Problematické větrání na základní škole Březina
© Fotolia.com
Syndrom nezdravých budov se nevyhýbá ani budovám školských zařízení. Kvalitativní parametry vnitřního prostředí mají výrazný vliv na výkonnost, koncentraci a zdraví učitelů a žáků a tím také na ekonomickou efektivitu vzdělávání. Ing. Jakub Král (VUT Brno) v následujícím textu představuje výsledky měření starší školní budovy ZŠ Březina, bez zatepleného pláště, pouze s výměnou oken, kde není problém s vlhkostí, jako u kompletně zrekonstruovaných - těsných budov, ale opět dochází ve vnitřní prostředí k překračování koncentrace CO2. Autor navrhuje možná řešení tohoto problému a zmiňuje i jejich úskalí.
Úvod do problematiky
Vlastnosti a kvalita vnitřního prostředí v budovách má výrazný vliv na spokojenost, výkonnost i zdraví lidí. Požadavky na optimální hodnoty vnitřního mikroklima jsou odvozeny z fyziologicky optimálních a přípustných klimatických podmínek vhodných pro pobyt lidí v budovách [2].
V dnešní době tráví lidé v budovách stále více času. V obytných a pobytových prostorech, na pracovištích, ve školách a obchodech tráví většina lidí denně cca 80% času a tento trend spíše stoupá. Dlouhodobý pobyt v nevhodných uzavřených prostorech však může způsobit vážné zdravotní obtíže. Tento jev se nazývá Syndrom nezdravých budov. Příčiny problémů spočívají v nekvalitním a nevhodném prostředí uvnitř takovýchto budov [5]. Toto prostředí nazýváme vnitřní mikroklima budov.
Látky, které ovlivňují vnitřní prostředí mohou mít energetický (záření, chlad, teplo, hluk) nebo látkový charakter (plyny, aerosoly, prach, odéry) [2].
Syndromem nezdravých budov dle Světové zdravotnické organizace (WHO) trpí stále vzrůstající procento populace. Dle WHO počet postižených lidí po roce 2014 hodnoty stoupl již k 85% [3]. Česká republika není v tomto směru výjimkou.
Syndrom nezdravých budov je charakterizován všeobecnými příznaky: celkovými nespecifickými projevy (bolesti hlavy, únava, neschopnost se soustředit), respiračními projevy (dráždění nosní sliznice, rýma, pocit ucpání nosu, zhoršení alergických obtíží, dráždění ke kašli, zastření hlasu apod.), očními projevy (pocit suchosti, dráždění spojivek), kožními projevy (pocit suchosti a podráždění kůže, alergické kožní projevy) [4].
Kvalita vnitřního vzduchu závisí na několika aspektech: kvalitě venkovního ovzduší, objemu vzduchu připadajícího na osobu v místnosti a jeho obměně, koncentraci škodlivin a kontaminantů.
K znehodnocování vzduchu v učebnách dochází produkcí oxidu uhličitého CO2 při dýchání a dalšími škodlivinami (např. VOC, vodní pára, prach, radon apod.), které se mohou uvolňovat v prostředí učeben, případně mohou být obsaženy ve venkovním přiváděném vzduchu.
Měření koncentrace kontaminantů a měřící zařízení
Pro měření koncentrace kontaminantů je nutná dobře vybavená laboratoř. V praxi se proto běžně pro změření kvality a čistoty vnitřního vzduchu v objektu, a zároveň tak pro ověření účinnosti větrání, pracuje s oxidem uhličitým - CO2. Měří se jeho koncentrace ve vzduchu. Oxid uhličitý je snadno měřitelný a jeho koncentrace zároveň indikuje přítomnost dalších látek, kontaminantů, které jsou měřením obtížně zjistitelná.
Měření kvality vzduchu bylo prováděno měřidlem fungujícím na principu NDIR, který k měření CO2 využívá závislosti útlumu infračerveného záření v závislosti na koncentraci CO2 ve vzduchu, viz Obr. 1. Rozlišení čidla je 1 ppm. Zařízení měřilo následující hodnoty: koncentrace CO2 obsaženého ve vzduchu (ppm), relativní vlhkost vzduchu (%) a teplotu vzduchu (°C).
Obr. 1 Princip metody NDIR, zdroj: autor
Koncentrace oxidu uhličitého a vliv na člověka
Oxid uhličitý (CO2) - vzniká při úplné oxidaci organických sloučenin, tedy při spalování a dýchání. V pobytových prostorech jsou hlavním zdrojem CO2 především lidé.
