Problematika vlhkosti při cirkulačním teplovzdušném vytápění (I)

I v České republice se po roce 1990 projevil trend výstavby, který má za cíl snížit provozní náklady na vytápění. V té době ovšem spíše jako možnost realizace relativně malé skupiny předvídavých lidí - nadšenců. Po několika letech, doprovázených stále rostoucí cenou energií, se stále větší procento investorů zamýšlí nad tím, jak provozní náklady objektů snížit. Postupy a tl. izolací, které u experimentálních objektů v letech 1995 - 2001 budily úžas nebo nevěřícné kroucení hlavou, se stávají běžnou součástí staveb. Bohužel ne u všech, ale neustále se zvyšuje počet objektů, které se mohou označovat jako nízkoenergetické (NED). Několik objektů v České republice se již blíží nebo splňují i parametry objektu pod označením energeticky pasivní dům (EPD). Dosažení parametrů NED nebo EPD ale není možné pouze stavebními úpravami. Neustálé přidávání tloušťky tepelných izolací již výrazný efekt nepřináší, okna (přesněji zasklení oken) má v současné době také určité hranice. Další velkou možností snížení provozních nákladů je oblast větrání.

Dokonalé provedení obálky budovy sebou přináší i jeden aspekt, který v dřívější výstavbě nebyl nijak zásadně řešen. Je to vzduchotěsnost. Do tepelných ztrát objektu se velmi výrazně započítává tzv. infiltrace. Nové postupy a provedení dokáží zajistit takovou těsnost konstrukce objektu, že téměř nedochází k žádné výměně vzduchu mezi interiérem a exteriérem. Také okna jsou dokonale těsná. Na hodnotu tepelných ztrát objektu to má příznivý, snižující vliv. Tato oblast je rozebírána v mnoha příspěvcích nejen na tomto portále.

V objektech ale žijí lidé. Tím, že je potlačena neřízená infiltrace - přívod vzduchu štěrbinami v napojení konstrukcí - vzniká problém. Každá domácnost produkuje vlhkost - odparem z květin, vařením, koupáním. Pokud není vyřešen odvod této vlhkosti, následkem může být až vznik plísní a degradace stavební konstrukce. Poslední dobou se setkáváme s tímto problémem v panelových domech, kde se vyměnila okna za novější - těsnější. Řešením na snížení relativní vlhkosti je větrání, které odvádí zároveň i další škodliviny z interiéru (CO₂, formaldehyd...) a zajišťuje přívod čerstvého vzduchu. V těsných objektech ale není možné spoléhat se pouze na otevírání oken - znamenalo by to, že v zimním období v noci by bylo nutné vstávat cca každou 1 - 1,5 hod. a dokonale provětrat celou místnost. Nárazovým větráním okny kromě možnosti vzniku "průvanu", diskomfortu a prochlazování konstrukcí ztrácíme i teplo, které bez užitku odvedeme do exteriéru. Realizované odvětrání WC a kuchyní (digestoře) také nemají velkou funkci - při zapnutí sice vzduch odsávají, ale po určité době v bytě vytvoří podtlak a protože objekt je těsný, není vytvořena cesta, kudy by se do domu nasával vzduch. Ventilátorky pak běží naprázdno nebo jen s minimálním výkonem odsávání. Jedno z možných řešení, u moderních vzduchotěsných NED a EPD nezbytné, je použití nuceného větracího systému, nejlépe s rekuperací (znovuzískáváním energie) z odpadního tepla.

Protože se počet realizací těchto objektů neustále zvyšuje, je k dispozici stále více zkušeností z provozu. Jedním z problémů, na který obyvatelé upozorňují, je malá relativní vlhkost v interiéru. Už v roce 2002 se v zahraničních pramenech při popisování nízkých nákladů na vytápění občas objevovaly informace (spíše ale pod čarou), že v těchto EPD je koncem "topného" období (přelom února-března) velice nízká interiérová vlhkost - i pod 20%! V zimní sezóně 2002/2003 podobnou zkušenost zjistili i v České republice uživatelé systému cirkulačního teplovzdušného vytápění s větráním ATREA, kterých bylo v roce 2002 uvedeno několik desítek do provozu - tím byl poprvé u nás k dispozici široký vzorek "běžných" uživatelů a ne jen nadšenců. V té době byla intenzita větrání nastavována v souladu se zahraničními požadavky na trvalé větrání cca 80 - 120 m³/h, s nárazovým zvýšením výkonu až. na 160m³/h (pro komfortní odvětrání koupelen a WC popř. kuchyně při provozu). Průměrná intenzita výměny vzduchu tak byla cca 0,3 - 0,4 h^-1. Relativní vlhkost interiéru se pohybovala i kolem cca 28 - 35%.

