Personalizované vetranie v budovách

Prvým a najdôležitejším krokom pri zlepšovaní kvality ovzdušia v interiéri je odstrániť alebo obmedziť zdroje znečistenia na minimum [1]. To možno dosiahnuť používaním materiálov s nízkymi emisiami. Nie je však možné odstrániť všetky zdroje znečistenia, preto musí byť ďalším krokom návrh prirodzeného alebo núteného vetrania. 

Pri súčasnom trende extrémne vzduchotesných nových a obnovených budov je čoraz častejšie potrebné prevádzkovať nútené vetranie aspoň časť roka. Tradičné systémy ako zmiešavacie a vztlakové vetranie sa zameriavajú na vetranie celého objemu miestnosti. Čistý chladný vzduch sa dodáva ďaleko od inhalačnej zóny užívateľov, a kým dosiahne dýchaciu zónu, zmieša sa so znečisteným vzduchom v miestnosti. Preto je vdychovaný vzduch čiastočne znečistený a teplý. Okrem toho treba dodať energiu na vetranie celého objemu miestnosti vrátane priestorov, ktoré nie sú obsadené, čím sa zvyšujú náklady na prevádzku [2]. Alternatívou k tradičným systémom sa stáva personalizované vetranie, ktoré umožňuje dodať čerstvý vzduch priamo do inhalačnej zóny užívateľov [3].

Vedecké štúdie preukázali, že tento spôsob vetrania má potenciál zlepšiť pociťovanú kvalitu vzduchu a tepelnú pohodu užívateľov, a tým aj ich výkonnosť [3, 4, 5]. Zároveň cielené dodávanie vzduchu do inhalačnej zóny môže znížiť spotrebu energie na vetranie a chladenie [6, 7] a účinne chrániť ľudí pred krížovou infekciou [4, 8, 9]. Nevýhodou tohto systému sú vyššie investičné náklady ako pri centrálnom vetraní. Náklady sa ešte zvýšia v prípadoch, keď sa personalizovaný systém kombinuje s centrálnym zmiešavacím alebo vztlakovým systémom. Napriek tomu môže byť personalizované vetranie výhodnou alternatívou, pretože vyššia investícia je kompenzovaná úsporou energie na chladenie v lete, vyššou účinnosťou vetrania a najmä zvýšenou výkonnosťou zamestnancov [5, 7, 10, 11].

Princíp a návrh personalizovaného vetrania

Personalizovaný vetrací systém je vhodný najmä do kancelárskych priestorov, kde sa užívatelia zdržiavajú väčšinu času na svojom pracovnom mieste. Umožňuje individuálne nastaviť preferovanú teplotu, miestnu rýchlosť prúdenia vzduchu, prípadne smer prúdenia vzduchu, čo zvyšuje spokojnosť užívateľov s ich pracovným prostredím. Distribučný prvok, ktorý je pod kontrolou používateľa, je umiestnený blízko tváre. Čistý vzduch smeruje do tváre, takže osoba môže vdychovať vzduch v neznečistenom jadre prívodného prúdu. V ideálnom prípade by mal distribučný prvok umožniť zmenu smeru prúdenia vzduchu, aby sa zohľadnili účinky vztlaku a preferencie užívateľov [12].

Obr. 1 Personalizované vetranie pomocou dýzy [15]

Prúd vzduchu dokáže zároveň ochladiť hlavu a zvýšiť tepelnú pohodu v lete [13]. Príklad personalizovaného vetrania je na obr. 1, ktorý znázorňuje typický profil rýchlosti pri voľnom prúde vychádzajúcom z kruhovej dýzy. Hlavný prúd čerstvého vzduchu so sebou strháva znečistený okolitý vzduch a následne sa s ním zmiešava. Toto strhávanie teplého a znečisteného okolitého vzduchu treba v maximálnej možnej miere eliminovať, aby sa zabezpečil prívod čerstvého nezmiešaného vzduchu priamo do dýchacej zóny. To možno dosiahnuť precíznym návrhom výustky.

Výustky na personalizované vetranie môžu mať rôzny dizajn. Obvykle umožňujú riadenie prietoku vzduchu a niektoré aj kontrolu smeru prúdenia. Na obr. 2 sú znázornené niektoré príklady – dve malé výustky umiestnené v zadných rohoch stola (PEM), dve lineárne mriežky umiestnené na okraji pracovného stola (HDG), vertikálna mriežka smerujúca na užívateľa (VDG), výustka s obdĺžnikovým alebo kruhovým otvorom namontovaným na pohyblivom ramene (MP) či plochý distribučný prvok namontovaný na vrchu počítačového monitora umožňujúci zmenu prúdenia vzduchu vo vertikálnej rovine (CMP) [12]. Pri výustkách s veľkou výstupnou plochou sa ukázalo, že obdĺžnikový tvar je vhodnejší ako kruhový. Pri výustkách so strednými a malými výstupnými plochami je efektívnejší kruhový tvar ako obdĺžnikový [13].

