Analýza kvality vnútorného vzduchu v rodinných domoch: Ako dopadlo experimentálne meranie?

Výsledky jednoznačne ukazujú, že prirodzené vetranie je v dnešných klimatických podmienkach už aj v rezidenčných objektoch značne nepostačujúce.

Tepelno-vlhkostným podmienkam v rezidenčných stavebných objektoch je dôležité venovať sa najmä z dôvodu, že obyvatelia trávia väčšinu svojho času práve v týchto priestoroch a tepelná pohoda a stav vnútorného prostredia môžu významne ovplyvniť ich činnosť, sústredenie a následne aj psychickú pohodu, ba dokonca zdravotný stav. Zistiť, či je v obytných priestoroch vhodné vnútorné prostredie, je preto zaujímavé z viacerých hľadísk.

Cieľom analýzy realizovaných experimentálnych meraní bolo porovnať tri spôsoby vetrania reálne aplikované v rezidenčných objektoch, v tomto prípade v troch rodinných domoch, pri bežnej prevádzke ich užívateľov. Sledoval sa časový priebeh základných fyzikálnych veličín, ktoré definujú vlastnosti, no najmä kvalitu vnútorného vzduchu. Ich podrobnou analýzou a následným porovnaním s požiadavkami, ktoré sú definované záväzne právnymi predpismi a odporúčanými technickými normami, bolo možné zodpovedne posúdiť, či daný vnútorný priestor vyhovuje dlhodobému užívaniu obyvateľmi bez akéhokoľvek negatívneho vplyvu na ich zdravie.

Okrem hodnotenia tepelnej pohody bolo predmetom merania aj monitorovanie úrovne relatívnej vlhkosti vzduchu, ktorá má vplyv na tepelný pocit človeka aj na vnímanie kvality vzduchu. Príliš nízka relatívna vlhkosť môže u niektorých ľudí spôsobovať pocit sucha a podráždenie pokožky aj slizníc a s tým spojené zdravotné problémy. Naopak, privysoká vlhkosť vytvára priaznivé podmienky na šírenie plesní a iných mikroorganizmov, ktoré môžu spôsobovať alergie alebo zápach.

Závery analýzy dokazujú, že vetranie má významný vplyv na kvalitu vnútorného vzduchu – pravda, ktorá je tu od nepamäti, no jej význam sa akoby stratil. Získané výsledky jednoznačne poukazujú na to, že prirodzené vetranie je v dnešných klimatických podmienkach už aj v rezidenčných objektoch značne nepostačujúce.

V neposlednom rade tento príspevok poskytuje užitočné informácie pre navrhovanie a optimalizáciu tepelných a vlhkostných podmienok v obytných priestoroch s cieľom zlepšiť kvalitu vnútorného vzduchu, a teda aj života ich obyvateľov.

Požiadavky na kvalitu vnútorného vzduchu

V tejto časti sú tabuľkovou formou spracované hodnoty fyzikálnych veličín, požadované na dosiahnutie kvality vnútorného vzduchu v obytných miestnostiach, na základe ktorých sa porovnávali a hodnotili dosiahnuté výsledky meraní. Klasifikácia tried činností je uvedená v tab. 1. Podľa celkového energetického výdaja bola pre všetky monitorované miestnosti zadefinovaná trieda činnosti 1a. Vybraným triedam činností zodpovedajú optimálne rozsahy operatívnej teploty pre chladné obdobie roka uvedené v tab. 2.