Nejčastěji se koncentrace oxidu uhličitého vyjadřují v jednotkách ppm (parts per milion), někdy však také v mg/m3 nebo v procentech. Přepočet těchto jednotek je následující: 1000 ppm = 1800 mg/m3 = 0,1 % ve vnitřním ovzduší neboli obsahu 1 litru CO2 v m3 vnitřního vzduchu.
Hraniční koncentrace CO2 – 1000 ppm – se dosáhne v místnosti velmi snadno. V takovém okamžiku je nutné větrat. Tato hranice se nazývá Pettenkoferovo kritérium a používá se již více než 100 let [7]. Nad koncentrací 1000 ppm se již určité části lidí může vzduch zdát „těžký“ a vydýchaný. Dle vyhlášky č. 20/2012 Sb. o technických požadavcích na stavby, je limitní hodnota koncentrace CO2 ve vnitřním vzduchu pobytových prostor 1500 ppm [6] (což je požadavek značně změkčený, původní limit byl 1000 ppm), viz Tab. 1. Tato vyhláška je jediný předpis, kde je CO2 označen jako základní škodlivina. Přestože není cítit, velmi podstatně se podílí se pocitu pohody, únavě, nesoustředěnosti i zdravotních potížích [8].
Tab.1 Koncentrace CO2 a vliv na člověka [8]
| Koncentrace CO2 ve vzduchu [ppm] | Kvalita vzduchu | Příznaky |
|---|---|---|
| 400 - 700 ppm | výborná | |
| 700 - 1000 ppm | dobrá | |
| do 1000 ppm | doporučená | |
| 1000 - 1500 ppm | maximální doporučená | únava a snižování koncentrace |
| 1500 ppm | limitní | limitní hodnota dle vyhlášky |
| nad 1500 ppm | nevyhovující | otupělost, bolest hlavy |
| 5000 ppm | maximální bezpečná koncentrace | otupělost, bolest hlavy |
| > 5000 ppm | nevolnost, zvýšený tep | |
| > 15000 ppm | dýchací potíže | |
| > 40000 ppm | možná ztráta vědomí |
Je třeba brát v úvahu, že dodržení hygienických a provozních požadavků na větrání musí být upřednostněno před dosažením energetických úspor v souladu s normou ČSN 73 0540 – 2, která stanovuje požadavky na tepelnou ochranu budov.
Pro větrání pobytových místností, dle vyhlášky č. 20/2012 Sb., musí být zajištěno v době pobytu osob minimální množství vyměňovaného venkovního vzduchu 25 m3/h na osobu, nebo minimální intenzita větrání 0,5 h-1. Jako ukazatel kvality vnitřního prostředí slouží oxid uhličitý CO2, jehož koncentrace ve vnitřním vzduchu nesmí překročit hodnotu 1500 ppm [6].
Vyhláška č. 410/2005 Sb. ve znění pozdějších předpisů požaduje množství přiváděného venkovního vzduchu do učeben 20 až 30 m3·h-1 na 1 žáka. Uvedené množství nerozlišuje věk žáků. S ohledem na hospodárnost se doporučuje navrhovat průtok přiváděného venkovního vzduchu do učeben, v době pobytu žáků, v závislosti na věku žáka. V Tab. 2 lze vidět poměrně značné rozdíly v požadavcích na přiváděné množství čerstvého vzduchu dle jednotlivých předpisů, jak v Česku, tak sousedním Rakousku a Německu.
