Jaká je správná koncentrace CO₂ ve zdravé budově?

Vnitřní prostředí ovlivňuje mnoho faktorů – osvětlení, vliv přirozeného světla, akustika, nebo spíše hluk, teplota a proudění vzduchu, kvalita vzduchu (koncentrace CO₂), přítomnost zeleně, uspořádání nábytku atd. Každý z těchto vlivů může negativně nebo pozitivně ovlivnit naše chování, pocity a v zaměstnání náš pracovní výkon. Mnoho výzkumů prokázalo, že zdravé vnitřní prostředí v budovách má významný podíl na nemocnost, a tudíž absenci, zaměstnanců. Každý majitel nebo manažer firmy ví, že nákladově „nejdražší“ jsou zaměstnanci. Nikoliv energie, o které se nejvíce mluví, protože se jednoduše změří a nejrůznějšími opatřeními lze dosáhnout měřitelných úspor. Bohužel honba za úsporami je často v protikladu s pohodou a zdravím zaměstnanců. Pojďme se podívat na jednu část problematiky zdravého vnitřního prostředí – na kvalitu vzduchu.

Koncentrace CO₂ jako indikátor kvality větrání

Dotační tituly podporující energetické úspory budov zapříčinily masivní zateplování všech typů budov. Budovy se za účelem snížení energetických ztrát téměř vzduchotěsně uzavřely a majitelé pod vidinou úspor téměř neotevírají okna. Pokud se současně neřešila i otázka instalace vzduchotechnických jednotek, je zcela jisté, že jsou tyto budovy nevyhovující po stránce kvality vzduchu. Bohužel ani instalované vzduchotechnické systémy neřeší vždy kvalitní větrání, prostě nefungují správně anebo byly špatně navrženy.

Pro regulaci vzduchotechnických jednotek v podstatě stačí sledovat tři základní kvalitativní parametry vnitřního vzduchu – teplotu, vlhkost a koncentraci CO₂. Na tyto ukazatele pamatují i nejrůznější vyhlášky, které stanovují hygienické limity pro různé typy budov. Pro kancelářské prostředí a pobytové prostory obecně lze mluvit o těchto doporučených hodnotách:

Teplota vzduchu: 22 °C ±2 °C
Relativní vlhkost: 30% až 65%
Koncentrace CO₂: max. 1500 ppm (parts-per-million, počet jednotek na milion celkových jednotek)

Koncentrace CO₂ je výborným indikátorem kvality vzduchu, jeho „vydýchanosti“ ve vnitřních prostorách. Jelikož každý člověk dýcháním přirozeně uvolňuje nemalé množství CO₂ (vydechnutý vzduch dospělého člověka obsahuje přibližně 40000 ppm CO₂), poskytuje měření koncentrace CO₂ dostatečně přesnou informaci o počtu lidí v uzavřeném prostoru a lze tuto informaci jednoduše využít pro regulaci intenzity větrání. Oxid uhličitý (CO₂) je přirozenou plynnou součástí atmosférického vzduchu, je bez zápachu a člověk nemá receptory pro detekci tohoto plynu. Avšak na vyšší koncentraci CO₂ reaguje člověk ztrátou koncentrace, zvýšenou malátností a může vést až k pocitu únavy provázené např. bolestmi hlavy a nevolností. V přirozeném prostředí je koncentrace CO₂ kolem 400 ppm, v průmyslových oblastech je hodnota o něco vyšší. Přibližně 20% populace začíná negativně reagovat již při koncentraci CO₂ kolem 1000 ppm. Pro regulační systémy bývá často tato hodnota nastavena jako limitní pro ovládání výkonu vzduchotechnických jednotek nebo výměny vzduchu v místnosti.

Měřením koncentrace CO₂ nezískáme pouze informaci o přítomnosti člověka v místnosti. Měřením můžeme velmi snadno ověřit správnou činnost vzduchotechnického systému. Musíme si uvědomit, že kvalitu vzduchu ve vnitřním prostředím výrazně ovlivňují i další složky – těkavé organické látky (VOC), prach, mikroorganismy, vodní pára, radon apod. Měřit všechny tyto složky by bylo poměrně neekonomické a ve svém důsledku by regulace stejně vedla k ovládání intenzity obměny vzduchu. Stejného efektu docílíme regulací podle koncentrace CO₂ neboť zohledníme požadavek na dodání „čerstvého“ vzduchu pro člověka a tudíž vyvětráme i ostatní nežádoucí složky. Mimoto řídicí systémy mohou pravidelně provětrávat místnosti i bez přítomnosti člověka podle doporučení získaných na základě hygienického měření kvality vzduchu.

