Koncentrace oxidu uhličitého v obytných místnostech při různých způsobech větrání

Úvod

Vnitřní prostředí budov je pro zdraví jeho uživatelů velmi důležité, neboť v něm tráví podstatnou část svého času. Snaha o snížení tepelných ztrát vedla k omezení přirozeného větrání infiltrací okenními spárami a bez použití jiného systému větrání jsou takové prostory z hygienického hlediska nevyhovující. Při nedostatečném větrání většinou dochází ke zvyšování koncentrací škodlivých látek, relativní vlhkosti, rozmnožování plísní a vytváření prostředí, které neodpovídá potřebám lidského organismu a může být pro něj škodlivé. Větrání s dostatečným množstvím čerstvého vzduchu a s odvodem znehodnoceného vzduchu dle produkce škodlivin je důležitým faktorem k vytvoření příznivých podmínek pro pobyt osob ve vnitřním prostoru. Tento článek se zabývá problematikou relativní vlhkosti a koncentrace oxidu uhličitého v interiérech obytných staveb. Na základě modelu koncentrace oxidu uhličitého porovnává a navrhuje různé varianty větrání. Podmínky pro model jsou poplatné době zpracování článku koncem roku 2007, ale jsou využitelné trvale.

Model koncentrace oxidu uhličitého v obytných místnostech v programu Contam 2.4

Bylo provedeno hodnocení různých variant větrání bytu 2 + KK (obr. 1) podle množství větracího vzduchu. Hodnocení bylo provedeno na základě koncentrace oxidu uhličitého. Protože pro hodnocení kvality vnitřního vzduchu z hlediska koncentrace oxidu uhličitého v České republice neexistuje žádný závazný předpis, byla maximální koncentrace v interiéru hodnocena podle ASHRAE Standardu [1], který předepisuje maximum 1000 ppm. Ve venkovním vzduchu byla uvažována koncentrace CO₂ 350 ppm [7] a produkce CO₂ dýcháním osob byla pro práci v klidu 20 l.h⁻¹ na osobu [4], [7].

Objem obývacího pokoje je 67 m³ a ložnice 31,2 m³. Byt byl uvažován ve dvou alternativách podle obsazení: 2 + KKa, který je obsazen dvěma osobami, a byt 2 + KKb, který je obsazen třemi osobami dle obr. 2 a 3. Koncentrace oxidu uhličitého byla sledována v obytných místnostech (obývacím pokoji a ložnici), kde obyvatelé tráví nejvíce času. Ostatní místnosti jako WC, koupelna a chodba není potřeba sledovat, neboť v nich obyvatelé netráví tak dlouhou dobu, aby koncentrace oxidu uhličitého výrazně vzrostla, resp. pobyt při vyšší koncentraci oxidu uhličitého je tak krátký, že nepůsobí obyvatelům potíže.

Pro hodnocení různých způsobů větrání bytu bylo zvoleno pět variant. Množství vzduchu pro jednotlivé varianty je uvedeno v tab. 1. Varianty charakterizují různé požadavky na větrání obytných budov a to jak hygienické, tak energetické. Nejčastější stav větrání současných obytných budov charakterizuje varianta č. 4 větrání („stará okna“) a varianta č. 5 větrání infiltrací („nová okna“).

Obr. 1 Půdorys bytu

Obr. 2 Obsazení bytu 2 + KKa

Obr. 3 Obsazení bytu 2 + KKb

Provoz odsávání v kuchyni, koupelně a na WC je graficky znázorněn na obr. 4. Časové rozložení provozu odsávání bylo navrženo odhadem s přihlédnutím k počtu osob v bytě. Ve všech variantách větrání se neuvažuje otevírání oken. Při provozu odsávání výpočtový program předpokládá přisávání venkovního vzduchu okenními spárami. Je to z toho důvodu, že se těžko odhadne chování uživatelů, kdy a na jak dlouho si okno otevřou. Dále program Contam 2.4 uvažuje při větrání optimální distribuci vzduchu v zónách.

Obr. 4 Provoz odsávání kuchyní, koupelny a WC

Průběhy koncentrací CO₂ jsou na obr. 5 až 8. Výsledky ukazují, že koncentrace oxidu uhličitého odpovídá obsazení interiéru (produkci škodlivin), objemu zón a množství větracího vzduchu. Čas, kdy se koncentrace ustálí na určité hodnotě, a čas, kdy klesne na hodnotu venkovního vzduchu (resp. přívodního vzduchu), závisí na objemu místnosti, produkci škodliviny a množství větracího vzduchu.

