Vazby způsobu užívání stavby a extrémních okrajových podmínek vnitřního prostředí
Tento článek se věnuje výskytu extrémních okrajových podmínek ve vnitřním prostředí staveb v kontextu se způsobem užívání a stavebního řešení i technického zařízení stavby. Poukazuje na výskyt extrémních stavů vnitřního prostředí a působení na obalové konstrukce stavby.
Úvod
Texty odborných i populárně naučných statí plní debaty týkající se problematiky stavu vnitřního mikroklimatu ve vztahu k hygienické nezávadnosti stavby, výskytu plísní či trvanlivosti konstrukcí. Důvodem těchto diskuzí na nejrůznějších úrovních je mohutný nárůst výskytu tepelně vlhkostních problémů na stavbách nejrůznějších typů, a to jak u novostaveb, tak i u rekonstrukcí a energetických sanací.
Příkladem popsaných vad může být výskyt plísní na chladných vnitřních površích, na nichž kondenzuje vlhkost. To je způsobeno buď nevhodným návrhem konstrukce, která není sto odolávat návrhovým okrajovým podmínkám bez výskytu uvedených vad, nebo naopak neodpovídajícími reálnými (provozními) parametry, které byly ve fázi návrhu uvažovány v jiných hodnotách.
Na obrázku 1 je znázorněna oblast výskytu plísní na ostění okenního otvoru. Důvodem je chybný návrh konstrukce v místě tepelného mostu ale také velmi vysoká vlhkost vzduchu ve vnitřním prostředí. Ta byla způsobena nedostatečným větráním, ale také jistým přetápěním obytného prostoru.
Setkáváme se tedy s jasnou vazbou mezi stavbou a způsobem jejího užívání. V tomto článku se zaměříme na zhodnocení výskytu extrémních okrajových podmínek ve vnitřním prostředí různých typů budov.
Jak bylo popsáno výše, setkáváme se s fenoménem vlhkého vnitřního prostředí, avšak nejen tento stav je nevyhovující. Stavebním řešením i technickým vybavením budovy lze výrazně ovlivnit tepelně technické namáhání konstrukcí i stav vnitřního prostředí.
![Obrázek 1: Výskyt plísní v oblasti připojovací spáry okenní výplně a kondenzát na jeho povrchu [4]](/docu/clanky/0097/009720o1.jpg)
![Obrázek 1: Výskyt plísní v oblasti připojovací spáry okenní výplně a kondenzát na jeho povrchu [4]](/docu/clanky/0097/009720o3.jpg)
Obrázek 1: Výskyt plísní v oblasti připojovací spáry okenní výplně a kondenzát na jeho povrchu [4]Metoda
Pro účely ověření stavu návrhem uvažovaného stavu vnitřního prostředí byly zvoleny dvě trvale užívané budovy, v nichž byla v zimním období monitorována teplota a vlhkost vzduchu. Následně byly získané hodnoty parametrů vnitřního prostředí sestaveny do grafických závislostí a vyhodnoceny zátěžové stavy obalových konstrukcí. Výsledky mají posloužit k demonstraci souvislostí uvažovaného způsobu provozu stavby a výskytu extrémních odchylek od projektového předpokladu. Dále též poukázání na význam vazeb stavebního a technického řešení stavby.
Za tímto účelem demonstrace byly zvoleny dva rozdílné objekty co do stavebního řešení i způsobu vytápění a užívání.
Prvním z nich je objekt z roku 1998, který je vystavěn zděnou technologií z cihel plných pálených a opatřen vnitřním zateplením. Zastřešen je lehkou plochou střechou. Měření v tomto objektu probíhalo v jedné ze dvou obytných místností, která je denně využívána. Místnost o rozměrech 3,5 × 5,5 m je vytápěna elektrickým přímotopem bez nucené distribuce tepla. Výplně otvorů jsou těsné. Z důvodu potřeby regulace stavu vnitřního prostředí je jeho větrání zajištěno přirozeně větracími otvory s regulačními klapkami ve stěnách na protilehlých stranách, které přiléhají k prosklené zimní zahradě a hale. Objekt při dlouhodobém pozorování nevykazuje stavební vady tepelně technického charakteru a individuálně vnímaný stav kvality vnitřního vzduchu je při užívání dvěma osobami obvykle dobrý. Tepelně izolační vlastnosti obálky budovy jsou na úrovni současných požadovaných hodnot. Za připomenutí stojí, že se jedná o objekt z roku 1998, kdy požadavek na tepelný odpor stěn odpovídal ekvivalentu U = 0,54 W.m−2.K−1.