Ukazují to i nedávno získané zkušenosti z již realizovaného a delší dobu obydleného EPD, který byl postaven roce 2002 v Korutanech dle návrhu arch. Erwina Kalteneggera. Investor a uživatel domu je specialista v oblasti kovových konstrukcí a fasádních systémů. Objekt je proto realizován pomocí nosného ocelového skeletu, který je oplášťován pomocí plošných desek na bázi dřeva a vyplněn tepelnou izolací. Jedná se tedy o lehkou stavbu bez výrazné vnitřní akumulace - stejně jako v případě některých EPD - dřevostaveb v České republice. Dle informací, které získal náš kolega Ing. Arch. Eugen Nagy v roce 2005, investor uvádí, že díky rovnotlakému větracímu systému (bez cirkulace - dopl. autorem článku), který je neustále v provozu, dochází ke snižování vnitřní relativní vlhkosti. Kritický stav nastává koncem února, kdy je již z objektu odvedena i vlhkost obsažená v povrchových vrstvách stěn a nábytku. Díky tomuto vysoušení (vhodné při větrání bazénu, nikoliv ale domu) se relativní vlhkost interiéru blíží až k hodnotě 20 %!. Nízká relativní vlhkost je patrná i na trhlinách nábytku z masivního dřeva. V létě jsou široké max. 1 mm, vlivem přesoušení jsou ke konci topného období několikanásobně širší. Co se vlastně v tomto domě děje? Podobné problémy přeci známe i z "běžných" starších panelových domech před rekonstrukcemi.

Temperování EPD objektů rovnotlakou větrací soustavou

Díky zlepšujícím se stavebním konstrukcím klesá požadavek na výkon otopných soustav. Vzduchotěsnost objektů vyžaduje větrací systém. Je tedy možné zajistit větracím systémem i temperování objektu? Je. Alespoň se toto tvrzení běžně přejímá a publikuje, hlavně mezi autory, kteří nemají osobní zkušenosti se skutečným provozem takovýchto energeticky nenáročných objektů. Hlavně v zahraničí (Rakousko, Německo) se používá tzv. rovnotlaký větrací systém s rekuperací odpadního tepla, kde účinnost rekuperace je vyšší než 85% (procento stanovuje, kolik energie z odváděného vzduchu dokážeme v rekuperačním výměníku získat pro předehřev vzduchu přiváděného). Stejný systém byl použit i v EPD v Korutanech (viz výše).

Obr. č.1 - schéma rovnotlakého větracího systému

LEGENDA: e2 - přívod větracího vzduchu do obytných místností i1 - odsávání vzduchu z koupelen a WC (odpadní vzduch) i2 - výfuk - odvod odpadního vzduchu z objektu e1 - sání venkovního vzduchu - přívod čerstvého vzduchu do objektu

V současné době se již realizují podobné nízkoenergetické objekty i v ČR. Požadavek na pokrytí tepelných ztrát u EPD se blíží 10W/m² podlahové plochy, celková tepelná ztráta (vč. větrání s rekuperací) je v rozsahu 1,3 - 2,2 kW. Samozřejmě, že záleží i na velikosti podlahové plochy. Hodnota 3 kW v tomto kontextu může být hrozivá, ale má-li objekt plochu 300 m², je vše tzv. "v relaci".