Obr. 5 Průběh koncentrace CO₂ v bytě 2+KKa v obývacím pokoji

Ve variantě větrání č. 1a je koncentrace vždy vyšší než ve variantě větrání 1b. To je dáno větším množstvím větracího vzduchu. V případě varianty 1a (intenzita větrání n = 0,3 h⁻¹) je v ložnicích obou bytů po více než 90 % doby, kdy jsou přítomni lidé, překročena koncentrace oxidu uhličitého 1000 ppm. Při intenzitě větrání n = 0,6 h⁻¹ (varianta 1b) vychází poměrně dobře koncentrace CO₂ v obývacích pokojích. V ostatních případech vychází stále jako nedostatečná. Ve variantě č. 2 je většinou po více než 80 % doby, kdy jsou přítomni lidé, překročena koncentrace oxidu uhličitého 1000 ppm. Varianta č. 3 (větrání intenzitou n = 1 h⁻¹) je poměrně příznivá. Ve všech místnostech je dodržena maximální koncentrace CO₂. Pouze v ložnici 2 + KKa je koncentrace ustálená na hodnotě 1600 ppm. Průběhy koncentrací oxidu uhličitého v obývacích pokojích ve variantě č. 4 většinou kopírují koncentrace z varianty č. 1a. V ložnicích mají podobný průběh, ale vychází lépe než ve variantě 1a. Nikdy ovšem koncentrace neklesne pod hodnoty varianty 1b. Z toho plyne, že intenzity větrání n = 0,3 h⁻¹ až max. n = 0,6 h⁻¹ většinou dosáhneme při použití „starých“ nepříliš těsných oken. Naprosto nejhůře dopadla varianta č. 5 s velmi těsnými okny.

Koncentrace oxidu uhličitého dosahuje velmi vysokých hodnot, které i desetkrát překračují požadovanou koncentraci. V reálu ovšem může být situace o trochu lepší, tím, že si uživatelé okna otevřou. Ovšem každý uživatel si okna otevře jindy, každý se cítí nespokojen při jiné koncentraci CO₂.

Obr. 6 Průběh koncentrace CO₂ v bytě 2+KKa v ložnici

Obr. 7 Průběh koncentrace CO₂ v bytě 2+KKb v obývacím pokoji

Obr. 8 Průběh koncentrace CO₂ v bytě 2+KKb v ložnici

Legenda k obr. 5, 6, 7, 8

Problematika vlhkosti v koupelnách

Obr. 9 Obraz proudění vzduchu při odsávání umístěném nad sprchovacím koutem (řez místnosti)

V koupelně jsou zdrojem škodlivin lidé a jejich činnost – koupání. Produkce vlhkosti při sprchování bývá až 2600 g.h⁻¹ a při koupání ve vaně 700 g.h⁻¹ [16]. Pro maximální relativní vlhkost vzduchu v koupelně 90 % při teplotě 24 °C je potřeba v závislosti na stavu (teplotě a vlhkosti) přiváděného vzduchu přivést resp. odvést z koupelny s vanou 42 až 72 m³.h⁻¹ a z koupelny se sprchou 160 až 260 m³.h⁻¹. Množství vzduchu pro odvedení vlhkosti ze sprchování vychází příliš vysoké.

Ve skutečnosti může docházet k menší produkci vlhkosti sprchováním a tím by se dalo snížit množství větracího vzduchu. Pozitivní roli může hrát i distribuce vzduchu a použití sprchového koutu. Optimální by bylo odvádět vzduch přímo nad zdrojem vlhkosti, tedy nad sprchujícím se, a sprchový kout konstruovat tak, aby byl vzduch přiváděn do sprchového koutu v horní části a vlhkost se tedy ze sprchového koutu nemohla dál šířit do prostoru koupelny (obr. 9). V prostoru sprchového koutu dojde ke kondenzaci vlhkosti, ale ta po stěnách steče do sprchové vaničky. Dále by měl být prostor sprchového koutu při sprchování vždy uzavřen, aby při odsávání vzduchu nad ním nemohlo dojít k proudění vlhkosti z prostoru sprchového koutu do koupelny. Stejné řešení by mohlo být i u vany, aby se vlhkost při sprchování nešířila do prostoru koupelny. Odsávací ventilátor by měl být s čidlem vlhkosti, aby odsával vzduch i v době po sprchování a odvedl tak veškerou nadbytečnou vyprodukovanou vlhkost v koupelně. Při výše uvedených opatřeních by se dalo navrhnout množství větracího vzduchu pro koupelnu 100 m³.h⁻¹ s tím, že se i ve vaně uvažuje díky zástěně možnost sprchování.