Druhým objektem je dřevostavba o rozměrech cca 9 × 8 m vystavěná přibližně v roce 2005, která je trvale užívaná dvěma osobami a psem. Objekt je samostatně stojící a má otevřenou vnitřní dispozici tvořenou obývacím prostorem s kuchyňským koutem, který je trvale propojen s místností pro spaní. Samostatnou část tvoří koupelna s WC. Vytápění objektu zajišťuje centrálně umístěný lokální zdroj na tuhá paliva. Větrání je přirozené a výplně otvorů jsou těsné až na vstupní dvoukřídlé dveře. Tímto stavebním otvorem je zajištěna potřebná infiltrace vzduchu pro spalování. Tepelně izolační vlastnosti obálky budovy jsou též na úrovni současných požadavků.
Provoz v jednotlivých objektech je přirozený dle zvyklostí uživatelů. V každém z nich byl umístěn datalogger se stíněným tepelně vlhkostním čidlem tak, aby nedocházelo k osálávání jeho snímače. Nebyla sledována výsledná hodnota měřením kulovým teploměrem. Koncentrace CO2 nebyla sledována. Oba objekty se nacházejí v okrajové části Brna. Data vnějšího prostředí byla sledována na výstupech jednotné meteorologické stanice a v místě měření náhodně ověřována jednorázovým záznamem teploty a vlhkosti vnějšího vzduchu.
U objektu 1 bylo snímání provedeno ve čtrnáctidenním chodu. Objekt 2 byl sledován po dobu jednoho měsíce tak, aby byla možnost zachytit větší výkyvy vzhledem k užívání objektu a provozu zdroje tepla.
Obrázek 2: Ilustrace geometrického řešení jednotlivých objektů a způsobu přívodu větracího vzduchu
Normativní okrajové podmínky
Používaný tepelně technický návrh konstrukcí uvažuje s teplotní a vlhkostní okrajovou podmínkou ze strany interiéru a exteriéru. K popisu stavu vnitřního vzduchu na kontaktu s obalovými konstrukcemi stavby se využije návrhová vnitřní teplota v zimním období θi [°C] a relativní vlhkost vnitřního vzduchu φi [%]. Stav vnějšího prostředí je popsán obdobně návrhovou teplotou vnějšího vzduchu θe [°C] a relativní vlhkosti vnějšího vzduchu φe [%].
Návrhové hodnoty parametrů vnitřního prostředí pro objekty, v nichž lze předpokládat reálný výskyt uvedeného zdroje tepla za definovaných provozních i prostorových podmínek, jsou definovány normou ČSN 73 0540-3:2005 v tabulce I.1. Ve sledovaném případě šlo o trvale užívaný objekt, nicméně v řadě trvale obývaných objektů tohoto charakteru bývá přistupováno k přechodu na jiný způsob vytápění, proto v tabulce 1 uveďme i hodnoty používané pro objekty pro rekreaci. Z tabulky je zřejmé, že tepelně vlhkostní zátěž vnitřního povrchu obalových konstrukcí je během provozu shodná u obou způsobů užívání stavby.
| Druh místnosti s požadovaným stavem vnitřního prostředí | Návrhová vnitřní teplota v zimním období θi [°C] | Relativní vlhkost vnitřního vzduchu φi [%] |
|---|---|---|
| Obytné budovy trvale užívané | ||
| Obytné místnosti (obývací pokoje, ložnice, jídelny, jídelny s kuchyňským koutem, pracovny, dětské pokoje, aj.) | 20 | 50 |
| Kuchyně | 20 | 50 |
| Koupelny | 24 | Střední hodnota časového snímku provozu |
| Klozety | 20 | 50 |
| Vytápěné vedlejší místnosti (předsíně, chodby, aj.) | 15 | 50 |
| Vytápěná schodiště | 10 | 50 |
| Občasně užívané (rekreační) – v době provozu | ||
| Obytné místnosti (obývací pokoje, ložnice, jídelny, jídelny s kuchyňským koutem, pracovny, dětské pokoje, aj.) | 20 | 50 |
| Kuchyně | 20 | 50 |
| Koupelny | 24 | Střední hodnota časového snímku provozu |
| Klozety | 20 | 50 |
| Vytápěné vedlejší místnosti (předsíně, chodby, aj.) | 15 | 50 |
| Vytápěná schodiště | 10 | 50 |
| Občasně užívané (rekreační) – mimo provoz | 5 | 80 |
Návrhovou teplotu vnitřního vzduchu získáme navýšením návrhové vnitřní teploty o přirážku dle typu objektu Δθai z intervalu <0,3;2>:
Vnější okrajové podmínky jsou odvislé od teplotní oblasti, v níž se stavba s posuzovanou konstrukcí vyskytuje. Návrhová teplota venkovního vzduchu v zimním období θe se odvíjí od zeměpisné polohy a nadmořské výšky a je stanovena jako:
kde θe,100 [°C] je základní návrhová teplota venkovního vzduchu v nadmořské výšce 100 m n. m. v dané teplotní oblasti, Δθe,0 [°C] je základní teplotní gradient v dané teplotní oblasti a h [m] je nadmořská výška objektu.