Tab. 2 Minimální množství přiváděného čerstvého vzduchu do učeben
| Předpis | Přípustná koncentrace CO2 [ppm] | Množství přiváděného čerstvého vzduchu m3·hod-1 na 1 žáka | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 3 - 6 let | 6 - 10 let | 10 - 15 let | 15 - 18 let | ||
| Školka | 1. stupeň ZŠ | 2. stupeň ZŠ | SŠ | ||
| Vyhláška č. 410/2005 Sb. | - | - | 20 - 30 | ||
| Metodický pokyn pro návrh větrání škol, MŽP | 1000 - 1500 | 10 | 12 | 18 | 20 |
| ČSN EN 15251 | 1200 | - | 14 - 36 | ||
| ÖNORM H 6039:2008 (Rakousko) | 1200 | - | 15 | 19 | 24 |
| VDI 6040-1 (Německo) | 1000 | - | 26 | 31 | 31 |
Tab.3 Požadavky na větrání a parametry mikroklimatických podmínek dle Vyhl. 410/2005 Sb. v aktuálním znění
| Množství přiváděného čerstvého vzduchu | 20 - 30 m3·hod-1 na 1 žáka |
| Minimální teplota | 20 °C |
| Optimální teplota | 20 +/- 2 °C |
| Maximální teplota | 28 °C |
| Rychlost proudění vzduchu | 0,1 - 0,2 m·s-1 |
| Relativní vlhkost | 30 - 65% |
| Maximální rozdíl teploty v úrovni hlavy a kotníků | 3 °C |
Harmonické a zdravé vnitřní mikroklima v budově je základem pro fyzickou a duševní pohodu. Teplota kolem 20°C a vlhkost v rozmezí 45-55% jsou považovány, při běžné činnosti, za optimální pro zdraví člověka.
Měřený prostor
Měření probíhalo v učebně základní školy v Březině. Základní škola slouží svému účelu od roku 1912. Školu navštěvují žáci prvního až pátého ročníku. Budova školy není z čelní jižní strany, kam směřují okna z učeben, zateplena. Okenní otvory jsou tvořeny plastovými rámy a jsou zaskleny dvojsklem. Dva okenní otvory učebny jsou opatřeny tzv. „větrací rekuperační“ klapkou.
V učebně, kde probíhala všechna měření, probíhá výuka ve všední dny od 8:00-12:00. Děti jsou ve věku 8-9 let. Počet dětí je 18 + 1 vyučující. Od 12:30 se v učebně pohybují děti z družiny ve věku 7-11 let. Učebna je uprostřed půdorysu podlaží.
V rámci měření proběhly dva měřící cykly – v zimním (prosinec) a podzimním (září) období. Frekvence měření byla 1 zaznamenaná hodnota po 5ti minutách. Zároveň byla v učebně osazena časosběrná kamera, díky níž se zpětně dalo vyhodnotit využití učebny a frekvence větrání.
| Celkový objem učebny | 264 m3 |
| Velikost okenního otvoru | 1,15 x 2,30 m, celkem 4 okenní otvory |
| Objem vzduchu na osobu | 13,9m3/osoba |
Zimní měření (6. 12. 2016 - 20. 12. 2016)
Tab. 4 Hodnoty naměřené v zájmovém období v exteriéru
| Koncentrace CO2 | 390 - 450 ppm |
| Vnější teplota | -5 až +5 °C |
Obr. 2: Týdenní výřez naměřených hodnot v učebně v zimním období, zdroj: autor
Tab. 5: Hodnoty naměřené v učebně během výuky 8:00-12:00
| Hodnota | CO2 | Vnitřní teplota | Relativní vlhkost |
|---|---|---|---|
| [ppm] | [°C] | [%] | |
| Medián | 1685 | 21.3 | 49.0 |
| Maximum | 2879 | 23.0 | 55.3 |
| Minimum | 598 | 19.6 | 36.8 |
Podzimní měření (11. 9. 2017 - 27. 9. 2017)
Tab. 6 Hodnoty naměřené v zájmovém období v exteriéru
| Koncentrace CO2 | 300 - 400 ppm |
| Vnější teplota | +11 až +24 °C |
Obr. 3: Týdenní výřez naměřených hodnot v učebně v podzimním období, zdroj: autor
Tab. 7: Hodnoty naměřené v učebně během výuky 8:00-12:00
| Hodnota | CO2 | Vnitřní teplota | Relativní vlhkost |
|---|---|---|---|
| [ppm] | [°C] | [%] | |
| Medián | 977 | 20,1 | 54,2 |
| Maximum | 2330 | 22,0 | 62,4 |
| Minimum | 310 | 18,8 | 45,4 |
Vyhodnocení měření
Měření v zimním období probíhalo při vnějších teplotách pohybujících se často pod bodem mrazu. To má za důsledek klasický jev, kdy uživatelé v místnosti nevětrají nebo větrají nedostatečně. Tato skutečnost byla potvrzena také na záznamu z kamery, kdy je patrné, že v zimním období větral vyučující max. 1x za hodinu, obvykle pouze v intervalu 3-5 minut a pouze sklopením 1 okenního křídla.