Problematika vlhkosti a koncentrace oxidu uhličitého v kuchyních

V kuchyni je zdrojem škodlivin vaření - při vaření na elektrickém sporáku se produkuje vlhkost a odéry. V případě kuchyně s plynovým sporákem je ještě navíc při dokonalém spalování s přebytkem vzduchu produkován oxid uhličitý. Produkce vlhkosti při vaření na elektrickém sporáku je 600 až 1500 g.h⁻¹ [16] a pro její odvedení hodnotu relativní vlhkosti do 70 % při teplotě 20 °C je potřeba 80 až 200 m³.h⁻¹ vzduchu.

V kuchyni s plynovým sporákem při spalování plynu vzniká vlhkost, oxid uhličitý a dále je produkována vlhkost i vařením. Provoz sporáku byl uvažován nejen maximální, ale i poloviční a provoz jednoho hořáku, neboť většinou nedochází k plnému provozu všech čtyřech hořáků. Množství čerstvého vzduchu pro udržení maximální relativní vlhkosti 70 % při teplotě interiéru 20 °C a pro maximální koncentraci oxidu uhličitého 1000 ppm je uvedeno v tab. 2. Aby byla v kuchyni maximální relativní vlhkost 70 %, je v závislosti na období a provozu plynového spotřebiče potřeba přivést 120 až 390 m³.h⁻¹ vzduchu. Z výsledků je patrné, že rozhodujícím kritériem pouze při spalování plynu je oxid uhličitý a množství větracího vzduchu pro jeho odvedení, při udržení maximální koncentrace 1000 ppm, je velmi vysoké. Připustíme-li určitý odérový diskomfort, lze pak jít až na koncentraci oxidu uhličitého 15 000 ppm [7], ale pak je potřeba brát v úvahu, že se jedná o hodnotu krátkodobě únosnou, která je na počátku toxického rozmezí.

Návrh větrání bytu

Z hlediska kvality vnitřního vzduchu není vhodné snižovat množství čerstvého vzduchu na osobu, ale regulovat množství vzduchu podle počtu osob v místnosti, např. dle aktuální koncentrace oxidu uhličitého, jsou-li jediným zdrojem škodlivin lidé. V případě konstantního přívodu vzduchu a přítomnosti osob může v interiéru docházet ke hromadění škodlivin a naopak při nepřítomnosti osob je interiér zbytečně větrán, tím dochází k nemalým energetickým ztrátám.

V následujícím textu je uveden návrh hybridního větrání bytu z hlediska množství přiváděného resp. odváděného vzduchu. Přívod se předpokládá prvky pro přívod vzduchu umístěnými pod okny a odvod ventilátorem z kuchyně, koupelny a WC. Větrání se zde uvažuje ve třech režimech: stálé, nárazové a minimální větrání. Množství větracího vzduchu je navrženo tak, aby vyhovělo výše uvedeným požadavkům na kvalitu vnitřního vzduchu z hlediska koncentrace oxidu uhličitého i vlhkosti. U stálého větrání je uvažována přítomnost osob a je přiváděno takové množství vzduchu, aby pro každou osobu, která je v místnosti přítomna, bylo přivedeno resp. odvedeno 25 m³.h⁻¹ vzduchu.

Pokud se podle počtu osob vypočte intenzita větrání v celém bytě, vyjde v intervalu n = 0,35 až 0,75 h⁻¹. Pokud se ovšem vypočte intenzita větrání na obytnou místnost (ať již ložnici, dětský či obývací pokoj) vyjde v rozmezí n = 0,7 až 1,6 h⁻¹. Nárazové větrání je z kuchyňského koutu 150 m³.h⁻¹, z koupelny 100 m³.h⁻¹ a z WC 30 m³.h⁻¹.
Minimální větrání by mělo zajistit minimální intenzitu větrání v době, kdy je byt opuštěn a mělo by jednak odvést škodliviny po pobytu osob a jednak by mělo zajistit odvedení škodlivin, které se uvolňují z nábytku a zařízení bytu. Minimální větrání by mělo být intenzitou větrání n = 0,1 h⁻¹ pro celý byt [2].
Z hlediska distribuce vzduchu zde rozlišujeme tři druhy místností: místnosti s přívodem vzduchu (obývací pokoje, ložnice, dětské pokoje, pokoje pro hosty a pracovny), místnosti s odvodem vzduchu (kuchyně, koupelny, WC), mezi nimi situované místnosti (chodby).
Vzduch je distribuován bytem z místností s přívodem vzduchu do místností s odvodem vzduchu. Proudění vzduchu uvnitř bytu umožňují mřížky ve dveřích. Odvětrání z WC, kuchyní a koupelen (v prostoru sprchového koutu či nad vanou) by mělo být umístěno pod stropem. Hygienické místnosti musí být v mírném podtlaku oproti obytným místnostem.