Obr. 2 Personalizované vetranie na pracovnom mieste
a) možné tvary a umiestnenie výustiek [12], b) príklad výustky [16]

Personalizované vetranie vedie k zvýšenej rýchlosti prúdenia vzduchu v oblasti tváre. Aby všetok čerstvý vzduch prenikol do tvárovej časti, Melikov [12] odporúča priemernú rýchlosť 0,3 m/s. Novšia štúdia uvádza, že na preniknutie chladného vzduchu cez tepelnú hraničnú vrstvu v okolí ľudského tela do inhalačnej zóny postačuje rýchlosť prúdenia len 0,175 m/s [14]. Podľa ďalšej štúdie [11] je rozsah vhodných rýchlostí na základe osobných preferencií užívateľov od 0,1 do 1,3 m/s, no v praxi môžu ľudia najmä v letných mesiacoch uprednostniť aj vyššiu rýchlosť. Spočiatku sa vedci domnievali, že vyššia rýchlosť prúdenia by mohla spôsobovať suchosť očí, pier či nosa [13].

Zistilo sa, že zvýšená frekvencia žmurkania v súvislosti s použitím personalizovaného vetrania vzniká pri rýchlosti vyššej ako 1 m/s z dôvodu, aby sa zachovala rovnováha pri zvlhčení rohovky počas očnej aktivity. Tento vplyv sa však považuje za zanedbateľný pri vizuálne náročných úlohách, medzi ktoré patrí aj počítačová práca. Okrem toho sa zmena vo frekvencii žmurkania a prípadný pocit suchosti očí pripisujú očnej aktivite aj použitiu počítačového monitora. Naopak, chladný personalizovaný prúd čistého vzduchu zlepšil stabilitu slzného filmu pri vysokej teplote vzduchu v miestnosti (28 °C) [17].

Odporúčania v súvislosti s návrhom personalizovaného vetracieho systému

Z laboratórnych štúdií a praktických aplikácií možno odvodiť niekoľko odporúčaní týkajúcich sa návrhu personalizovaného vetracieho systému. Mal by sa privádzať vzduch s nízkou turbulenciou, preto majú koncové distribučné prvky generovať prietok s rovnomerným rýchlostným profilom a nízkou počiatočnou mierou turbulencie. Koncový distribučný prvok by mal mať čo najširší kruhový alebo štvorcový prierez. Koncový distribučný prvok by mal umožňovať riadenie rýchlosti a smeru personalizovaného prietoku. Preferuje sa prietok vzduchu z čelnej strany proti čelnej ploche.

Aby sa dosiahla vysoká účinnosť, hybnosť toku privádzaného vzduchu musí byť dostatočná na zabezpečenie prieniku čerstvého privádzaného vzduchu cez voľný konvekčný tok vzduchu okolo ľudského tela. To znamená, že minimálna rýchlosť v oblasti tváre by nemala byť nižšia ako 0,175 m/s, pričom maximálna rýchlosť preferovaná jednotlivcami môže byť až 1,5 m/s, najmä pri teplotách vzduchu v miestnosti nad 26 °C. Personalizované vetranie kombinované so zmiešavacím systémom vetrania je výhodnejšie ako samotný zmiešavací systém vetrania vzhľadom na pohodlie užívateľov a ochranu pred infekciami [12].

Príklady personalizovaného vetrania

Medzi zaujímavé aplikácie personalizovaného vetrania patrí systém LVPV s nízkou rýchlosťou prúdenia (obr. 3). Je navrhnutý tak, aby využíval polohu, v ktorej je hlava alebo telo v prirodzenom kontakte s povrchmi, ako sú podhlavníky, opierky hlavy či vankúše. Vetrací systém je navrhnutý ako vankúš na podporu krku, čím poskytuje vysokú ochranu pred krížovou infekciou. Takýto dizajn sa uplatní najmä v lietadle alebo v iných dopravných prostriedkoch [8].