Koncentrace CO2 daná vyhláškou byla značně překročena, viz Obr. 2 a Tab. 5.
Názorně si to můžeme ukázat na konkrétní situaci během středy 14. 12. 2016:
Větrání po dobu 5 minut, jedním křídlem okna znamenalo pokles CO2 pouze o 120 ppm.
Při světlosti křídla 0,45 × 1,4 = 0,63 m2, doby větrání 5 minut, dojde, dle vzorce pro výpočet průtoku při větrání otevřeným oknem, k výměně přibližně 41 m3 vzduchu, tedy pouze n = 0,15.
Během časového období 8-12 hod došlo k průměrnému větrání pouze n = 0,05 h-1.
O nedostatečném větrání vypovídá také Tab. 5, kde je patrné, že medián již značně překračuje povolenou hranici 1500 ppm, v maximech hodnoty dosahovaly až téměř dvojnásobku povolené hranice. Nutno připomenout, že optimální hranice koncentrace CO2 se pohybuje do 1000 ppm, tedy 3x nižší než dosahované maximum koncentrace CO2.
Při opuštění třídy družinou byla v učebně koncentrace 1800 ppm, o 16 hodin později, v 7:00 byla koncentrace 950 ppm. Tedy i v takto staré budově, která nemá svou vnější stěnu zateplenou a jsou pouze vyměněná okna, je výměna infiltraci natolik nízká, že i při prázdné učebně neklesne koncentrace CO2 na hranici blízkou vnějšího vzduchu.
Během podzimního měření probíhalo větrání, i vzhledem k vnějším přívětivým teplotám, častěji. Hodnota mediánu koncentrace CO2, jak je popsáno v Tab. 7, je optimálně pod hranicí 1000 ppm. V maximech vystoupala koncentrace téměř ke 2500 ppm, ze záznamu jde vidět, že část vyučujících větrá i při příjemných venkovních teplotách pouze o přestávkách. Důvodem může být určitě utlumení hluku z místní komunikace a případný průvan.
Další měřené veličiny – relativní vlhkost a teplota, ukazují na tepelnou stabilitu a práci s vlhkostí v těchto starších staveb. Teplota i vlhkost se pohybují převážně v optimálním rozmezí pro harmonické vnitřní prostředí.
Možná řešení
Varianta I - Současný stav, řešení:
Pravidelné a dostatečné větrání.
Výhody řešení:
+ snížení koncentrace CO2 v učebně
+ zdravější mikroklima, snížení únavy dětí, zvýšení koncentrace
Nevýhody řešení:
- tepelný diskomfort dětí, hrozící onemocnění
- větrání závislé na lidském faktoru
- ke konci vyučovací hodiny opět nevyhovující koncentrace CO2
- tepelné ztráty
- průvan
- zvýšení tepelné zátěže v letních měsících
- zvýšená hladina hluku z exteriéru v době otevřených oken
- snížení relativní vlhkosti v interiéru
Varianta II - Osazení vzduchotechniky
Osazení vzduchotechnické jednotky s rekuperací. Budova má ideální tvar i světovou orientaci pro osazení centrální vzduchotechnické jednotky.
Výhody řešení:
+ zajištění dostatečného a stálého větrání, přísun čerstvého vzduchu – snížení koncentrace CO2 pod 1500 ppm, optimálně pod hranici 1000 ppm
+ zvýšení kvality vnitřního mikroklimatu
+ vyšší koncentrace žáků
+ výrazné snížení tepelných ztrát
+ snížení tepelné zátěže v letních měsících
+ snížení hladiny hluku z exteriéru
+ úspora financí na vytápění
+ větrání bez vzniku průvanu
Nevýhody řešení:
- finanční náklady na provedení → možnost čerpání dotace
- najít optimální poměr objemu větraného vzduchu pro zajištění max. koncentrace CO2 (400 – 1500 ppm) a ideální relativní vlhkosti vzduchu (min. 30%, optimálně min. 40%)
ZÁVĚR
Dle zákonu č. 258/2000 Sb., § 7 Hygienické požadavky na provoz škol – jsou školy jsou povinny zajistit splnění hygienických požadavků upravených prováděcím právním předpisem mj. na osvětlení, vytápění, mikroklimatické podmínky a další.