Z hlediska dispozice rozlišujeme obecně v bytě dva druhy zón: zónu společenskou – obývací pokoj s kuchyňským koutem, WC, chodba (je-li WC odděleno od koupelny); zónu soukromou – ložnice, dětské pokoje, pracovny, koupelna (ev. koupelna se společným WC), přilehlá chodba.

Každá zóna může větrat v jiném režimu (např. jedna stálým větráním, druhá minimálním). Odsávací zařízení z kuchyně je oddělené od odsávacího zařízení z koupelny a WC. V bytě jsou tedy umístěny dva ventilátory - jeden vždy v kuchyni a druhý v koupelně společně s WC a nebo je v bytě ještě jeden ventilátor na odsávání z WC, pokud dispozice neumožňuje napojit odsávání z WC na společný průduch s koupelnou. Toto řešení umožňuje odděleně větrat zónu společenskou od zóny soukromé. Za odváděcím ventilátorem musí být umístěna těsná zpětná klapka, která brání pronikání pachů z ostatních prostor přes větrací systém a proudění vzduchu z ventilátorů ostatních bytů.

Regulace je buď automatická nebo časovým programem. Pokud bude v bytě automatická regulace, bude se měnit průtok vzduchu změnou otáček ventilátoru, případně vypínáním a zapínáním ventilátoru. Aby se vzduch odváděl resp. přiváděl do místností s pobytem osob, měla by regulace zajistit i otevírání a zavírání prvků pro přívod vzduchu. Změna vzduchového výkonu by byla při překročení nastavené koncentrace oxidu uhličitého. Po poklesu koncentrace oxidu uhličitého pod nastavenou koncentraci se větrání sníží na minimální větrání. Nárazové odsávání na WC se sepne po rozsvícení světla a sníží se na hodnotu stálého či minimální větrání po 2 minutách po opuštění místnosti. V koupelně se nárazové větrání spustí také současně s rozsvícením, ale klesne na stálé či minimální větrání buď po 2 minutách po opuštění místnosti, pokud není zvýšena relativní vlhkost, a nebo poté, kdy v koupelně klesne relativní vlhkost pod nastavenou hodnotu. Regulace časovým programem je méně ekonomicky náročná, než předchozí varianta, ale na druhou stranu potřebuje, aby uživatelé bytu byli obeznámeni s její funkcí.
Tato regulace by měla zajistit uživateli možnost „naprogramovat“ svůj běžný pobyt v bytě, tím je myšlena jeho přítomnost v prostorech. Jako časové měřítko by byl nejvhodnější týden. Do časového programu by měl uživatel být schopen snadno zadat kdy, kolik osob a v jakých místnostech se pohybují. Regulace by také měla zajistit možnost snížit větrání pouze na minimální, v případě, že uživatelé opustí byt na delší dobu (mimo týdenní plán). Dále by uživatel měl mít možnost sám si nastavit krátkodobě maximální nárazové větrání.

Pro správnou funkci systému je ještě potřeba uzavírací klapka ve dveřní mřížce mezi společenskou zónou a soukromou zónou. Její funkce je následující: v případě, že uživatelé jsou v bytě pouze v obývacím pokoji, což je i definováno v časovém programu, je pak zbytečné, aby ložnice a dětské pokoje byly větrány v režimu stálého větrání, ale postačí minimální větrání. Pak se uzavře uzavírací klapka ve dveřích, mezi společenskou zónou bytu a soukromou zónou. Stejně tak v noci, kdy uživatelé jsou v ložnicích a dětských pokojích, je zbytečné, aby obývací pokoj byl větrán stálým větráním, uzavírací klapka mezi zónami se uzavře a obývací pokoj je větrán pouze minimálním větráním a pokoje, kde jsou obyvatelé, jsou větrány stálým větráním. Uzavírací klapka ovládaná časovým programem tak umožňuje přivádět vzduch tam, kde je to nutné.