Obr. 3 LVPV personalizovaný vetrací systém s nízkou rýchlosťou prúdenia [8]

Na obr. 4 je znázornené využitie personalizovaného prívodu a odvodu vzduchu v zdravotníckych zaradeniach, kde počas vyšetrenia prichádza infikovaná osoba do kontaktu so zdravou osobou. Kombinovaný systém prívodného a odvodného vetrania je schopný chrániť zdravú osobu dodávaním čistého vzduchu do dýchacej zóny, pričom sa zároveň odsáva vzduch v oblasti ramien infikovanej osoby. Takýmto návrhom možno dosiahnuť zníženie expozície škodlivín v porovnaní s klasickým zmiešavacím vetraním až o 81 % [18].

Obr. 4 Kombinované prívodné a odvodné personalizované vetranie [18]
1 – voľný konvekčný tok, 2 – vzduch vydychovaný infikovanou osobou, 3 – personalizovaný prívod vzduchu, 4 – personalizovaný odvod vzduchu, 5 – klasický zmiešavací vetrací systém

Na obr. 5 je znázornený kancelársky stôl s integrovaným personalizovaným vetraním, ktorý umožňuje zmenu smeru prúdenia vzduchu počas prevádzky s časovou frekvenciou podľa preferencie užívateľa. Stôl s integrovanými vzduchovodmi a ovládaním umožňuje vetranie 100 % vonkajším vzduchom, 100 % recirkulovaným vzduchom alebo zmesou vonkajšieho a recirkulovaného vzduchu v pomere nastavenom užívateľom [19].

Obr. 5 Pracovný stôl s integrovaným personalizovaným vetraním
a) prvky, b) usporiadanie vzduchových kanálov (pripojenie k hlavnému vetraciemu systému) [19]
1 – pracovný stôl, 2 – polica, 3 – stolové nohy, 4 – stredná polica, 5 – horná polica, 6 – vertikálna mriežka, 7 – podpora, 8 – ovládací panel, 9 – koleno, 10 – koncový distribučný prvok

Najnovšia vedecká štúdia predstavuje cieľový personalizovaný systém vetrania tvorený multivýustkou, ktorá sa skladá z 12 malých výustiek (obr. 6a). Koncept tohto typu vetrania bol inšpirovaný streľbou na terč (obr. 6b). Strelec, ktorý zasiahne cieľ, dostane skóre, strelec, ktorý minie cieľ, nedostáva žiadne skóre. Dvanásť malých výustiek bolo podľa tohto princípu nastavených tak, aby čo najefektívnejšie privádzali vzduch do zóny ramien a hlavy a aby zároveň čo najmenej vzduchu smerovalo mimo tejto oblasti (obr. 6c). Prívod vzduchu cez takúto multivýustku prináša rovnomerné prietokové pole s rýchlosťou vzduchu 0,3 m/s. V porovnaní s inými personalizovanými systémami je potenciál úspory energie až 53 %.

Obr. 6 Koncept cieľového personalizovaného vetrania
a) multivýustka, b) strelecký terč slúžiaci ako inšpirácia, c) cielená zóna dodávania vzduchu [20]

Na obr. 7 je zobrazená rýchlosť prúdenia vzduchu z novej multivýustky v porovnaní s tradičnými výustkami. V prípade tradičných výustiek (a), (b) a (c) je prietokové pole nerovnomerné a osová rýchlosť je pomerne vysoká. V prípadoch (d) a (e) pokrýva prúd vzduchu väčšiu plochu, no nerovnomernosti v prietokovom poli a vyššia osová rýchlosť zostávajú. V prípade novej výustky (f) je prietokové pole rovnomernejšie a prúd vzduchu pokryje väčšiu oblasť ľudského tela, v dôsledku čoho má tento systém potenciál zabezpečiť vyšší komfort a úsporu energie [20].

Obr. 7 Porovnanie rýchlostí rôznych výustiek personalizovaného vetrania [20]

Záver

Personalizovaný vetrací systém predstavuje príležitosť na zlepšenie kvality vzduchu, a to najmä v kancelárskych priestoroch. Môže zvýšiť spokojnosť používateľov s okolitým prostredím, čo vedie k vyššej produktivite zamestnancov. Zníženie prietoku vzduchu vďaka vyššej účinnosti vetrania zároveň priaznivo ovplyvňuje spotrebu energie, keďže sa čerstvý chladný vzduch dodáva priamo do pracovnej zóny užívateľa. Otázkou zostáva, či sa má personalizované vetranie používať ako jediný systém vetrania v miestnosti alebo ho treba kombinovať so zmiešavacím či vztlakovým vetraním.

Personalizované vetranie slúži v súčasnosti zvyčajne ako doplnkový systém s cieľom zvýšiť komfort užívateľa, pričom sa kombinuje s klasickými vetracími systémami. Takéto spojenie dvoch systémov tvorí kompromis medzi úsporou energie a investičnými nákladmi na jednej strane a komfortom a kvalitou privádzaného vzduchu na druhej strane. Výskum však naznačuje, že personalizované vetranie môže úspešne fungovať aj samostatne [21], preto sa v budúcnosti bude možno viac využívať aj ako samostatný systém vetrania v priestore.

