Personalizované větrání openspace kanceláří

1. Úvod

Potřeba kvalitního větrání v budovách je v moderní společnosti známá už velmi dlouhou dobu. Ačkoliv počátky standardů větrání sahají spíše k důlní činnosti, již od počátku 20. století se stala kvalita vzduchu ve světě součástí hygienických standardů [1]. Aby bylo možné těchto standardů dosáhnout, bylo nutné, hlavně u větších kancelářských budov, postupně přejít z přirozené ventilace na nucené větrání. Časem se změnil také způsob, jakým lidé budovy užívají. Současný člověk stráví průměrně i 90 % dne uvnitř budovy [2], takže dopad vnitřního prostředí na jeho zdraví je naprosto zásadní.

Od doby, kdy byly tyto poznatky učiněny, soustředila se vědecká činnost převážně na to, aby zjistila potřeby uživatelů při využití větrání založeném na výměně celého objemu vzduchu v místnosti [1]. Na něm jsou založeny i dnešní standardy větrání a z nich vycházející normy. Se současným trendem snižování energií si však tento systém poněkud protiřečí. I přes snahu o inovace leží nutně další zlepšení kvality vnitřního prostředí ve zvýšení množství přiváděného vzduchu a tedy i energií, zatímco snížením množství musí dojít ke zhoršení podmínek. Tento jev je výrazný právě u kanceláří typu openspace, které jsou typické velkými otevřenými prostory. Dokážeme snížit energii potřebnou pro větrání, aniž bychom omezili kvalitu života a ohrozili lidské zdraví? Nebo leží budoucnost větrání někde jinde?

2. Současné systémy větrání

Současný systém větrání je rozvíjen desítky let a je třeba říct, že svoji funkci plní náležitě a dobře. Známe mnoho způsobů efektivní distribuce, úpravy vzduchu, zpětného získávání energie i vlhkosti a další velké množství nejrůznějších technologií, které činí naše prostředí o mnoho lepší a méně ekologicky náročné, než tomu bylo doposud. Je však třeba vidět nejen tyto výhody, ale také limity, které systémy větrání založené převážně na směšování se znečištěným vzduchem mají. Speciálně u kanceláří typu openspace lze vypozorovat řadu častých nedostatků, jejichž řešení je nutné dále rozvíjet a které bychom se měli pokusit co nejvíce eliminovat.

2.1. Výhody současných systémů

2.1.1. Technologická vyspělost

Rozvoj nuceného větrání vedl k výrazným investicím do výzkumu a vylepšení současných technologií. I přesto že se neustále objevují nová pole, ve kterých lze provádět další inovace a prohlubovat poznání, můžeme říci, že celková problematika současných systémů větrání je již velmi dobře prozkoumána, zdokumentována a jednotlivé prvky jsou na vysoké technologické úrovni.

2.1.2. Široké zastoupení na trhu

Kde je poptávka, existuje také trh, který jí uspokojuje. Pro splnění hygienických a energetických standardů v budovách je dnes nucené větrání téměř nutností, což dává veliký prostor rozvoji trhu. Existuje tak široká škála možností, ze kterých lze při projektování vybírat a cenově se stávají stále dostupnější i prvky, které byly dříve považovány za luxusní, například klimatizace.

2.1.3. Projekční podklady a právní předpisy

Současné používané systémy větrání jsou rozvinuté nejen po technologické stránce, ale také po stránce zdrojů a podkladů, které mohou projektanti využít. Systémy pro výměnu celkového objemu vzduchu se podrobně učí na technických školách a je možné se s nimi dopodrobna seznámit i prostřednictvím jednotlivých firem, které často nabízejí i vlastní projekční software. Stejně tak legislativní hygienické standardy dnes počítají převážně s celkovou výměnou vzduchu a neposkytují velikou flexibilitu.