Trieda činnosti	Celkový energetický výdaj		Príklady činnosti*
	gM (W/m2)	gM (met)
0	≤ 65	≤ 1,12	Pokojné ležanie, uvoľnené sedenie (odpočinok, sledovanie programu).
1a	66 až 80	1,13 až 1,38	Činnosť posediačky s minimálnou pohybovou aktivitou (administratívne práce, činnosť v učebniach); činnosť posediačky spojená s ľahkou manuálnou prácou rúk a ramien (písanie na stroji, práca s PC, jednoduché šitie, laboratórne práce, zostavovanie alebo triedenie drobných ľahkých predmetov).
1b	81 až 105	1,39 až 1,81	Činnosť posediačky s občasnou manuálnou prácou rúk, ramien a nôh; činnosť postojačky občas spojená s pomalou chôdzou po rovnej podlahe s prenášaním ľahkých bremien alebo prekonávaním malého odporu (varenie, strojené opracovanie a montáž ľahkých dielcov, nakupovanie).
1c	106 až 130	1,82 až 2,23	Činnosť posediačky so stálym zapojením oboch rúk, ramien a nôh; činnosť postojačky s trvalým zapojením oboch rúk, ramien a nôh spojená s prenášaním bremien do 10 kg (činnosť v sklade alebo v kuchyni, upratovanie, lakovanie, ťahanie alebo tlačenie ľahkých vozíkov). Pomalá chôdza po rovine.

Tab. 1 Triedy činností (vyhláška MZ SR č. 259/2008 Z. z.) [1]

Trieda práce	Operatívna teplota to (°C)		Prípustná rýchlosť prúdenia vzduchu va (m/s)	Prípustná relatívna rýchlosť vzduchu φ (%)
	optimálna	prípustná
0	22 – 26	20 – 27	≤ 0,2	30 až 70
1a	20 –24	18 – 26	≤ 0,2
1b	18 – 21	15 – 24	≤ 0,25
1c	15 – 20	12 – 22	≤ 0,3

Tab. 2 Optimálne a prípustné podmienky tepelno-vlhkostnej mikroklímy pre chladné obdobie roka (vyhláška MZ SR č. 259/2008 Z. z.) [1]

Teplota a relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu

Výsledky merania možno vyhodnotiť aj podľa odporúčanej teploty vnútorného vzduchu pre obytné budovy podľa STN EN 16798-1:2019 [2]. Normálnej úrovni očakávania vnútornej klímy zodpovedá II. kategória, uvedená v tab. 3.

Typ budovy	Kategória	Operatívna teplota (°C)
		Minimum na vykurovanie (zimné obdobie) 1,0 clo	Maximum na chladenie (letné obdobie) 0,5 clo
Obytné budovy, obytné miestnosti (spálne, kuchyne, obývacie miestnosti  a pod.) Sedavé činnosti ~ 1,2 met	I	21 – 25	23,5 – 25,5
	II	20 – 25	23 – 26
	II	18 – 25	22 – 27
	IV	17 – 25	21 – 28

Tab. 3 Rozsah operatívnej teploty pre obytné budovy (STN EN 16798-1:2019) [2]

V článku je zobrazené vyhodnotenie nameraných hodnôt podľa vyhlášky MZ SR č. 259/2008 Z. z. [1]. Treba však konštatovať, že rozsah hodnôt bol v oboch prípadoch približne rovnaký.

Kvalita vnútorného vzduchu

Odporúčané hodnoty a jednotlivé kategórie kvality vzduchu, s ktorými sa porovnávali namerané hodnoty, uvádza STN EN 16798-1:2019 [2]. Počítalo sa s už spomínanou kategóriou II. a s príslušnými hodnotami koncentrácie oxidu uhličitého vo vnútornom priestore (tab. 4).

Kategória	Úroveň CO2 nad vonkajšou úrovňou (ppm)
	Obývacie miestnosti	Spálne
I	550 (10)	380 (10)
II	800 (7)	550 (7)
II	1 350 (4)	950 (4)
IV	1 350 (4)	950 (4)

Tab. 4 Návrhová koncentrácia CO₂ nad hodnotou koncentrácie vo vonkajšom vzduchu (STN EN 16798-1:2019 – Tabuľka B.12) [2]
Pozn.: Hodnoty v zátvorkách znamenajú zodpovedajúce dávky vzduchu v l/s na osobu.