Ing. Miroslava Kmecová, doc. Ing. Michal Krajčík, PhD., doc. Ing. Ondřej Šikula, PhD.
Miroslava Kmecová a Michal Krajčík pôsobia na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave. Ondřej Šikula pôsobí v Ústave technických zariadení budov Stavebnej fakulty VUT v Brne.
Recenzovala: doc. Ing. Zuzana Straková, PhD.

Obrázky: autori, isifa/Shutterstock

Táto práca bola podporovaná Vyšehradským fondom (V4EAP), Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. DS-2016-0030 a Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0807/17. Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt: Kompetenčné centrum inteligentných technológií pre elektronizáciu a informatizáciu systémov a služieb, ITMS: 26240220072 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra

1. MELIKOV, A. et al.: Personal Ventilation: from research to practical use. In: Proceedings of Clima 2007 WellBeing Indoors. Helsinki, 2007.
2. CONCEICAO, Z. et al.: Evaluation of comfort level in desks equipped with two personalized ventilation systems in slightly warm environments. Building and Environment. 2010, 45, 601 – 609.
3. KACZMARCZYK, J. et al.: Human response to personalized ventilation and mixing ventilation. Indoor Air. 2004, 14, 250 – 263. 
4. ŚCISŁO, N. et al.: Personal Ventilation Modeling Using a CFD Analysis. World scientific News. 2016, 57, 426 – 435. 
5. KACZMARCZYK, J. et al.: The effect of a personalized ventilation system on perceived air quality and SBS symptoms. In: Proceedings: Indoor Air 2002. 2002.
6. SCHIAVON, S. et al.: Energy-saving strategies with personalized ventilation in cold climates, Energy and Buildings. 2009, 41, 543 – 550. 
7. KRAJČÍK, M. et al.: Energy Saving Potential of Personalized Ventilation Applied in an Open Space Office under Winter Conditions, Applied Mechanics and Materials. 2017, 861, 417 – 424. 
8. NIELSEN, P. V. et al.: The influence of draught on a seat with integrated personalized ventilation. In: Indoor Air 2008. Copenhagen, 2008.
9. PANTELIC, J. et al.: Effectiveness of a personalized ventilation system in reducing personal exposure against directly released simulated cough droplets. Indoor Air. 2015, 25(6), 683 – 693.
10. MAZANEC, V. a et al.: The Personal Ventilation System with Air Temperature Customization Using a Peltier Effect. In: CLIMA 2016 – proceedings of the 12th REHVA World Congress. Aalborg, 2016.
11. MELIKOV, A. et al.: Use of personalized ventilation for improving health, comfort, and performance at high room temperature and humidity. Indoor Air. 2012, 23, 250 – 263. 
12. MELIKOV, A. K. a et al.: Personalized ventilation. Indoor Air. 2004, 14(7), 157 – 167. 
13. NIU, J. et al.: Experimental study on a chair-based personalized ventilation system. Building and Environment. 2007, 42, 913 – 925. 
14. XU, CH. et al.: Impacts of airflow interactions with thermal boundary layer on performance of personalized ventilation. Building and Environment. 2018, 135, 31 – 41. 
15. 1KHALIFA, H. E. et al.: Experimental investigation of reduced-mixing personal ventilation jets. Building and Environment. 2009, 44, 1551 – 1558. 
16. https://www.isiaq.org/docs/sponsor%20material/Exhausto/EXHAUSTO%20Personalized%20Ventilation.pdf.
17. LIPCZYNSKA, A. et al.: Impact of personalized ventilation combined with chilled ceiling on eye irritation symptoms. In: Proceedings of the 13th International Conference on Air Distribution in Rooms: Roomvent2014. Sao Paulo, 2014.
18. YANG, J. et al.: Performance evaluation of a novel personalized ventilation–personalized exhaust system for airborne infection control. Indoor Air. 2014, 25(2), 176 – 187. 
19. KALMÁR, F.: Innovative method and equipment for personalized ventilation. Indoor Air. 2015, 25, 297 – 306. 
20. GAO, R. et al.: A novel targeted personalized ventilation system based on the shooting concept. Building and Environment. 2018, 135, 269 – 279. 
21. LIPCZYNSKA, A. et al.: Performance of personalized ventilation combined with chilled ceiling in an office room: inhaled air quality and contaminant distribution. In: Proceedings of Indoor Air, 2014.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 3/2018.