2.2. Limity současných systémů

2.2.1. Větrání je poměrně neefektivní

Vzduch přiváděný centrálně daleko od uživatelů má tu zásadní nevýhodu, že než se k jednotlivým osobám dostane, smísí se s okolním znečištěným vzduchem a jeho vlastnosti se tak významně zhorší. Pro dýchání by člověku reálně mělo stačit kolem 1 m³/h [3], dnešní standardy pro směšované větrání se však podle činnosti pohybují od 25 do 90 m³/h na osobu [4]. Čistě teoreticky tedy musíme přivádět průměrně 50krát více vzduchu, než by bylo potřeba.

2.2.2. Prostředí je generované pro průměrného člověka, který neexistuje

Centrální distribuce vzduchu vždycky musí mít nějaký standard, na který bude nastavena. A to ideálně takový standard, který bude vyhovovat co nejvíce lidem. Na toto téma bylo provedeno již mnoho výzkumů a existuje řada metodik, které hodnotí, jaký dopad bude mít vznikající vnitřní prostředí na jednotlivé osoby. Ideálem centrálního systému je tedy zcela uniformní prostředí s co nejlepšími vypočtenými podmínkami. Tento přístup je ale velmi zjednodušený a zcela ignoruje individuální rozdíly mezi lidmi, jejich činností, oblečením, zdravotním i fyzickým stavem, návyky, preferencemi a požadavky [2].

2.2.3. Vnější vlivy na distribuci vzduchu

I přes to, že centrální systémy distribuce jsou dobře zmapované a zdokumentované, obvykle se navrhují bez zahrnutí vlivů, které mohou proudění v místnosti výrazně ovlivnit. Mnohdy je ani nelze brát v potaz, protože v době návrhu nejsou známy, nebo se během projektu mění. Velká část z nich se také mění s ročním obdobím. Ať už zahrneme konvekční proudy od vytápění a chlazení, které se liší podle využitých těles, plochy oken, které jsou v zimě výrazně chladnější a v létě naopak výrazně teplejší než ostatní povrchy v místnosti, zařízení produkující velké množství tepla (počítače, lednice, větší tiskárny apod.), překážky v podobě zástěn a skříní, nebo samotné uživatele a jejich pozice v místnosti, samotným užíváním vždy měníme proudění a distribuci vzduchu. I pokud bychom pro návrh využili nejmodernější techniky, například CFD simulaci celé místnosti, nikdy nebudeme schopni přesně určit, co se bude na jednotlivých místech dít a jestli skutečně můžeme zaručit dostatečnou distribuci vzduchu pro všechny uživatele.

2.2.4. Šíření infekcí

Distribuce vzduchu směšováním prokazatelně odvádí škodliviny a znečištěný vzduch z místnosti v dostatečném množství, aby byly splněny všechny potřebné parametry. Ovšem směšování čerstvého vzduchu se znečištěným a jeho rozptyl v prostoru nutně způsobuje přenos a šíření případných infekcí rozptýlených ve vzduchu. Výrazně lépe je na tom v tomto ohledu větrání vytěsňováním, protože směr šíření vzduchu je nejčastěji odspoda nahoru a znečištěný vzduch se primárně šíří mimo dýchací zónu. Nelze to však úplně zaručit.

3. Pokročilé způsoby distribuce vzduchu

3.1. Co znamená pokročilá distribuce vzduchu?

Pokročilá distribuce se zaměřuje na větrání těch prostorů, kde uživatel tráví nejvíce času a mají tak na kvalitu jeho života i práce největší vliv. Protože je větrání cílené a zdroje jsou blízko uživatele, je možné vytvářet podstatně lepší podmínky, než u centrálních systémů a je možné je také snadno řídit a přizpůsobovat tak, aby každý uživatel mohl mít okolní prostředí upravené přesně podle vlastních potřeb. Můžeme specifikovat tři body, které jsou pro pokročilou distribuci vzduchu klíčové:

3.1.1. Uživatelsky ovladatelné

Jedním z klíčových bodů pokročilé distribuce je možnost přímého ovládání systému tak, aby splňoval požadavky jednotlivých uživatelů. Systém musí být dostatečně flexibilní, aby ovládání mělo patřičný efekt personalizace prostředí, ale zároveň omezen tak, aby limitoval uživatele hygienickými standardy a ekonomikou provozu a nebylo tak možné nastavit příliš nízké hodnoty, nebo naopak hodnoty zcela neekonomické.