Sústavy vetrania rezidenčných objektov

Pod pojmom vetranie sa rozumie prívod vonkajšieho (čerstvého) vzduchu do vnútorného priestoru a odvod znehodnoteného vzduchu škodlivinami mimo tohto priestoru. Vetranie možno zabezpečiť prirodzeným alebo núteným spôsobom [3]:

Prirodzené vetranie

Pri prirodzenom vetraní nastáva výmena vzduchu v miestnosti v dôsledku pôsobenia prírodných síl, ktoré sa prejavujú ako dôsledok vonkajších klimatických podmienok. Ich účinkom sa medzi vonkajším a vnútorným prostredím vytvára tlakový rozdiel, vďaka ktorému dochádza k pohybu vzduchu. Ide o gravitačnú silu a sily vyvolané pôsobením vetra.

Vetranie na princípe využívajúcom gravitačné sily je založené na rozdiele hustôt vonkajšieho a vnútorného vzduchu, ktorý vyplýva z ich rozdielnych teplôt. Teplejší vzduch s menšou hustotou (mernou hmotnosťou) má tendenciu stúpať hore, chladnejší vzduch s vyššou hustotou, naopak, klesá smerom nadol.

Nútené decentrálne vetranie (lokálne vetracie jednotky)

Decentralizované vetranie pomocou lokálnych vetracích jednotiek je systém, ktorý sa používa na zabezpečenie vonkajšieho (čerstvého) vzduchu a odvodu znečisteného vzduchu priamo v obytných miestnostiach. Jeho princíp spočíva v tom, že sa používajú lokálne jednotky, ktoré sú umiestnené priamo v miestnostiach (konkrétne v ich obvodových stenách), kde je potrebné regulovať vzduch.

Tieto jednotky sú vybavené reverzibilným ventilátorom, filtrami a výmenníkom pre spätný zisk energie vo forme tepla alebo chladu. Množstvo vzduchu a intenzita výmeny vzduchu môžu byť riadené pomocou snímačov kvality vzduchu alebo prostredníctvom manuálnych ovládacích prvkov.

Niektoré z týchto jednotiek dokážu zabezpečiť súčasné prúdenie vzduchu von a dnu, iné fungujú na reverzný chod, pri ktorom striedavo prúdi vzduch zvonku dnu a zvnútra von. Tieto jednotky majú v porovnaní s centrálne riadeným vetraním niekoľko nevýhod v podobe hlučnosti, nízkej účinnosti rekuperácie a obmedzeného výkonu vetrania. Ich výhodou je inštalácia bez potreby realizácie vzduchových potrubí v objekte. Väčšina lokálnych jednotiek je určená pre jednu miestnosť, resp. menšiu plochu vetraného vnútorného priestoru.

Nútené centrálne vetranie

Charakteristický rozdiel medzi centrálnym a decentrálnym vetracím systémom spočíva v jeho konštrukcii. Centrálne vetracie systémy majú centrálnu vetraciu jednotku, ktorá smeruje vonkajší (čerstvý) vzduch do miestností prostredníctvom systému rozvodu vzduchu. Vetracia jednotka má dva ventilátory a výmenník tepla. Ventilátory sa používajú na prenos vzduchu privádzaného do budovy, ako aj vzduchu odvádzaného z budovy.

Oba prúdy vzduchu prechádzajú cez výmenník spätného zisku tepla/chladu vo vnútri vetracej jednotky. V chladnejších mesiacoch sa teplo z odvádzaného vzduchu odovzdáva vonkajšiemu vzduchu. Tento prevádzkový režim zabezpečuje, aby sa vetracím systémom z budovy odvádzalo čo najmenej tepla v zimnom období a čo najmenej chladu v letnom ročnom období.

Experimentálne merania

Dôležitým medzičlánkom medzi teóriou a jej uplatnením v praxi sú práve experimentálne merania. Vďaka nim môžeme zistiť rozdiely medzi predpokladmi, ktoré sme definovali v teórii, oproti skutkovému stavu. Prítomnosť týchto rozdielov je nevyhnutná − vždy existujú vplyvy na mikroklímu prostredia človeka, ktoré nevieme presne zadefinovať či už matematickou formuláciou, alebo fyzikálnou závislosťou.

