těchto stavbách odpovídalo hygienickým limitům chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů, upravených prováděcími právními předpisy. Tím není dotčena povinnost vlastníka stavby podle zvláštních právních předpisů udržovat stavbu v dobrém stavebním stavu. Graf 1b TU Košice posluchárna zaplněná cca 70 posluchači (bez řízeného větrání) CO 2 pravá osa ppm Teplota interiéru levá osa C Relativní vlhkost levá osa % Abs. vlhkost interiéru levá osa g/m 3 Graf 2 Realita ve školách Je nutné si vždy uvědomit, o jaký prostor se jedná. Při podrobném porovnání zjistíme, že všechny požadavky jsou v zásadě stejné. Stručný výtah z některých z nich: Požadavek č. 1 Vyhláška č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby ve znění vyhlášky č. 20/2012 Sb. 11 Denní a umělé osvětlení, větrání a vytápění Čl. 5 Pobytové místnosti musí mít zajištěno dostatečné přirozené nebo nucené větrání a musí být dostatečně vytápěny s možností regulace vnitřní teploty. Pro větrání pobytových místností musí být zajištěno v době pobytu osob minimální množství vyměňovaného venkovního vzduchu 25 m 3 /h na osobu, nebo minimální intenzita větrání 0,5 1/h. Jako ukazatel kvality vnitřního prostředí slouží oxid uhličitý CO 2, jehož koncentrace ve vnitřním vzduchu nesmí překročit hodnotu 1 500 ppm. 37 Vzduchotechnická zařízení Čl. 4 Vzduchotechnická zařízení v provozech s vysokou intenzitou výměny vzduchu musí mít zajištěno zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu zařízením s ověřenou dostatečnou účinností, pokud se neprokáže například energetickým auditem, že takové řešení není v daných podmínkách vhodné. Požadavek č. 3 Vyhláška č. 343/2009 Sb., o hygienických požadavcích na prostory a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých (viz tab. 2, 3) Zde je stanoveno, že přívod vzduchu na žáka musí být v rozsahu 20 30 m 3 /h. Nesmí se zapomínat na zajištění teploty v interiéru (viz tab. 4). Požadavek č. 4 Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanovují podmínky ochrany zdraví při práci v platném znění nařízení vlády č. 93/2012 Sb. V příloze 1, část A, tab. 5 je konstatováno, že rozdíl teplot vzduchu mezi úrovní hlavy a kotníků při teplotě interiéru 20 C je 0 K, při teplotě 22 C je max. 0,5 K. Jak toto zajistit při otevření okna a přívodu venkovního vzduchu o teplotě např. 0 C? Ve stejné vyhlášce je stanoveno, že přívod vzduchu pro osobu, vykonávající práci podle třídy I je 25 35 m 3 /h podle zatřídění školní třídy např. jako prostor se zvýšeným výskytem pachů. Tab. 2 Intenzita větrání čerstvým vzduchem v učebnách, tělocvičnách, šatnách a hygienických zařízeních a provozovnách pro výchovu a vzdělávání zařízení výměna vzduchu m 3 /h učebny 20 30 na 1 žáka tělocvičny 20 90 na 1 žáka šatny 20 na 1 žáka umyvárny 30 na 1 umyvadlo sprchy 150 200 na 1 sprchu záchody 50 na 1 kabinu 25 na 1 pisoár 22 TEPELNÁ OCHRANA BUDOV 3/2013
4 Praktický příklad Můžeme navštívit školu, kde jsou všechny výše uvedené požadavky zajištěny. Školní budova byla postavena v dobách Rakouska-Uherska, a od té doby prošla několika více či méně zdařilými úpravami. Poslední, ale velmi zásadní, rekonstrukce proběhla v roce 2012. Kromě řešení osvětlení ve třídách s obnovením otvorů podle původního stavu budovy v době postavení školy, osazení nových těsných oken, provedení zateplení obálky budovy a vytvoření vzhledu podobného době vzniku, výměny provozně nevyhovujících akumulačních elektrických kamen za radiátory a tepelné čerpadlo vzduch/voda, byla řešena i řízená výměna vzduchu pro dvě malotřídky (1. 