3.1.2. Personalizované či personální

Aby byla zajištěna přímá a efektivní distribuce vzduchu, a aby byl splnitelný předchozí bod, je nutné přivést vzduch přímo k jednotlivým uživatelům. Toho je možné dosáhnout jak vhodným rozmístěním vyústek, umístěním do nábytku pracovního místa, nebo dokonce využitím přenosného personálního zařízení (například zabudovaného v headsetu nebo ochranném obleku používaném záchrannými složkami). Čerstvý vzduch je díky toku přiváděn právě tam, kde je potřeba a nejlépe rovnou odváděn v místech, kde znečištění vzniká. V naší literatuře se používá tradičně termín osobní větrání, který oba tyto principy popisuje jedním pojmem. Je otázku, zda najdeme český výraz pro odlišení těchto dvou principů.

3.1.3. Inteligentní

S rozvojem inteligentních budov dokážeme dnes prediktivně řídit téměř cokoliv, od žaluzií po energetické systémy budovy. Pro lidské zdraví a kvalitu života v budovách. Pokročilá distribuce se musí pokusit dosáhnout ideálu chytře odpovídat na lidské pocity a fyziologické signály.

3.2. Výhody pokročilé distribuce vzduchu

3.2.1. Vyšší uživatelský komfort

Hlavní a zásadní výhodou personalizovaného větrání je, jak již bylo řečeno, zvýšený uživatelský komfort pracoviště. Pokud je k uživateli přímo distribuován upravený čistý vzduch, který se nesmísí s nečistotami a pachy, i při nižším objemu větracího vzduchu ho uživatel cítí jako čerstvější a chladnější. Díky přímé distribuci také odpadají časté problémy s různou distribucí vzduchu na jednotlivých místech pracoviště. Poslední velkou roli také hraje možnost ovládání větracího systému podle aktuálních potřeb, které se mohou měnit během pracovní doby ať už kvůli vnějším vlivům (například změna počasí), nebo vlivům subjektivním (například příchod z chladné či vyhřáté místnosti, vliv metabolických dějů, horkých nápojů apod.). Personalizované systémy rychle reagují na tyto situace a jsou tak schopné rychle se uživateli přizpůsobit v situacích, které centrální systém teoreticky ani nemůže zaznamenat.

Obr. 1 Rozdíl v indexu PPD mezi směšovacím větráním a personalizovaným větráním při různých teplotách vzduchu v interiéru [5]

Na obr. 1 je vidět konkrétně, jaký vliv má personalizované větrání na spokojenost uživatelů při různé teplotě vzduchu v interiéru oproti směšovacímu způsobu větrání v hodnocení pomocí indexu PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Oba sloupce v grafu jednoznačně se zvyšováním interiérové teploty vzduchu stoupají, ale u personalizovaného větrání se i při teplotě 28 °C drží PPD index pod 10 %, zatímco u větrání směšováním bude s prostředím nespokojeno okolo 30 % uživatelů. Z tohoto modelu je patrná i možnost úspor energií na chlazení při instalaci personalizovaného systému při zachování množství nespokojených osob.

3.2.2. Snížení rizika přenosu chorob

Obr. 2 Životaschopné viry přenesené mezi jednotlivými pracovními místy při různých typech větrání místnosti [6]

Velikou výhodou personalizovaných systémů a přímé distribuce je také snížení rizika přenosu chorob v místnosti. Díky blízkosti přívodních prvků uživatelé dýchají čerstvý upravený vzduch. Znečištěný vzduch pak může být odváděn rovnou pryč (například v malých prostorách, jako jsou auta či letadla [1]) nebo se odvádí dál centrální vzduchotechnikou stejně jako v případě vytěsňování. Díky tomu, že každý uživatel má svůj vlastní přívod čerstvého vzduchu, má jen skutečně minimální množství infekčního aerosolu možnost dostat se z jednoho pracovního místa k druhému.