Čím a jak měřit kvalitu vzduchu

Změřit základní kvalitativní ukazatele vzduchu není složité. Firma AMiT postupně rozšiřuje nabídku volně programovatelných nástěnných ovladačů se současným měřením více veličin. Koncentraci CO₂ měří např. grafické nástěnné ovladače AMR-OP70C a AMR-OP71C. Výhodou těchto jednotek je zobrazení okamžité hodnoty CO₂ na displeji. Navíc obsahují i akustickou signalizaci překročení nastavených limitů koncentrace. Tyto jednotky jsou vhodné pro kancelářské prostory. Nevyhoví ale např. pro měření ve školách nebo veřejných prostorech – jsou příliš lákavé pro zvídavé studenty a vandaly. Proto je v nabídce i varianta jednotek se záslepkou v provedení ABB Time s jednou informativní LED a zvukovou signalizací pod označením AMR-OP40C. LED může zobrazovat změnou barvy tři stavy – zelená znamená, že koncentrace je v pořádku, oranžová upozorňuje na zvýšenou koncentraci a červená znamená překročení nastaveného limitu. Barevný výstup LED včetně intenzity svícení a zvukový výstup lze ovládat z nadřazeného systému anebo autonomně díky uživatelskému algoritmu v jednotce. AMR-OP40C kromě teploty měří navíc i relativní vlhkost. Všechny jednotky pro měření koncentrace CO₂ používají čidlo typu NDIR, které pracuje na principu měření útlumu infračerveného záření ve vzduchu a je obecně nejpřesnější a nejstabilnější ze všech typů čidel měření CO₂. Čidlo je navíc vybaveno autokalibrační funkcí pro zajištění dlouhodobého přesného měření.

Interiérový snímač koncentrace CO₂ se signalizací limitů

Grafický nástěnný ovladač s měření koncentrace CO₂

Projekt Zdravá škola – praktické měření koncentrace CO₂

Abychom mohli demonstrovat vliv člověka na koncentraci CO₂ v uzavřené místnosti, zapojili jsme se aktivně do projektu Zdravá škola pod patronací České rady pro šetrné budovy (CZGBC), ve které je firma AMiT aktivním členem. Cílem projektu je poukázat na nevyhovující stav vnitřního prostředí ve třídách základních škol a současně nabídnout konkrétní řešení na zlepšení podmínek pro výuku na základě zkušeností členů CZGBC. Zaměřili jsme se na monitoring kvality vzduchu, změření akustického dozvuku a vyhodnocení světelných podmínek v konkrétních třídách na dvou „běžných“ základních školách. Firma AMiT nabídla počáteční změření kvality vzduchu a v dalších fázích dlouhodobý monitoring teploty, vlhkosti a koncentrace CO₂.

Pro tyto účely jsme připravili měřicí zařízení ve formě přenosného kufříku, který kromě měření veličin přenáší on-line data do cloudového dispečerského systému LookDet. Zpřístupnili jsme aktuální a archivní data vedení škol a jejich zřizovatelům přes běžný webový prohlížeč. Podívejme se na výsledky měření.

Přenosné měřicí zařízení – teplota, vlhkost, koncentrace CO₂

Prvotní měření koncentrace CO₂

Měření probíhalo na konci dubna 2017 ve Slavkově u Brna a v Praze Suchdole. Obě školy měly moderní okna a zateplení fasády. Počasí nám v době měření přálo, protože byly podprůměrné venkovní teploty a ve třídách proto byla okna prakticky pořád zavřena. Změřili jsme tak téměř typicky zimní užívání tříd ve školách.

Průběh koncentrace CO₂ ve třídě při běžném provozu (ZŠ Slavkov u Brna)

Z naměřených hodnot v průběhu několika dnů je patrné, že k překročení hygienického limitu koncentrace CO₂ 1500 ppm dojde za poměrně krátkou dobu, zpravidla během první poloviny vyučovací hodiny (vyučovací hodiny jsou v grafu zvýrazněny šedými pruhy). Při běžném provozu třídy učitelé větrají intuitivně anebo o přestávce. Jak jsme uvedli dříve, člověk neumí detekovat zvýšenou koncentraci CO₂ a zpravidla si uvědomí „vydýchanost“ vzduchu až při příchodu do místnosti. Z průběhů je dále patrné, že i větrání o přestávkách anebo nahodile během dne nesníží výrazně koncentraci CO₂. V průběhu dne bylo opakovaně dosaženo úrovní kolem 3000 ppm, což se projevuje zpravidla ospalostí žáků, nezájmem o výuku a ztrátou koncentrace. V takovém prostředí se učitel může snažit sebevíc (pokud netrpí současně rovněž únavou) a žáky k velké aktivitě nedonutí. V grafu si můžete rovněž všimnout, že během noci se koncentrace sníží (infiltrací čerstvého vzduchu z okolí), avšak nikdy neklesne pod 800 ppm. Větší provětrání nastává zpravidla až během víkendu.