3. ročník a 4. 5. ročník). Pro 16 žáků je potřeba zajistit přívod vzduchu do třídy v objemu cca 320 480 m 3 /h. Část vzduchu (mezi cca 35 60 m 3 /h) proudí do třídy netěsnostmi ve stěnách a stropech tato hodnota je pro zajištění větrání nedostatečná. Pro snížení energetické náročnosti díky výměně vzduchu byla také posuzována možnost instalace zařízení pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu (např. díky rekuperačním výměníkům tepla obr. 1). Nakonec byla osazena pro obě třídy společná vzdu- chotechnická jednotka s rekuperací tepla, která se běžně používá pro velké rodinné domy. Při přípravách byly v každém kroku velmi zvažovány pořizovací náklady na straně jedné a maximální přínos na straně druhé. Bylo potřeba zajistit větrání pro dvě třídy s relativně rozdílnými požadavky na větrání podle obsazenosti a minimalizaci stavebních úprav a zásahů do interiéru školy, která má např. na chodbách, kudy bylo potřeba vést část vzduchovodů, klenby. Vzduchotechnická jednotka je umístěna pod stropem chlapeckých toalet, kde je zároveň napojen i odvod kondenzátu. Čerstvý venkovní vzduch je nasáván z fasády, prochází rekuperačním výměníkem a je přiváděn do obou tříd pomocí přívodních ventilů pod stropem nad tabulemi v přední části učeben. Odvod vzduchu je ze zadní části tříd sací žaluzií, umístěnou také pod stropem. Odtud vzduch proudí přes rekuperační výměník v jednotce a následně je vyfouknut z budovy ven. Díky rekuperaci zpětnému zisku tepla, kdy odváděný teplý vzduch ze školy předehřívá v rekuperačním výměníku přívodní chladný venkovní vzduch se šetří nemalé množství energie, což kromě komfortu pro žáky přináší každoroční provozní úsporu pro zřizovatele školy. Aby bylo větrání opravdu řízené podle okamžitých požadavků, a nebylo závislé na nastavení vyučujícím a na jeho pocitech, bylo v každé třídě umístěno čidlo CO 2. Podle okamžité koncentrace CO 2 v prostoru tato čidla přímo upravují větrací výkon vzduchotechnické jednotky čím vyšší koncentrace CO 2, tím více se větrá, vč. rekuperace tepla. Jak žáci třídu opustí, vzduchotechnika stále přivádí čerstvý vzduch, avšak postupně se na základě čidel výkon větrání snižuje. Po dokončení výměny vzduchu se v odpoledních hodinách větrání zastaví a zařízení se znovu spustí ráno po příchodu prvních žáků do třídy a zvýšení koncentrace CO 2 nad nastavenou startovací hodnotu. Kombinací předvětrání prostoru ráno před příchodem žáků a následně udržováním potřebného výkonu díky čidlům CO 2 v každé třídě tak výkonově mírně poddimenzovaná jednotka dokáže zajistit udržení parametrů vnitřního prostředí. Za celou topnou sezónu byla okna otevírána pouze pro snížení teploty vzduchu ve třídě na začátku hodin zpěvu. K překročení koncentrace CO 2 nad koncentraci 1500 ppm došlo celkem 5x (1x při slavnostním otevření školy, 1x při nácviku na společnou vánoční besídku, 1x při vánoční besídce, 2x při společné debatě obou tříd s ha- Tab. 3 Výsledná teplota v interiérech (výtah) typ prostoru výsledná teplota rychlost proudění relativní vlhkost tg min tg opt tg max v a rh C C C m s -1 % učebny, pracovny, místnosti určené k dlouhodobému pobytu 20 22 ± 2 28 0,1 0,2 30 65 Tab. 4 Dimenzování výkonu větrání pro RD a BD ČSN Porovnání ČSN EN 15665/Z1 s dalšími normami intenzita větrání neobsazené místnosti intenzita větrání dávka na osobu kuchyně koupelny WC [h -1 ] [h -1 ] [m 3 /h] [m 3 /h] [m 3 /h] [m 3 /h] ČSN EN 15665/Z1 minimální hodnota 0,3 0,3 15 100 50 25 doporučená