Na obr. 2 můžeme vidět praktické měření přenosu virů chřipky a spalniček mezi pracovními místy při různých typech větrání. Při větrání směšováním, jak už bylo naznačeno, je šíření infekce velmi vysoké, hlavně u životaschopných virů, jako je spalničková infekce. U větrání vytěsňováním se šíření infekcí výrazně snižuje, ale teprve personalizované větrání jej dokáže téměř eliminovat.

3.2.3. Úspora energie na větrání

Možné energetické úspory pokročilé distribuce vzduchu se budou samozřejmě lišit podle provozů, do kterých jsou systémy instalovány, a také podle toho, jaká technologie pokročilé distribuce vzduchu byla zvolena. V každém případě však můžeme rozlišit tři hlavní způsoby, jak energii ušetřit [7].

• Snížení množství větracího vzduchu na osobu vzhledem k jeho efektivnější distribuci
• Zvýšení maximální teploty interiérového vzduchu v horkých obdobích
• Přizpůsobení množství větracího vzduchu podle obsazenosti pracoviště

První způsob tedy sleduje zvýšení efektivity distribuce pomocí lokálních přívodů přímo na jednotlivá pracovní místa. Krátké trasy a možnost více větrat blízké okolí uživatele a naopak méně mařit čerstvý vzduch pro prázdné a nevyužívané části místnosti mohou snížit množství potřebného větracího vzduchu opravdu rapidně. Zde velmi záleží na zvolené technologii a její schopnosti efektivně vzduch distribuovat. Technologie používající zatím nejméně větracího vzduchu jsou například přívody skrze mikrofon headsetu, kdy je čerstvý vzduch přiváděn přímo do dýchací zóny a dojde jen k jeho zcela zanedbatelnému smísení a znečištění okolním prostředím. Zde se tedy můžeme velmi přiblížit potřebné hodnotě 1 m³/h, což by v mnoha provozech znamenalo nutnost upravit pouze jednu padesátinu objemu přiváděného vzduchu oproti směšovacímu větrání. U personalizovaných vyústek pak sice nebude úspora tak výrazná, ale (v závislosti na zvoleném systému) lze ušetřit i desítky procent objemu. Taková úspora bude mít vliv nejen na ekonomiku provozu, ale také na nutnou počáteční investici do vzduchotechnických zařízení.

O druhém způsobu již pojednává kapitola 3.2.1. Jedná se o možnost zvýšit teplotu interiéru v horkých obdobích i o několik kelvinů při zachování stejné míry vypočtené hodnoty PPD [5]. Zvýšení maximální požadované interiérové teploty v letních měsících má pak výrazný dopad na úspory energie potřebné pro chlazení [7].

Třetí způsob úspor je pak velmi závislý na konkrétních provozech, protože využívá možnost snížit množství větracího vzduchu podle obsazenosti místnosti vzhledem k tomu, že jsou jednotlivá pracovní místa přímo regulována uživateli a na neobsazených místech jsou vypnuta. U intenzivně využívaných provozů tak bude úspora téměř nulová, zatímco u provozů s typicky nižší obsazeností se může opět vyšplhat na desítky procent.

Obr. 3 Dva profily obsazenosti provozu pro studii úspor personalizovaného větrání. Vertikální osa zobrazuje podíl obsazenosti, horizontální pak čas v hodinách pro typický den.

Na obr. 3 můžeme vidět dva profily obsazenosti, které byly využity pro studii úspor při použití personalizovaného větrání [7]. Vlevo je zobrazen provoz s vysokým vytížením, vpravo provoz s menší intenzitou obsazenosti. Ze studie vyplývá, že u intenzivního provozu se úspory pohybují mezi 1 až 36 % (podle denní doby), u méně intenzivního provozu jsou však úspory od 25 do 51 %.