Měření ve třídách s indikátorem limitní koncentrace CO₂

Ve stejných třídách byly ve druhé fázi osazeny snímače CO₂ s akustickou a světelnou signalizací. Při dosažení hranice 1100 ppm se změnila barva LED ze zelené na oranžovou, při překročení limitu 1500 ppm se LED změnila na červenou a jednotka krátce zapípala. Žáci a učitelé si po krátké době zvykli na větrání okny už v okamžiku zobrazení oranžové LED kdykoliv během výuky. Ta samá jednotka zaznamenávala teplotu, vlhkost a koncentraci CO₂ na dispečink LookDet. Z průběhu měřených hodnot je zřejmé, že došlo k podstatnému snížení koncentrace CO₂ během dne. Překročení hygienického limitu nebylo časté, a pokud ano, netrvalo dlouhou dobu.

Průběh koncentrace CO₂ ve třídě za přítomnosti signalizačního hlásiče překročení limitů (ZŠ Slavkov u Brna)

I přes patrné vylepšení vnitřních podmínek pro výuku jsme zaznamenali připomínky týkající se výrazné změny teploty vzduchu během větrání. Stěžovali si logicky především žáci v řadě u oken, kteří byli opakovaně vystaveni studenému proudu vzduchu. Dále se ukázalo, že výměna vzduchu nemusí proběhnout vždy optimálně, někdy k výměně ani pořádně nedošlo anebo se při otevřených dveřích na chodbu naopak vmísil vydýchaný vzduch z chodby do třídy.

Instalace rekuperační jednotky s regulací podle koncentrace CO₂

Ve třetí testovací fázi byly do školních tříd nainstalovány lokální rekuperační vzduchotechnické jednotky, které měnily svůj výkon podle aktuální koncentrace CO₂ ve třídě. Okny se prakticky vůbec nevětralo.

Průběh koncentrace CO₂ ve třídě s rekuperační jednotkou

Z průběhů je zřejmé, že kvalita vnitřního vzduchu se zásadně změnila – úroveň CO₂ byla vždy pod stanoveným limitem, nebylo potřeba otevírat okna (narušování výuky) a hlavně nedocházelo k infiltraci případných škodlivých vlivů z venku jako je prach a hluk. Úplně se vyloučilo prudké střídání teplot vzduchu při otevírání oken, viz následující dva grafy.

Dynamika změny teploty ve třídě při větrání okny a při použití rekuperační jednotky

Levý graf zobrazuje průběhy teplot ve třídě v případě větrání okny. Jsou vidět poměrně dramatické změny teplot. Ve skutečnosti byly rozdíly maximálních a minimálních teplot vyšší (více jak 4°C) neboť měřící snímač je umístěn na stěně a tudíž je z velké části ovlivňován vlastní teplotou zdi. Na druhém grafu je patrný mnohem plynulejší průběh teplot. Při použití rekuperační jednotky se projevil tepelný „příspěvek“ dětí – v hodinách, kdy byla třída obsazena, teplota plynule stoupala, přestože se průběžně jednotkou větralo. Zpočátku dokonce docházelo k přetápění třídy. Po přenastavení termostatických hlavic se režim ustálil na komfortní teplotě. V neposlední řadě je nutno zmínit, že použitá technologie rekuperační jednotky s entalpickým výměníkem zajistila udržení vlhkosti vzduchu ve třídě i v průběhu celodenního provětrávání. Přestože se hodnota držela blízko limitní hodnoty 30 %, nebyla dlouhodobě podkročena. Při větrání okny se vzduch v místnosti vysušoval více.

Díky projektu Zdravá škola se podařilo formou článků, televizních a rozhlasových vstupů upozornit odbornou i laickou veřejnost na stav kvality vnitřního prostředí nejen ve školách. Byly nastíněny možnosti zlepšení prostředí nejen po stránce kvality vzduchu, ale i osvětlení a akustiky.

Problematika zdravých budov je velmi rozsáhlá, zasahuje do mnoha oborů a vyžaduje holistický přístup při hledání optimálního řešení. Společnost AMiT se dlouhodobě zaměřuje na komplexní automatizaci budov s důrazem na zlepšení vnitřního prostředí včetně monitoringu kvalitativních parametrů a energetických bilancí.

Pohled na zrekonstruovanou třídu – nové osvětlení a akustické podhledy
(ZŠ Slavkov u Brna)

Umístění snímače CO₂ se signalizací překročení limitu koncentrace CO₂
(ZŠ Slavkov u Brna)

Detail umístění snímače CO₂ na místě původní zásuvky (ZŠ Praha-Suchdol)

Zobrazení aktuálních hodnot a průběhů ve webovém prohlížeči