Podíváme-li se ale na celou záležitost z hlediska vzduchu jako nosiče tepelné energie, pak potřebujeme určité množství vzduchu, které přenos zabezpečí. Budeme předpokládat, že dům bez koupelen má tepelnou ztrátu cca 1400 W. Teplota v koupelnách bude v době temperování cca 24°C (zjišťuje samostatná otopná plocha). Díky účinné rekuperaci (a také pro zjednodušení) budeme počítat, že za rekuperačním výměníkem má vzduch teplotu 20°C. Maximální teplota vzduchu po dohřevu by neměla překročit 50°C. Nad touto teplotou již dochází k tzv. přepalování prachu (karbonizaci), který se rozpadá na menší částice a uvolňují se další těkavé látky. Ty pak pronikají do plicních komůrek a způsobují problémy při dýchání (dráždění, kašel). Teplejší vzduch má také velmi nízkou relativní vlhkost (při stejné měrné vlhkosti), takže v blízkosti vyústek může docházet k výraznému místnímu přesušení (jak vzduchu, tak i konstrukce). Když budeme tedy počítat s max. teplotou 50°C, pak je (Δ_t = 50 - 20 = 30°C). Potřebné množství vzduchu pro přenos 1400 W je

Dimenzování výkonu větrání

Pro vytvoření správné pohody v interiéru kromě tepla je nutné zajistit i přívod čerstvého vzduchu. Tuto hodnotu stanovují hygienické předpisy. Jako ve všech oblastech, i zde panují rozdílné názory. Pro dimenzování můžeme použít jeden ze tří základních parametrů (obvykle se volí ten, který má požadavek na větrání na nejvyšší úrovni). Odtah je pak řešen odsáváním vzduchu ze sociálních zařízení.

a) Z hodnoty obestavěného prostoru - pro nucené větrací zařízení předepisují v řadě vyspělých států intenzitu výměny v rozsahu n - 0,3 - 0,5 h^-1. V tomto případě se "n" vypočítává z obestavěného prostoru, není brán v úvahu počet a typ místností v domě, ani počet osob, které v objektu žijí.

b) Vzhledem k typu místností v domě - v tabulce č.2 je uvedeno, kolik vzduchu je nutné minimálně odsávat ze sociálních zařízení a kuchyní.

Předpis	Kuchyně		Koupelny		WC
	[m3/h]	[h-1]	[m3/h]	[h-1]	[m3/h]	[h-1]
DIN 18017/3	-	-	40 - 60	-	20 - 30	-
DIN 1946/6	40 - 60	-	40 - 60	-	20 - 30	-
ECE Compendium	36 - 180	-	36 - 180	-	-	-
BSF 199838	36 - 54	-	36 - 108	-	36	-
ČR	100 - 150	≥ 3	60	3 - 5	25	3

Tab. č.2 - dimenzování odsávání

Po zprůměrňování můžeme konstatovat, že z koupelen a kuchyní bychom měli odsávat 40 - 60 m³/h; z WC 25 - 40 m³/h, ze šaten a zádveří se pak doporučuje odsávat cca 10 - 15 m³/h.

(první hodnota udává odsávání v trvalém režimu odvětrání, druhá hodnota pak nárazové komfortní zvýšení výkonu pro dokonalejší provětrání prostor v době větrání menší než 12h/den)

Obvyklý dům má 1x kuchyň, 1x koupelnu, 1x WC a 1 - 2 šatny a zádveří. Když sečteme požadavky na větrání dle těchto parametrů, pak dostaneme výkon odvětrání 135 - 170 m³/h.

c) Dimenzování na počet osob - jako nejčastější, a obecně udávaný údaj se používá hodnota přívodu 25 m³/h na osobu. Pro osobu adaptovanou ("zvyklou") na interiér objektu je možné snížit množství přiváděného vzduchu až na cca 18 m³/h. Pro běžnou 4-člennou rodinu je pak požadavek na větrání 72 - 100 m³/h.

Z předchozích údajů pak jasně vychází dimenzování rovnotlaké větrací soustavy dle typu místností. Kromě odtahu ale musíme zároveň zajistit dokonalý přívod (alt. rozvod) čerstvého vzduchu po objektu. Požadavky na přívod vzduchu do jednotlivých obytných místností se dimenzuje dle předpokládaného počtu osob, které se průměrně v místnosti vyskytují. V tabulce č. 3 jsou základní požadavky na přívod čerstvého vzduchu z hlediska větrání do jednotlivých místností.