Na obr. 10 je aplikace hybridního větrání na dvoupokojovém bytu, který budou obývat dvě až tři osoby a pro ně je tedy potřeba přivést 50 až 75 m³.h⁻¹ venkovního vzduchu. Přívod bude v obývacím pokoji, ložnici a odvod v kuchyňském koutě a v koupelně s WC. Zónu společenskou tvoří obývací pokoj s kuchyňským koutem a zónu soukromou tvoří ložnice a koupelna. Obě zóny jsou od sebe oddělené uzavírací klapkou.

Obr. 10 Příklad aplikace hybridního větrání v bytě velikosti 2 + KK

Závěr

V současné době je potřeba se starat o kvalitu vnitřního vzduchu víc než dříve, neboť u velké části nových a rekonstruovaných staveb se přechází na dochází dokonalé utěsnění obvodového pláště – zejména oken. Z hlediska tvorby interního mikroklimatu je velmi podstatné větrání s dostatečným přívodem čerstvého vzduchu. Při absenci účinného větrání se zvyšuje vlhkost vzniklá lidskou aktivitou, roste koncentrace CO₂ nad požadované hodnoty a kvalita vzduchu se rychle zhoršuje.

Intenzita větrání ve sledovaném prostoru (místnosti) n = 0,3 h⁻¹ je nedostatečná. Také odsávání sanitárních zařízení v kombinaci s infiltrací či intenzitou větrání n = 0,45 h⁻¹ je nedostatečné. Intenzita větrání n = 1 h⁻¹ je postačující. Při použití netěsných oken jsou průběhy koncentrací oxidu uhličitého blízké jeho průběhům při větrání intenzitou n = 0,3 h⁻¹.

Těsná okna se spárovou průvzdušností o velikosti 0,1.10⁻⁴ m²s⁻¹ Pa^−0,67 (varianta č. 5) jsou pro použití z hlediska kvality vnitřního vzduchu naprosto nevhodná.

Jako vhodný způsob větrání bylo navrženo větrání bytů tak, aby byly splněny hygienické i energetické požadavky. Větrání vychází z výpočtů potřebného množství vzduchu pro odvedení škodlivin z interiérů, které jsou podpořeny výsledky simulací. Větrání je s přívodem větracího vzduchu v obytných místnostech, který kaskádovitě proudí přes štěrbiny ve dveřích do chodeb a dále do koupelen, WC a kuchyní, kde je odveden z bytu pryč.

Použité zdroje

1. ASHRAE Standard 62-2004. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Atlanta, USA.
2. ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. 2002.
3. ČSN 74 7110 Bytová jádra. 1988.
4. Doležílková, H.: Rezidenční mikroprostředí. Disertační práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební. Červenec 2007.
5. Doležílková, H., Papež, K.: Počítačové modelování a simulace koncentrace oxidu uhličitého v interiéru. Sborník 3. národní konference Simulace budov a techniky prostředí. Praha, Společnost pro techniku prostředí, 2004. 7–11 s. ISBN 80-02-01678-5.
6. Jelínek, V., Vanko, R.: Komínová technika. 2. vyd. Praha, 2000. 190 s.
7. Jokl, M.: Zdravé obytné a pracovní prostředí. 1. vyd. Praha, Academia, 2002. 261 s. ISBN 80-200-0928-0.
8. Nařízení vlády č. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci.
9. Nařízení vlády č. 523/2002 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci.
10. Nařízení vlády č. 441/2004 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci, ve znění nařízení vlády č. 523/2002 Sb.
11. www stránky Ústavu biomedicínského inženýrství [online]. Ústav biomedicínského inženýrství. Praha, 2003.
12. Program Contam 2.4 a uživatelský manuál k programu Contam 2.4 https://www.nist.gov/el/energy-and-environment-division-73200/nist-multizone-modeling/software/contam
13. Vyhláška č. 137/1998 Sb. Ministerstva pro místní rozvoj o obecných technických požadavcích na výstavbu.
14. Vyhláška č. 6/2003 Sb., kterou se stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb.
15. Směrnice STP - OS 4/č. 1/2005. Optimální přípustné mikroklimatické podmínky pro obytné prostředí.
16. Brož K.: Vytápění. 2. vyd. Vydavatelství ČVUT, Praha 2002. 205 s. ISBN 80-01-02536-5.
17. Problematika bytového větrání, Doležílková, Papež, TZB-info, 2008. https://vetrani.tzb-info.cz/teorie-a-vypocty-vetrani-klimatizace/4613-problematika-bytoveho-vetrani