Návrhová relativní vlhkost venkovního vzduchu φe lze stanovit v závislosti na teplotě venkovního vzduchu θe jako:
Výsledky měření, diskuze
Výsledky měření lze přehledně porovnat na následujících grafech. Na první pohled je zřejmé, že oba objekty jsou, co do stavu vnitřního prostředí, v zimním období značně rozdílné.
U objektu 1 je zřejmé, že vnitřní zateplení v kombinaci s přerušovanou dodávkou tepla během nízkého tarifu způsobuje nízkou tepelnou stabilitu místnosti. Ta je vytápěna pod úrovní předpokládanou v návrhových podmínkách. Relativní vlhkost vzduchu se v dlouhodobém hledisku neliší výrazně od normou předepsané hranice s bezpečnostní přirážkou 55 %. Stálá výměna štěrbinou přiváděného vzduchu ze zimní zahrady je v tomto případě významným prvkem provozního řešení stavby, který reguluje vnitřní vlhkostní zátěž. Bez této stavební úpravy lze očekávat nárůst relativní vlhkosti vnitřního vzduchu a s tím spojené problémy plynoucí ze zdejší aplikace vnitřního zateplení. Provedený tepelně technický návrh je tedy v souladu s předpoklady.
Oproti tomu druhý objekt bez účinné regulace vytápění a větší akumulační hmoty vykazuje výrazné kolísání sledované teploty. Z průběhu teploty vnitřního vzduchu i jeho relativní vlhkosti lze vysledovat pravidelně se opakující víkendové i delší provozní přestávky. Během užívání se kvůli způsobu vytápění pohybuje relativní vlhkost vzduchu pod hranicí 30 až 40 %. Extrémy lze nalézt na hranici 15% relativní vlhkosti vnitřního vzduchu.
Dále si lze povšimnout fundamentálního vlivu provozu lokálního topeniště na množství vlhkosti ve vnitřním vzduchu. V období, kdy v objektu nedochází ke zvýšené produkci vlhkosti užíváním (tj. v době, kdy zde není nikdo přítomen), se relativní vlhkost teprve blíží návrhovým hodnotám. Ve většině případů se však obvykle automaticky předpokládá zcela opačný scénář.
Obrázek 3: Průběh teploty a relativní vlhkosti vnitřního prostředí ve sledovaných objektechJe vhodné upozornit na zdravotní aspekty uvedené problematiky. Řada zdravotních problémů je způsobena suchým vzduchem v místnosti. Přitom správná vlhkost je nejdůležitější složkou pro zajištění zdravého a příjemného prostředí v pobytových místnostech. Nízká relativní vlhkost vzduchu je příčinou mnoha zdravotních potíží, jako jsou: vysychání sliznic horních cest dýchacích, suchý dráždivý kašel, pocit stále ucpaného nosu, ranní škrábání v krku, chronické záněty nosohltanu, časté onemocnění horních i dolních cest dýchacích, chronická bronchitida, opakovaná laryngitida, zvláště u dětí, pálení očí a další.
Hygienicky doporučované relativní vlhkosti vzduchu jsou v létě 40 až 55 %, v zimním období pak 45 až 65 %. Již při poklesu vlhkosti vzduchu pod 40 % vysychají sliznice dýchacích cest, čímž je oslabován obranný mechanismus člověka proti působení mikroorganismů a aerosolů včetně alergenů na lidský organismus.
Mikroklima v prvním objektu je tedy přijatelné, avšak v druhém objektu lze vnitřní stav prostředí vyhodnotit jako dlouhodobě nevyhovující.