Typ místnosti; počet osob	Přívod v m3/h
Ložnice; 2	40
Dětské pokoje - celodenní provoz; 1	30
Dětské pokoje - celodenní provoz; 2	50
Kuchyň - samostatná místnost; rodina (4)	60
Obývací pokoje vč. kuchyní; (počet osob = x )	x * 25; min 100
Obývací pokoje; (počet osob = x )	x * 25
Pracovny; 1	30
Ostatní prostory (šatny, chodby...)	10

Tab. č.3 - dimenzování přívodu

Pokud bychom sečetli dohromady minimální počty místnosti v objektu (OP, ložnice, dětský pokoj/2 os/a chodbu: 100+40+50+10) = 200 m³/h. Toto množství je vyšší, než kolik potřebujeme z prostoru odvádět. Je možné návrhem projektu větrat zónově (např. přes den dětské pokoje + obývací pokoj, v noci dětské pokoje a ložnice), nebo vhodnou dispozicí objektu větrat kaskádou (vzduch přivádět do ložnic, odtud do obývacího pokoje a teprve poté přes společné prostory do WC). Pokud srovnáme potřebné množství větracího vzduchu k požadavku na vytápění (cca 139 m³/h pro 1,4 kW teoretické ztráty domu), pak zde také není zásadní rozpor. Kromě požadavku na větrání (první parametr) a temperování (druhý) je nutné mít stále na zřeteli i další parametry, ovlivňující vnitřní mikroklima.

Třetí je obsah CO₂ v interiéru. Již dříve byl zveřejněn matematický model spol. ATREA, uvádějící koncentrace CO₂ při použití teplovzdušného cirkulačního vytápění ve vazbě na obestavěný prostor interiéru. Výsledku měření budou prezentovány v dalších příspěvcích.

Čtvrtý parametr je relativní vlhkost.

Relativní vlhkost v interiéru

V následující tabulce jsou základní definice, týkající se vlhkosti, které budou dále zmiňovány.

název	zkratka, jednotka	definice
Měrná vlhkost	x (g/kg s.v.)	Hmotnost vodní páry v 1 kg suchého vzduchu
Relativní vlhkost	rh (%)	Stupeň nasycení vzduchu vodní parou (od 0 - 100%) při dané teplotě vzduchu. Pro interiéry v zimním období se doporučuje 40 - 50 %)

Na relativní vlhkost v interiéru má největší vliv větrání a také teplota. Rozšířeným mýtem je tvrzení, že nízká relativní vlhkost (30 % a méně) a způsobené problémy suchých sliznic obyvatel v panelových domech je způsobeno tím, že beton veškerou vlhkost absorbuje. Nízká relativní vlhkost je ale způsobena extrémním větráním. V těchto domech je použita otopná soustava s otopnými tělesy s teplotním spádem otopné vody 90-70 °C. Střední teplota otopných těles v zimním období je tedy kolem 70°C, aby bylo možné vytvořit vnitřní tepelnou clonu a ohřát vzduch, který vniká do bytů netěsnými rámy oken.

Graf č. 4 - měření venkovních teploty a relativní vlhkosti EPD Rychnov v období od 18.12.2005 - 3.1.2006
(zdroj dat - podklady. spol. ATREA s.r.o)

V grafu na obr. č. 5 je velmi zjednodušeně naznačeno vysvětlení tohoto stavu. Běžná relativní vlhkost vzduchu v zimním období je 70 % (viz graf č. 4 - měření venkovní teploty a venkovní relativní vlhkosti). To odpovídá měrné vlhkosti cca 1,8 g/kg suchého vzduchu. Pokud ohřejeme vzduch z teploty -5 °C na 20 °C, tak relativní vlhkost tohoto vzduchu klesne na cca 12 % (svislá čára v levé části grafu). Pokud by jsme (pro zjednodušení) neměli v interiéru žádný zdroj vlhkosti, pak při větrání intenzitou n = 0,3 h^-1 bychom za 1 h snížili vnitřní relativní vlhkost z 50% na cca 37 %. Tento zjednodušený model ale také platí pro místnosti, kde není dostatečný zdroj vlhkosti - např. ložnice, popř. dětský pokoj. Pokud není dostatečná produkce vlhkosti v interiéru celého domu a po určité době je vyčerpána i vlhkost přirozeně obsažená v konstrukcích a vybavení, pak nastává problém "globální" - viz. EPD v Korutanech.

