Environmentálne posúdenie vnútornej klímy auly

Nevyhovujúce mikroklimatické podmienky si (nielen v tomto ­prípade) vyžadujú  adekvátne vzduchotechnické opatrenie. Príspevok sa venuje hodnoteniu existujúceho stavu mikroklímy podkrovnej auly v budove gymnázia a ponúka návrh optimálneho vzduchotechnického riešenia.

Podkladom návrhu núteného vetrania sa stali výsledky z meraní tepelno-vlhkostných parametrov a koncentrácií oxidu uhličitého. Z experimentálneho merania vyplynula potreba vzduchotechnického opatrenia, v rámci ktorého sa správna voľba distribučného prvku porovnala na 2D matematicko-fyzikálnom modeli metódou CFD.

Problematika spojená s nevyhovujúcim vnútorným prostredím a nedostatočným vetraním školských tried a zariadení je všeobecne známa. Zatiaľ čo v minulosti  mali školské triedy drevené okná, ktorými prefukovalo, a obálka budovy vykazovala vplyvom nezaizolovaných tepelných mostov vysoké tepelné straty, s príchodom trendu šetrenia energiou sa začalo zatepľovať a otvorové výplne sa začali vymieňať za kvalitnejšie a tesnejšie. Tak postupne v triedach dochádzalo k úbytku „čerstvého“ vzduchu a zvyšovala sa koncentrácia oxidu uhličitého, ktorý má neblahý vplyv na bdelosť žiakov a v konečnom dôsledku aj na ich zdravie. Pri vysokých koncentráciách sa objavujú bolesti hlavy, ktoré môžu prejsť až do nevoľností, prípadne až straty vedomia.

Obr. 1 Gymnázium L. Jaroša, a) objekt, b) aula

Témou nedostatočného vetrania sa v Českej republike zaoberal podrobne Ing. Šubrt, ktorý spracoval publikáciu [1] venujúcu sa výskytu oxidu uhličitého vo verejných priestoroch, predovšetkým v školách. Na Slovensku sa touto problematikou zaoberal Ing. Kapalo [2]. Podobný problém, ako je zvýšená koncentrácia CO2, predstavuje v školských triedach aj ich prehrievanie, ku ktorému dochádza v letných mesiacoch. Nadmerne vysokú teplotu zapríčiňuje najčastejšie slnečné žiarenie, ktoré vstupuje do tried početnými oknami. Na zamedzenie prieniku priamych slnečných lúčov sa používajú sťahovacie rolety či dnes viac používané vnútorné žalúzie. Tie však dokážu iba odtieniť priamo dopadajúce slnečné lúče, nepomôžu znížiť teplotu vzduchu.

Charakteristika objektu gymnázia

Gymnázium Ladislava Jaroša sa nachádza v meste Holešov a bolo založené v roku 1899. Nachádza sa v historickej budove postavenej v roku 1902. Aula školy bola vybudovaná v novozrekonštruovanej podkrovnej stavbe a slúži na slávnostné a reprezentačné účely, počas ktorých sa v týchto priestoroch zíde až 150 osôb. Svetlo vstupuje do miestnosti strešnými oknami, ktoré sú orientované na juhovýchodnú svetovú stranu a nie sú zatienené žiadnymi tieniacimi prvkami. Vetranie miestnosti sa rieši núteným odvodom vzduchu odstredivými ventilátormi osadenými v strope s výfukom do potrubia a nad strechu. Ako sa ukázalo po pätnásťročnom užívaní,  tento spôsob vetrania je úplne nevyhovujúci – chýba v ňom prívod čerstvého vzduchu a nespĺňa podmienky na odvod tepelnej záťaže a koncentrácie oxidu uhličitého.

Existujúci stav a meranie

Na zhodnotenie mikroklimatických podmienok existujúceho stavu sa vykonalo meranie. To bolo rozdelené na tzv. dlhodobé, ktoré prebiehalo 25 dní a zaznamenávalo teplotno-vlhkostné parametre vzduchu, a krátkodobé meranie, ktoré malo stanoviť nárast koncentrácie CO2 pri pobyte osôb v miestnosti.

Obr. 2 Priebeh teploty vzduchu ti a relatívnej vlhkosti Rh za sledované obdobie

Meranie tepelno-vlhkostných parametrov

Pri dlhodobom meraní sa sledovala teplota a relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu. Tieto parametre sa merali 25 dní dvomi teplotno-vlhkostnými sondami, ktoré boli umiestnené v zatienených častiach miestnosti vo výške hlavy sediacej osoby. Po celý čas merania sa aula nevyužívala, nevyskytovali sa v nej vnútorné zdroje a ani sa v nej nevetralo. Záznam meraných hodnôt z jedného vybraného meracieho zariadenia je na obr. 2. Počas sledovaného obdobia sa namerala maximálna teplota vzduchu ti v miestnosti 30,4 °C. Na stanovený deň uvádza meteorologická stanica v Holešove teplotu vonkajšieho vzduchu te 27 °C. Pri vonkajších denných teplotách vyšších než 20 °C sa teplota vzduchu v interiéri pohybovala na úrovni okolo 30 °C. Relatívna vlhkosť vzduchu sa pri týchto podmienkach pohybovala na úrovni okolo 40 %.