Hlavní důvod popisovaného problému s nedodržením limitní koncentrace CO2 a s ní související zhoršená kvalita vnitřního mikroklimatu, je soubor jednotlivých kroků. Záměr snižování tepelných ztrát objektu a energetické náročnosti jeho utěsněním – formou výměny stávajících oken za okna těsná, a to bez řešení dostatečného větrání. Zároveň neproškolení personálu o problematice syndromu nezdravých budov a nutnosti pravidelně a řádně větrat. Při dnešních moderních stavebních prvcích již není možné mikroventilací či infiltrací vyvětrat byt, natož učebnu plnou žáků.
Větrání ovlivňuje veškeré parametry vnitřního prostředí – odvádí kontaminanty, ovlivňuje proudění a teplotu vzduchu, utváří vnitřní mikroklima a celkově působí na zdraví a pocit pohody uživatele. U dětí to platí dvojnásob. Jsou náchylnější na onemocnění, zároveň je nutné, aby se při výuce mohly soustředit.
Při dnešní těsnosti obvodových plášťů budov, neužití nuceného větrání a nízké frekvenci větrání uživatelů je překročení hodnoty koncentrace CO2, stanovené vyhláškou, velmi snadné a jedná se o častý jev snižující kvalitu vnitřního zdravého mikroklimatu budov.
Z měření probíhajících v různá roční období se potvrdilo, že kritickým obdobím pro vnitřní prostředí z hlediska kvality vnitřního vzduchu v důsledku větrání, a dalších jevů na větrání vázaných, je zejména zimní a přechodné období. Téměř během celé doby výuky byla překročena hodnota CO2 1500 ppm stanovená vyhláškou č. 20/2012 Sb. jako maximální přípustná, ve špičkách až dvojnásobně.
Všeobecně se dá říci, že většina lidí není zvyklá pravidelně a dostatečně větrat, zvláště při nižších venkovních teplotách. Ve společnosti chybí povědomí o syndromu nezdravých budov. Jev je typický napříč všemi stavbami různého využití. Edukace v této problematice a její medializace je velmi důležitá. Problém se týká většiny školních zařízení.
Je třeba pamatovat na to, že vnímání čerstvosti vzduchu je subjektivní, dopady na lidský organismus jsou však objektivní.
Literatura
- Ing. Olga Rubinová, Ph.D. CT52-Technika prostředí. VUT FAST. [online]. © 2013 Dostupné z: http://www.fce.vutbr.cz/TZB/rubinova.o/tpros.htm
- doc. Ing. Vladimír Jelínek, CSc., Ing. Vladimíra Linhartová. Interní mikroklima v bytových domech. TZB-info. [online]. 4.11.2014 Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/11927-vstupni-parametry-pro-navrh-interniho-mikroklimatu
- Blažková, Klára. Teorie vnitřního prostředí. Brno, 2012. 83 s., 6 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov. Vedoucí práce doc. Ing. Aleš Rubina, Ph.D.
- PROVAZNÍK, K., KOMÁREK, L. Manuál prevence v lékařské praxi. 1. vyd. Praha: Univerzita Karlova – 3.lékařská fakulta, 2003, 2004. 736 s. ISBN 80-7168-942-4
- WHO. Syndrom nemocných budov. Praha: Státní zdravotní ústav, 1995. 20 s. ISBN 80-7071-104-3.
- Vyhláška č. 20/2012 Sb.: Vyhláška, kterou se mění vyhláška č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby. In: . 2012.
- JOKL, Miloslav. TEORIE VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ BUDOV [online]. ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební, Praha 2011, 205
- MATHAUSSEROVÁ, Zuzana. Hygienické požadavky na vnitřní prostředí staveb [online]. 25.2.2013 Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/9595-hygienicke-pozadavky-na-vnitrni-prostredi-staveb
- Metodický pokyn pro návrh větrání škol, MŽP
- Mikroklima ve školách větrání škol, Ing. Zuzana Mathauserová, Státní zdravotní ústav
- Vyhláška č. 410/2005 Sb. Vyhláška o hygienických požadavcích na prostory a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých [12] Zákon č. 258/2000 Sb. Zákon o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů
Výlučné přiřazení výsledku k AdMaS UP
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I"."
This paper has been worked out under the project No. LO1408 "AdMaS UP - Advanced Materials, Structures and Technologies", supported by Ministry of Education, Youth and Sports under the „National Sustainability Programme I”.
Téma Větrání škol na TZB-info