Hodnotenie stavu vnútorného prostredia rodinných domov prostredníctvom experimentálních meraní sa aplikovalo na troch dispozične rozdielnych stavebných objektoch. V prvom rodinnom dome bolo zabezpečené len prirodzené vetranie. Druhý rodinný dom mal nútené decentrálne vetranie pomocou lokálnych vetracích jednotiek inštalovaných v obvodových stenách. Posledný rodinný dom mal realizovanú sústavu núteného centrálneho vetrania. Pri stanovení a meraní fyzikálnych veličín sa postupovalo v zmysle STN ISO 7726:2001 [4].

Metodika merania z hľadiska meraných veličín

V rodinných domoch s rôznym typom vetrania boli merané tieto fyzikálne veličiny:

• teplota vnútorného vzduchu v úrovni temena hlavy stojaceho človeka θ_{i,hlava,stoj.} (°C) meraná vo výške 1,70 m od podlahy,
• teplota vnútorného vzduchu v úrovni temena hlavy sediaceho človeka θ_i,hlava,sed. (°C) meraná vo výške 1,10 m od podlahy,
• teplota vnútorného vzduchu v úrovni torza sediaceho človeka θ_i,torzo,sed. (°C) meraná vo výške 0,60 m od podlahy,
• teplota vnútorného vzduchu v úrovni členkov človeka θ_i,členky (°C) meraná vo výške 0,10 m od podlahy,
• relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu v úrovni temena hlavy stojaceho človeka φ_{i,hlava,stoj.} (%) meraná vo výške 1,70 m od podlahy,
• relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu v úrovni temena hlavy sediaceho človeka φ_i,hlava,sed. (%) meraná vo výške 1,10 m od podlahy,
• relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu v úrovni členkov človeka φ_i,členky. (%) meraná vo výške 0,10 m od podlahy,
• koncentrácia CO₂ vo vnútornom vzduchu v úrovni temena hlavy stojaceho človeka Q_{i,hlava,stoj.} (ppm) meraná vo výške 1,70 m od podlahy,
• koncentrácia CO₂ vo vnútornom vzduchu v úrovni temena hlavy sediaceho človeka Q_i,hlava,sed. (ppm) meraná vo výške 1,10 m od podlahy,
• koncentrácia CO₂ vo vnútornom vzduchu v úrovni členkov človeka Q_i,členky. (ppm) meraná vo výške 0,10 m od podlahy,
• rýchlosť prúdenia vnútorného vzduchu v úrovni temena hlavy stojaceho človeka v_{i,hlava,stoj.} (m/s) meraná vo výške 1,70 m od podlahy,
• rýchlosť prúdenia vnútorného vzduchu v úrovni torza sediaceho človeka v_i,torzo,sed. (m/s) meraná vo výške 0,60 m od podlahy
• a ďalšie fyzikálne veličiny, ktoré však neboli predmetom hodnotenia v tejto práci.

Metodika merania z hľadiska použitých meracích prístrojov

Na meranie uvedených fyzikálnych veličín bola použitá univerzálna prístrojová zostava zn. Testo 400 [5] s týmito meracími sondami:

• sonda na meranie turbulencie (vrátane rýchlosti a teploty vzduchu)
  • merací rozsah: 0 − 5 m/s; 0 − 50 °C; 700 – 1 100 hPa;
  • merná jednotka: m/s; °C, hPa;
  • presnosť: ± 0,03 m/s; ± 0,5 °C, ± 3,0 hPa;
  • rozlíšenie: 0,01 m/s; 0,1 °C, 0,1 hPa;
  • rozmery: 400 × 90 × 90 mm;

• guľová sonda ø150 mm na meranie výslednej teploty
  • merací rozsah: 0 − 120 °C;
  • merná jednotka: °C;
  • presnosť: ± 0,1 °C;
  • rozmery: 250 × 150 × 150 mm;

• sonda CO₂ vrátane teplotného a vlhkostného senzoru
  • merací rozsah: 0 – 10 000 ppm; 0 − 50 °C; 5 − 95 %rF; 700 − 1 100 hPa;
  • merná jednotka: ppm; °C; %rF; hPa;
  • presnosť: ± 100 ppm; ± 0,5 °C; ± 2 %rF; ± 3,0 hPa;
  • rozlíšenie: 1 ppm; 0,1 °C; 0,1 %rF; 0,1 hPa;
  • rozmery: 295 × 50 × 40 mm.