Pro jednotlivé stavy vnějšího a vnitřního prostředí byla sestavena tabulka parametrů vzduchu, ze které je zřejmé, že mohou nastat takové kombinace okrajových podmínek, při nichž dochází ke zcela obrácenému difuznímu toku. V krátkodobém hledisku se nemusí jednat o nikterak výjimečné stavy.
| RH; θai [%; °C] | Koncentrace vodní páry [gm−3] | Částečný tlak nasycené vodní páry [Pa] | Částečný tlak vodní páry [Pa] |
|---|---|---|---|
| 84; −15 | 1,2 | 164,745 | 138,925 |
| 80; −3,5 | 2,9 | 455,800 | 365,325 |
| 81; 0 | 3,9 | 610,500 | 495,903 |
| 82; 5 | 5,5 | 871,865 | 716,085 |
| 25; 20 | 4,3 | 2336,951 | 584,547 |
| 55; 20 | 9,5 | 2336,951 | 1286,004 |
| 15; 27 | 3,9 | 3563,225 | 534,464 |
Nebudeme-li se na problém dívat v kontextu hodnocení konstrukcí za ustáleného stavu, docházíme k myšlence, že obdobně jako při vyšetřování vnitřních sil na staticky neurčité konstrukci, je na zvážení projektanta, aby vyhotovil soubor tepelně vlhkostních zatěžovacích stavů působících na posuzovanou konstrukci tak, aby byla schopna dlouhodobě odolávat všem těmto případům i v nejnepříznivější kombinaci. Splnění normových požadavků je samozřejmostí, avšak ohledy na možnou variabilitu způsobu užívání či změny technického zařízení stavby posouvá návrh konstrukcí do kvalitativní úrovně odpovídající investicím do dlouhodobě funkčního stavebního díla. Možnost využití moderních výpočtových postupů v dynamickém tepelně vlhkostním stavu, které jsou již řadu let vyvíjeny, je tedy z hlediska návrhu obvodových konstrukcí výrazným posunem vpřed.
Závěr
V tomto článku jsme přinesli praktickou ukázku mnohotvárnosti vnitřního stavu prostředí. Velmi jednoduchými prostředky bylo monitorováním teploty a vlhkosti vnitřního vzduchu poukázáno na možné dopady změn okrajových podmínek na obvodové konstrukce stavby. Z uvedených závislostí je patrné, že způsob užívání stavby má zásadní vliv na vnitřní mikroklima. V kontextu uvedených měření lze vést diskuzi nad platností obecně zažitých stereotypů v uvažování, k nimž se veřejnost může přiklonit tehdy, bude-li na všechny stavby nahlíženo bez rozdílu. Normativní požadavky na stavební konstrukce reprezentují určitý stavový extrém, který musí být bezezbytku splněn. Avšak je vhodné uvědomit si i další možné způsoby namáhání stavební konstrukce.
Z hlediska uživatelského komfortu a zdravého užívání vnitřního prostoru je na místě vybavit stavbu ukazatelem vnitřní vlhkosti a teploty. Ve fázi návrhu stavby by mělo být uvažováno i s případnou technickou výbavou pro udržování správné výše vlhkostního režimu. Z uvedených měření je zřejmé, že uživatelský faktor hraje významnou roli při tvorbě vnitřního mikroklima a bylo by zajímavou úvahou zodpovězení otázky, jak by se projevila pouhá výměna uživatelů mezi sledovanými objekty, neboť tito provozují objekt ve významně rozdílném teplotním režimu.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory projektu FAST-J-12-1768 na Fakultě stavební VUT v Brně.
Literatura
- [1] ČSN 73 0540–2. Tepelná ochrana budov. Část 2: Požadavky, Praha: Český normalizační institut, 2011.
- [2] Vyhláška č. 6/2003 Sb. – Pobytové prostory, Sbírka zákonů ČR.
- [3] Halahyja M., Chmúrny I., Sternová Z.: Stavebná tepelná technika. Tepelná ochrana budov, JAGA Group, Bratislava, 1998, 224 str., 78 lit.
- [4] Archiv společnosti Gades solution s.r.o. a Tee-pee.cz
This paper examines the occurrence of extreme boundary conditions in the internal microclimate in the context of the intended use and structural design and technical equipment of the building. It refers to the occurrence of extreme conditions of the internal microclimate and the effects on constructions of buildings.