Meranie koncentrácie CO2

Druhé meranie sa zameralo na stanovenie kvality vzduchu, ktorého ukazovateľom v priestoroch s výskytom ľudí je koncentrácia oxidu uhličitého CO2. Počas tohto krátkodobého merania sa v aule nachádzalo 89 osôb, nevetralo sa oknami ani odťahovými ventilátormi, dvere auly boli zavreté. Sonda bola umiestnená medzi sediacimi osobami. Už na začiatku sa namerala vysoká hodnota koncentrácie CO2 876 ppm, ktorá  po celý čas merania sústavne narastala (obr. 3), až po 1,5 hodine kulminovala na hodnote 2 920 ppm. Po dosiahnutí maxima začali študenti opúšťať miestnosť a prebiehalo vetranie priestoru otvorením dverí.

Obr. 3 Koncentrácia CO₂

Simulácia prúdenia vzduchu

Z výsledkov meraní vyplynula potreba návrhu vzduchotechnického opatrenia, ktoré zabezpečí zvýšenie tepelnej pohody osôb a zlepší kvalitu vzduchu v miestnosti. Pod týmto opatrením sa rozumie návrh čiastočnej klimatizácie, ktorá bude privádzať do auly dostatočné množstvo vonkajšieho vzduchu s požadovanou teplotou a vlhkosťou.

V prípadovej štúdii sa počíta s objemom prívodného vzduchu 3 925 m³/h na 157 osôb, čo predstavuje 25 m³/h na osobu. Na distribúciu vzduchu sa vybralo textilné potrubie s mikroperforáciou, ktoré bude zavesené pod upínacími prvkami. Vzhľadom na nízku výšku potrubia však pri osobách sediacich pod výustkami hrozí riziko obťažovania prievanom. Preto sa vytvorili simulácie, ktoré overia tepelnú pohodu bez rizika prievanu, ktorú musí klimatizovaná miestnosť poskytovať [3].

Na matematicko-fyzikálnu simuláciu sa použil výpočtový program ANSYS FLUENT a preprocesing sa spracoval v softvéri GAMBIT – viac [4]. 2D geometriu miestnosti tvorí priečny rez a dopĺňajú ju okrajové podmienky, ktoré sú zrejmé z obr. 4. Vnútorná tepelná záťaž miestnosti je zadaná na m² rezu miestnosti. V mieste pobytu osôb sa zvolili 2 charakteristické kontrolné body – vo výške členkov (0,1 m od podlahy) a v oblasti hlavy sediacej osoby (1,3 m od podlahy), v ktorých sa počítali hodnoty sledovaných veličín. V simuláciách sa počítalo s časovo ustáleným prúdením vzduchu s prenosom tepla.

Obr. 4 Okrajové podmienky

Pri ľavej výustke sa vytvorili spolu tri varianty, v ktorých sa odlišným spôsobom  modelovalo smerovanie prúdu vzduchu z výustky (tab. 1). Variant A poskytoval rovnomernú perforáciu po celom obvode výustky. Pri variante B sa zvolila smerová perforácia po ¾ obvodu výustky. V poslednom variante C sa počítalo s tým, že výustkou bude prúdiť vzduch len ½ perforovaného obvodu, a to tou časťou, ktorá je orientovaná do priestoru miestnosti. S odvodom vzduchu sa počítalo vo vodorovnej časti podhľadu.

Obr. 5 Obraz prúdenia vzduchu v teplotnom poli a) teplota vzduchu ti (°C), b) stredná radiačná teplota tr (°C)

Diskusia

Požiadavky na tepelno-vlhkostnú mikroklímu zasadacej miestnosti stavieb na zhromažďovanie väčšieho počtu osôb upravuje vyhláška č. 6/2003 Sb. [5]. Vo vyhláške sa stanovuje ako najvyššia povolená výsledná teplota tg v letnom období 26 °C a vlhkosť vzduchu 65 %. V aule bola počas merania stanovená maximálna teplota vzduchu 30,4 °C. Ak porovnáme zmeranú teplotu vzduchu s výslednou teplotou uvádzanou vo vyhláške [5], teplota v miestnosti sa prekročila o 4,4 °C. Výsledná teplota v aule sa síce nemerala, ale dá sa predpokladať, že by dosahovala vyššie hodnoty, než ktoré sa stanovili pri teplote vzduchu.

Ukazovateľom kvality vzduchu v miestnosti s pobytom osôb je koncentrácia oxidu uhličitého CO2, ktorého produkcia sa uvádza na 1 sediacu osobu medzi 15 až 20 l/h. Vyhláška č. 20/2012 Sb. o technických požiadavkách na stavby [6] stanovuje povinnosť dodržať maximálnu prípustnú koncentráciu oxidu uhličitého 1 500 ppm. Z meraní vyplynulo, že dochádza k pravidelnému prekračovaniu tejto povolenej hodnoty koncentrácie CO2. Najvyššia nameraná koncentrácia dosahovala hodnoty takmer 3 000 ppm, čo už môže vyvolávať únavu a bolesti hlavy.