V rámci samotného meracieho miesta boli jednotlivé meracie sondy rozmiestnené podľa obr. 1. 

Metodika merania z hľadiska meracieho miesta

Experimentálne merania boli realizované v troch rodinných domoch s odlišným spôsobom vetrania v meste Trnava (obr. 2), konkrétne na Traťovej a Bežeckej ulici. Merania prebiehali pri reálnych prevádzkových podmienkach.

Metodika merania z hľadiska času merania

Merania boli zrealizované v rôznych dňoch, a to:

• rodinný dom č. 1 (centrálne vetranie): 5. − 7. 1. 2023 so začiatkom o 18:12 h a s koncom merania o 17:52 h s intervalom merania každých 5 min,
• rodinný dom č. 2 (prirodzené vetranie): 21. − 24. 12. 2022 so začiatkom o 19:52 h a s koncom merania o 9:27 h s intervalom merania každých 5 min,
• rodinný dom č. 3 (decentrálne vetranie): 17. − 19. 12. 2022 so začiatkom o 14:17 h a s koncom merania o 20:52 h s intervalom merania každých 5 min.

Merania sa realizovali pri podobných vonkajších klimatických podmienkach počas všetkých troch dní.

Výsledky merania

Ďalej uvádzame graficky spracované dátové výstupy jednotlivých meraných fyzikálnych veličín, z dôvodu veľkého množstva spracovaných dát ide o výber charakteristických veličín.

Teplota vnútorného vzduchu

Výsledky pri prirodzenom vetraní ukazujú obr. 3 a 4. Nútené decentrálne vetranie je zhrnuté na obr. 5 a 6 a nútené centrálne vetranie na obr. 7 a 8. 

Relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu

Výsledky pri prirodzenom vetraní ukazujú obr. 9 a 10. Nútené decentrálne vetranie je zhrnuté na obr. 11 a 12 a nútené centrálne vetranie na obr. 13 a 14.

Kvalita vnútorného vzduchu (koncentrácia CO₂)

Výsledky pri prirodzenom vetraní ukazujú obr. 15 a 16. Nútené decentrálne vetranie je zhrnuté na obr. 17 a 18 a nútené centrálne vetranie na obr. 19 a 20.

Analýza výsledkov a diskusia

Rodinný dom č. 1 – nútené centrálne vetranie

Ako najlepšie riešenie z hľadiska kvalitnej vnútornej mikroklímy vychádza jednoznačne centrálne vetranie. Teplota vnútorného vzduchu sa počas celého obdobia merania držala na hodnotách od 21,6 °C do 24,0 °C, teda v optime, celé meranie nevykazovalo žiadnu výchylku. Relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu má takmer konštantnú krivku s hodnotami od 37,9 % do 44,9 %, čiže človek nie je vystavovaný zmenám vlhkosti vnútorného vzduchu.

Koncentrácia CO₂ vo vnútornom vzduchu vyšla pri centrálnom vetraní v každom momente pod hodnotou 1 000 ppm, čo je odporúčaná hodnota. V takejto miestnosti, kde je zdraviu prospešné ovzdušie vďaka zabezpečenej výmene vzduchu, sa budú ľudia cítiť príjemne.

Rodinný dom č. 2 – prirodzené vetranie

Pri prirodzenom vetraní sa odsledovalo, že teplota vnútorného vzduchu sa drží väčšinu času v optimálnych hodnotách medzi 20,0 °C až 24,0 °C. Keď sa však v noci v zime otvorilo okno, nastal veľký skok a teplota rapídne klesla až pod hodnotu 18,0 °C. Z hľadiska relatívnej vlhkosti vzduchu sa hodnoty držali medzi 30 % až 70 %, čo sú veľmi vyhovujúce výsledky.