3.3. Limity pokročilé distribuce vzduchu

I přes nesporné výhody má pokročilá distribuce vzduchu v současnosti své zásadní limity, a proto je implementace do praxe velmi pomalá. Tyto limity však mohou být v budoucnosti snadno překonány.

3.3.1. Technologické řešení a cena

Technologické řešení personalizovaného systému je pochopitelně výrazně obtížnější a investičně o něco nákladnější než u systémů centrálních, což vede k tomu, že trh zatím nabízí pouze naprosté minimum možných řešení pokročilé distribuce vzduchu a cena těch, které na trhu existují je tak oproti centrálním systémům výrazně vyšší. Tím spíše, že v současnosti se častěji používají personalizované prvky jako doplněk centrální vzduchotechniky, nikoliv jako primární způsob větrání.

3.3.2. Projekční manuály a legislativa

Dalším limitem pro implementaci personalizovaného řešení je nízká nebo často žádná podpora těchto systémů v projekčních manuálech a legislativě. Většina legislativních standardů je stavěna na základě pravidel pro výměnu celkového objemu vzduchu, což by při použití u personalizovaného větrání bylo značně neúsporné. Také projektanti mají jen velmi málo dostupných informací o tom, jak pokročilé způsoby distribuce vzduchu navrhovat, jaké jsou jejich výhody a pro jaké provozy takové systémy volit.

4. Závěr

Současné systémy zaměřené na výměnu celkového objemu vzduchu dosahují velké technologické vyspělosti, ale pomalu se dostávají k limitům svých možností. Při snaze o úspory bude v budoucnu pravděpodobně nutné změnit pohled na to, jakým způsobem dnes funguje větrání v budovách. Pokročilé metody distribuce vzduchu jsou jednou z možností, jak dosáhnout úspor ekonomických i ekologických a jak dosáhnout stejného, nebo dokonce lepšího vnitřního prostředí s významně menší spotřebou energie pro větrání.

Tyto systémy mají mnoho nesporných výhod. Lokální distribuce vzduchu je efektivnější, je možné přizpůsobit si vlastní prostředí podle aktuálních potřeb, snižuje rizika přenosu chorob zvláště ve velkoprostorových kancelářích a díky tomu lze dosáhnout velmi dobrých podmínek na pracovišti.

Velkým limitem je však zatím komplikované technologické řešení, které je obtížné kvůli implementaci a nedostatku personalizovaných systémů na trhu, což způsobuje vysokou cenu a jen minimální informovanost o dané problematice. Navíc většina legislativních standardů je koncipována pro výměnu celého objemu vzduchu a není tedy pro lokání personalizovaná řešení aplikovatelná.

V budoucnu však můžeme čekat zvýšený tlak jak na kvalitu vnitřního prostředí v budovách a tedy zvyšování kvality pobytu lidí v interiéru, tak i protichůdný tlak na energetické úspory. Tyto dva směry jistě povedou k rozvoji nových možností a alternativních řešení, jakým pokročilá distribuce vzduchu jistě je.

Poděkování

Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

1. Janssen, J. E., The history of ventilation and temperature control, AHRAE J., September 1999, 47–52.
2. Melikov, A. K., Advanced air distribution: improving health and comfort while reducing energy use. Indoor Air 2016, 26: 112–124. doi:10.1111/ina.12206
3. Hyldgaard, C. E. Humans as a source of pollution. In: Proceedings of ROOMVENT 94, 1994 Cracow, Poland, 413–433.
4. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, ve znění pozdějších předpisů
5. Melikov, Arzen K. Godovic, Personalised ventilation, State of Art and Perfomance in practise., Slovinsko: KlimaForum, 2006.
6. Melikov, A. K. a Cermak, R. Protection of occupants from exhaled infectious agents and floor material emissions in rooms with Personalised and underfl oor ventilation. HVAC & R Research. 2007, Sv. 13, 1.
7. Schiavon, Stefano, Melikov, Arsen K. a Sekhar, Chandra. Energy analysis of the personalized ventilation system in hot and humid climates. Energy and Buildings. 2010, Sv. 42, 5.