Obr. 6 Rýchlostné pole a trajektória prúdenia vzduchu a) rýchlosť prúdenia vzduchu v (m/s), b) teplotne sfarbená trajektória vzduchu (°C)

Pri takto nevyhovujúcich mikroklimatických podmienkach sa navrhlo vzduchotechnické opatrenie, ktoré spočívalo v distribúcii vonkajšieho  vzduchu textilnými výustkami. Aby sa zabránilo riziku ohrozenia osôb sediacich pod výustkou prievanom, vytvorili sa simulácie vo variantoch A – C, ktoré sa líšili v smerovaní prúdu vzduchu z ľavého mikroperforovaného potrubia. Pri variante A, v ktorom vystupuje prívodný vzduch po celom obvode, dosahuje rýchlosť prúdenia v oblasti členkov rýchlosť 0,32 m/s, ktorá nevyhovuje požiadavkám vyhlášky č. 6/2003 Sb. [5], kde je predpísaná rýchlosť prúdenia vzduchu medzi 0,16 až 0,25 m/s.

Preto bolo cieľom variantu B eliminovať nedostatky predchádzajúceho riešenia, a teda znížiť rýchlosť prúdenia v kontrolných bodoch. Tu sa ukázalo, že obmedzenie mikroperforácie v ¼ prierezu neobmedzí vznik prievanu, teda rýchlosť nebude nižšia než povolených 0,25 m/s. Ani výsledky z variantu C, v ktorom je umožnené prúdenie iba cez ½ obvodu potrubia, neukázali uspokojivé hodnoty rýchlosti prúdenia v oblasti členkov. Ako sa teda ukázalo, túto vysokú rýchlosť nespôsobuje rýchlosť na prívodných výustkách (cca 0,2 m/s), ale klesanie chladného prívodného vzduchu pozdĺž vnútornej steny.

Z realizovaných simulácií vyplýva, že v navrhovanom stave vznikajú chladnejšie miesta v ľavej časti okolo steny a teplejšie miesta v pravej časti pri oknách. Táto nerovnomernosť však nie je významná. Z hrubého zatriedenia kritických priestorov v rámci jestvujúceho stavu do kategórií podľa ČSN EN ISO 7730 [7] tab. A 5 vyplýva, že by spadali do najnižšej kategórie (C) komfortu prostredia.

Záver

Z výsledkov merania vyplýva potreba návrhu opatrenia na skvalitnenie mikroklimatických podmienok, ktoré povedie k zvýšeniu komfortu pri dlhodobom pobyte osôb v aule. Pod takýmto opatrením sa rozumie návrh vzduchotechniky, ktorá zabezpečí dostatočnú výmenu vzduchu v miestnosti, požadovanú teplotu vzduchu a vlhkosť. Pri návrhu treba venovať zvýšenú pozornosť rýchlosti prúdenia vzduchu, a to predovšetkým v oblasti členkov, keďže sa pri simuláciách ukázalo, že rýchlosť prúdenia je v tejto oblasti väčšia než maximálne požadovaných 0,25 m/s.

Článok vznikol s podporou Špecifického výskumu 2014 na Vysokom učení technickom v Brne, grant FAST-S-14-2372 – Výskum a tvorba surogačných modelov s využitím experimentov a parametrických CFD simulácií.

Literatúra
1.    Šubrt, R.: Mikroklima ve veřejných budovách jako důvod instalace rekuperace. 2011, Dotupné z: http://www.e-c.cz/download1.php?id=131.
2.    Pauliková, A. – Kapalo, P.: Metodika hodnotenia účinnosti vetrania miestností z hľadiska záťaže CO2. In: Plynár – Vodár – Kúrenár + Klimatizácia. Roč. 10, č. 1 (2012), s. 11 – 13., 2012.
3.    Šikula, O.: Počítačové simulace a jejich aplikace pro tvorbu prostředí bytových domů. In: Stavebnictví, 2008, roč. 08, č. 11 – 12, s. 56 – 59. (Dostupné online: http://www.casopisstavebnictvi.cz/pocitacove-simulace-a-jejich-aplikace-pro-tvorbu-prostredi-bytovych-domu_N1767) Citováno 21.4 2012.
4.    FLUENT: Fluent 6.3.26 – User’s guide Fluent Inc. 2007.
5.    Vyhláška ministerstva zdravotnictví č. 6/2003 Sb. ze dne 16. prosince 2002, kterou se stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb.
6.    Vyhláška ministerstva vnitra č. 20/2012 Sb., o hygienických požadavcích na stavby, ze dne 9. ledna 2012.
7. ČSN EN ISO 7730 Mírné tepelné prostředí – Stanovení ukazatelů PMV a PPD a popis podmínek tepelné pohody.

Text: Ing. Petra Vojkůvková, doc. Ing. Ondřej Šikula, PhD., Ing. Petr Vlček, Ing. Lucie Horká

Foto a obrázky: autori

Autori pôsobia v Ústave technických zariadení budov na Stavebnej fakulte Vysokého učení technického v Brne.
Recenzovala: Ing. Zuzana Straková, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.