hodnota 0,5 25 150 90 50 ČSN EN 15251 1. třída 0,1 0,2 0,7 36 100 72 50 2. třída 0,6 25 72 54 36 3. třída 0,5 15 50 36 25 ČSN 73 0540-2 0,1 0,3 0,6 15 25 odkaz na jiné předpisy Poznámky: ČSN EN 15665/Z1 Větrání budov Stanovení výkonových kritérií pro větrací systémy obytných budov; ČSN EN 15251 (příloha B) Vstupní parametry vnitřního prostředí pro návrh a posouzení energetické náročnosti budov s ohledem na kvalitu vnitřního vzduchu, teplotního prostředí, osvětlení a akustiky; ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov Část 2: Požadavky TEPELNÁ OCHRANA BUDOV 3/2013 23
siči a policií v jedné učebně), tj. vždy při výrazně vyšším počtu osob, než při běžném obsazení. Pan starosta a zastupitelé mohou klidně spát, požadavky vyhlášek zajistili. Klidně spí ale i učitelky, které si pochvalují vyšší pozornost žáků a na sobě pozorují daleko menší únavu z vyučování. Jedná se sice o malý vzorek žáků, ale první nemocný žák byl ve školním roce 2012/2013 až po jarních prázdninách. Na nízkou nemocnost má jistě vliv i využívání řízené výměny vzduchu s rekuperací tepla a odfiltrováním prachových částic. Pro srovnání údajů bylo po dohodě VZT zařízení na 5 dní vypnuto, aby byly k dispozici údaje provozu budovy bez řízeného větrání. Není bez zajímavosti, že už třetí den byl vznesen dotaz, zda by toto období mohlo být zkráceno, že si žáci i učitelky za cca 6 týdnů od prvního spuštění již zvykli na kvalitní prostředí ve třídách (viz graf 3). Instalací systému řízeného větrání je kromě splnění zákonných požadavků ze strany provozovatele školy zajištěno i velmi dobré prostředí pro vzdělávání, zvýšení pozornosti a snížení nemocnosti. Tyto okolnosti nelze tak snadno finančně ohodnotit, ale ocení je každý z žáků, a především učitelů a rodičů. Finanční náklad na realizaci podobných systémů není příliš vysoký bavíme se o částkách cca 45 110 000 Kč/třídu. Kromě úspor provozních nákladů na temperování ale budou třídy plné spokojených žáků a odpočatých učitelů. O úsporách provozních nákladů a pořizovacích cenách zařízení podrobněji v dalším článku. Obr. 1 Rekuperace tepla účinnost Graf 3 ZŠ Kostelní Lhota větrání školní třídy po rekonstrukci školy (nejdříve týden bez VZT, v dalších týdnech řízené větrání VZT systémem s rekuperací tepla Konference Projektování na nové energetické standardy New energy standards design convention Společnost Isover pořádala 25. 4. 2013 v Brně v rámci doprovodného programu k IBF a 29. 5. 2013 v Praze-Holešovicích v divadle La Fabrika konferenci Projektování na nové energetické standardy. Hlavním tématem konference bylo navrhování domů podle nových tepelnětechnických požadavků, vycházejících z novely zákona o hospodaření s energií (č. 406/2000 Sb.) a následné novely vyhlášky o energetické náročnosti budov (č. 78/2013 Sb.). Během konference byly prezentovány jednotlivé unikátní nástroje společnosti Isover, např. software pro optimalizaci energetického návrhu budov Multi-Comfort House Designer verze 3, Katalog tepelných vazeb část 1, nebo přehled Certifikovaných konstrukčních detailů pro nízkoenergetické a pasivní domy. Součástí konference bylo slavnostní vyhlášení národního kola prestižní mezinárodní přehlídky Isover Energy Efficiency Best of Awards 2013. Vítězové národního kola přehlídky energeticky úsporných projektů se zúčastní mezinárodního kola v irském Dublinu na jaře 2014 a jejich vítězné projekty budou uveřejněny v publikaci Isover Best of Book 2013. Více informací na www.isover.cz. 24 TEPELNÁ OCHRANA BUDOV 3/2013