Obr. 5 - Molliérův h-x diagram

Svislá zelená čára v levé části grafu znázorňuje na kolik klesne relativní vlhkost venkovního vzduchu při ohřevu: z -5°C (rh=70%, měrná vlhkost 1,8 g/kg s.v.)- spodní bod na +20°C (rh=12%, měrná vlhkost 1,8 g/kg s.v.)- horní bod. Grafické znázornění v pravé části (červené) graficky znázorňuje větrání interiéru venkovním vzduchem předchozích parametrů intenzitou výměny n=0,3 n-1. Výslednou hodnotu relativní vlhkosti v interiéru při tomto větrání (bez produkce vnitřní vlhkosti) pak znázorňuje hnědá čára - horní bod na 20°C interiérové teploty

Jak bylo výše popsáno, dimenzování větrání a vytápění teoreticky vychází. Je třeba si ale uvědomit, že při požadavku na topení je u rovnotlaké soustavy potřeba přivádět do objektu vzduch = větrat - bez ohledu na to, jaká je produkce vlhkosti v interiéru, kolik osob se v domě nachází. Dále, čím měně osob, tím méně zisků tepla z jejich tělesné činnosti a také např. z domácích spotřebičů vč. televizí, počítačů a osvětlení - nikdo není doma, vše je vypnuto. Tím je na výkon topné soustavy kladen větší nárok. Při maximálním požadavku na temperování je obvykle venku nízká teplota = velmi nízká měrná vlhkost a vracíme se do úvodu tohoto odstavce - nízká relativní vlhkost. Že to není jen tvrzení dokazují kromě již uvedených příkladů i zkušenosti z provozu bytových domů standardu energeticky pasivní výstavby z Rakouska, které byli postaveny v rámci projektu CEPHEUS v letech 1999 - 2001. Při měřeních rh interiérů byly v nejchladnějších obdobích naměřeny hodnoty v rozsahu 40 - 30 %; v některých bytových jednotkách dokonce 30 - 20 %. Ve zdůvodnění se uvádí: "tyto hodnoty jsou sice nízké, ale vzhledem k vysokým teplotám interiéru (20 - 23°C) ještě v hranici přijatelnosti." Tento VZT systém, pokud je bez další otopné soustavy použit pro temperování prostoru, navíc neumožňuje rychlý zátop (je dimenzován na požadavky objektu bez předimenzování výkonu: vyšší výkon = vyšší přívod venkovního vzduchu = rychlejší dopad na relativní vlhkost interiéru. Další problém, na který narážíme ve spojení rovnotlaké větrací soustavy a rh interiéru je relativní vlhkost v každé místnosti. Větrací vzduch totiž přivádíme do každé místnosti samostatně (kromě kaskádových zapojení). Produkci vlhkosti z koupelen není možné do celkové bilance započítávat, je lokálně okamžitě odsávána. Pokud bude intenzivní produkce vlhkosti v obývacím pokoji (např. odpar z květin), nijak to neovlivní bilanci v ložnici. Ta ale obvykle přes den není využívána. Při podlahové ploše střední ložnice (nebo dětského pokoje) 14 m² je obestavěný prostor 35 m³. Při přívodu vzduchu cca 40 m³/h (na 2 os) je prostorová výměna n = ~ 1 - 1,15 h^-1. V tomto případě pak rh klesá ještě výrazněji, než v příkladu na začátku tohoto článku - v zásadě po 1 h na rh ~ 30%. Přesto může celková bilance relativní vlhkosti v objektu teoreticky i prakticky vycházet - v OP totiž může být rh = 50 % a produkce vlhkosti může dokonce způsobovat růst hodnoty rh i při současném větrání.

Jedno z možných řešení, jak tento stav zlepšit, je větrat minimálními výkony (dle požadavků na odsávání prostorů soc. zařízení) a přívod do místností provést tzv. zónově - přivádět vzduch pouze tam, kde je předpoklad pobytu osob. Když jsou v OP, není důvod větrat ložnici plným výkonem a obráceně. Pomocí přepínací klapky a časových hodin je tak možno přivádět vzduch tam, kde je to nutné. Jako každé řešení má i toto řešení své ale - není možné pak využít rovnotlakou větrací soustavu pro vytápění - nevětráním ložnice by nebyl přes den (v OP v noci) zajištěn přívod dostatečného množství energie pro pokrytí tepelných ztrát prostoru. Jako jedno z možných řešení, aniž bychom se vzdali jednoho vytápěcího a větracího systému, je systém cirkulačního teplovzdušného vytápění a větrání s rekuperací odpadního tepla.