Vlhkosť však takisto reagovala na nočné otvorenie okna a rýchlo klesla na hodnotu 43,6 %, pričom počas dňa sa držala na hodnotách cca 57 %. Problémom pri prirodzenom vetraní je hlavne kvalita vnútorného vzduchu, ktorá iba v jeden deň klesla pod 1 000 ppm, inak sa stále držala vo veľmi vysokých hodnotách s maximom až skoro 3 000 ppm. Takéto vysoké hodnoty už znižujú kvalitu života v obytných miestnostiach a ľudia môžu často pociťovať bolesti hlavy a zníženú koncentráciu.

Rodinný dom č. 3 – nútené decentrálne vetranie

Priebeh teploty vnútorného vzduchu a ani relatívna vlhkosť vzduchu pri decentrálnom vetraní nie sú vyhovujúce. Obe tieto merané veličiny prekročili optimálne hodnoty definované právnym predpisom. Teplota stúpla až na 28,0 °C v zimnom období a celkovo je jej medián na hodnote 23,9 °C, čo je pomerne vysoké číslo. Relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu má, naopak, veľmi nízke hodnoty. Jej minimum je iba 21,9 %, čo môže mať za následok aj zdravotné riziká, ako napríklad pocit suchosti slizníc dýchacích ciest alebo očí.

Vyzdvihnúť sa musí kvalita vnútorného vzduchu, ktorá je pri decentrálnom vetraní viditeľne lepšia ako pri prirodzenom vetraní, hoci tiež nastala situácia, keď hodnoty merania stúpli až nad 1 000 ppm. Neprekročili ich však o vysokú hodnotu, stále boli v hranici odporučenej maximálnej úrovne CO₂ vo vnútorných priestoroch, preto sa tento typ vetrania môže zaradiť medzi optimálne z hľadiska kvality ovzdušia, nie však z hľadiska dlhodobého udržania teploty vnútorného vzduchu alebo jeho relatívnej vlhkosti.

Záver

Vzhľadom na dôležitosť vplyvu tepelného a vlhkostného prostredia na pohodu a zdravie obyvateľov sa práca zamerala na hodnotenie týchto faktorov v rodinných domoch s rôznymi systémami vetrania. Výsledky jasne ukázali, že typ sústavy vetrania má významný vplyv na pocitovo vnímanú tepelnú pohodu a kvalitu vzduchu vo vnútornom prostredí.

V rodinných domoch s prirodzeným vetraním sa zistilo, že teplota vnútorného vzduchu a aj relatívna vlhkosť sa držia v optimálnych hodnotách, sú však veľmi citlivé na výchylky, napríklad pri otvorení okna, čo môže negatívne ovplyvniť komfort obyvateľov.

Decentrálne vetranie sa prekvapivo javí ako menej efektívny spôsob udržiavania stabilných tepelno-vlhkostných podmienok oproti prirodzenému vetraniu a výsledky boli mimo očakávaných optimálnych hodnôt. Naopak, rodinné domy s centrálnym núteným vetraním poskytujú najstabilnejšie prostredie, môžu však byť nákladnejšie na prevádzku a údržbu.

Ďalej možno konštatovať, že kvalita vnútorného vzduchu meraná vzhľadom na koncentráciu CO₂ sa zlepšuje s efektívnejším systémom vetrania. To znamená, že správne navrhnuté a správne používané vetranie môže zlepšiť nielen tepelnú pohodu, ale aj celkovú kvalitu života ľudí v interiéri.

Tieto zistenia majú preto praktický význam pre návrh a optimalizáciu systémov vetrania s cieľom zlepšiť komfort života v rezidenčných stavebných objektoch.

Prácu podporila Agentúra na podporu výskumu a vývoja SR v rámci projektu APVV-21-0144.

TEXT+FOTO: Bc. Karolína Gábrišová, doc. Ing. Zuzana Straková, PhD.
ILUSTRAČNÉ FOTO: Shutterstock

Článok bol uverejnený v časopise TZB 3/2024