VÝMĚNA VZDUCHU A INTERIÉROVÁ POHODA PROSTŘEDÍ VAVERKA J. Fakulta architektury VUT v Brně, Poříčí 5, 639 00 Brno
Úvod Jedním ze základních požadavků k zabezpečení hygienicky vyhovujícího stavu vnitřního prostředí je výměna vzduchu v místnostech majících charakter trvalého pobytu lidí. Ze zkušenosti je známo, že v uzavřených a nedostatečně větraných prostorách se vzduch znehodnocuje. Je to způsobené zvyšující se koncentrací CO2, vodními parami jako vedlejším produktem pobytu lidí, ale i kouřem a uvolňováním škodlivin při pracovních a uživatelských procesech. Z uvedených důvodů jsou nejen hygienickými předpisy, ale i normami předepsány požadované minimální výměny vzduchu v závislosti na druhu činnosti v příslušných místnostech, resp. rámcově na druhu objektu. Příspěvek se zabývá nejen výpočtovými postupy pro určení požadované výměny vzduchu, ale i specifikací faktorů, které tento atribut významně ovlivňují, a o jak v úrovni České republiky, tak i v zahraničí, zejména ve vazbě na evropské normy.
Vzduchová propustnost materiálů, spar a styků obvodových konstrukcí Odděluje-li konstrukce vzduchové prostředí s různým tlakem, dochází k proudění vzduchu směrem od vyššího tlaku k nižšímu za těchto předpokladů: - materiál, ze kterého je konstrukce vyrobena, je pórovitý a tyto jsou vzájemně propojeny (vzduchová propustnost látek), - styky a spáry v konstrukci, které propouštějí vzduch, jsou netěsné (spárová infiltrace, exfiltrace). Vzduchová propustnost materiály Na obrázku 1 je vyznačena propustnost vzduchu různými látkami, když na ose x je rozdíl tlaku vzduchu z jedné a druhé strany konstrukce (∆p) a na ose y hmotnostní tok vzduchu (qm), který proudí danou látkou.
Obr. 1. Charakteristické křivky vzduchové propustnosti různými materiály. -
Provedeme-li analýzu jednotlivých závislostí, pak je možno konstatovat následující: křivka 1 je charakteristická pro materiály, které mají homogenní strukturu a póry jsou přibližně stejné velikosti (porobeton). Úsek křivky od bodu 0 do A je přímkový, což znamená, že jde o laminární pohyb vzduchu v pórech. Od bodu A (křivka druhého stupně) se šíří vzduch přechodným druhem proudění. Hranice mezi laminárním a přechodným prouděním je definována kritickým tlakovým spádem dle vztahu
∆p k = kde -
(
∆pmax Pa.m −1 d
)
(1)
∆pmax je maximální rozdíl tlaku vzduchu, v Pa, d tloušťka konstrukce (materiálu), v m, křivka 2 charakterizuje materiály s póry o různých velikostech. Vzhledem ke tvaru křivky je možno konstatovat, že vzduch proniká látkou přechodovým a turbulentním prouděním již při malých hodnotách ∆p, křivka 3 charakterizuje materiály, kterými vzduch proniká jen nepatrně (dřevo, cementová malta), a to laminárním prouděním, křivka 4 charakterizuje vlhké materiály. Vzduch začne pronikat materiálem až při určitém minimálním tlakovém spádu ∆pmin, který je potřebný pro překonání povrchového napětí vody, vyskytujícího se v pórech látky. Čím je látka vlhčí, tím větší je potřebný tlakový rozdíl ∆pmin.
IUAPPA Praha 2000
90
Section: A
Vaverka J.: Výměna vzduchu a interiérová pohoda prostředí Materiály, které nejsou pórovité, resp, které nemají póry a kapiláry vzájemně spojené, nepropouští vzduch, to znamená, že součinitel hmotnosti vzduchové propustnosti εm = 0.
Infiltrace vzduchu spárami ve vnějších konstrukcích Pro kvantifikaci vzduchové propustnosti spar a styků, která se vyjadřuje pomocí objemového toku vzduchu spárou, lze použít vztah
(
Vinf = iLV ⋅ L ⋅ ∆p n m3 .s −1 kde
Vinf iLV L ∆p n
)
(2)
3 -1
objemový tok vzduchu, v m .s , součinitel spárové provzdušnosti, v m3. m-1s-1.Pa-m, délka spáry, v m, rozdíl tlaku vnějšího a vnitřního vzduchu, exponent, který se určí měřením, pohybuje se v intervalu 0,5 < n < 0,85 (nejčastěji 0,67). Tento exponent je závislý na poměru objemového toku a V · § log V ¸ ¨ i LV ¸ ¨ . tlakového rozdílu ¨ n = log ∆p ¸ ¸¸ ¨¨ ¹ © Stanovení množství objemového toku infiltrovaného vzduchu je velmi obtížné a v různých situacích je v jiných dimenzích. Významně závisí na součiniteli spárové provzdušnosti styku okna - ostění, křídla - rámu okna, zasklení, příslušných délkách spar a příslušného exponentu těsnícího profilu n. Dominující faktor při určení infiltrovaného objemového množství vzduchu je styková spára křídla a rámu okna, neboť ostatní složky Vinf jsou konstrukčními opatřeními (těsnění spáry mezi rámem a ostěním pěněným polyuretanem, trvale pružný tmel u zasklení) eliminovány. V tabulce 1 jsou uvedeny normové a výpočtové hodnoty součinitele prostupu tepla a součinitele spárové průvzdušnosti dle ČSN 73 0540-3/1997. Významným faktorem ovlivňujícím součinitele spárové průvzdušnosti je tlak větru označovaný wo. U oken širšího uplatnění se doporučuje uvažovat se základním tlakem větru wo = 0,55 k.N.m-2. Tabulka 3 nám udává iLV,max pro spáru mezi rámem a křídlem okna v závislosti na výšce budovy (okna). Položka Druhy oken Normové hodnoty Výpočtová hodnota Součinitel Součinitel součinitele prostupu tepla spárové kok,n průvzdušnosti prostupu tepla kok,p W.m-2.K-1 iLV = 10-4 m2.s-1.Pa-n W.m-2.K-1 1 2 3 4 5 Okna dřevěná, kombinovaná a z plastů 1 Jednoduchá okna 1.1 s jedním sklem 4,5 1,9 5,2 1.2 s přídavným sklem v rámečku z plastu nebo 2,6 1,9 3,0 kovu (sdružené křídlo 1.3 s izolačním dvojsklem bez selektivní vrstvy 2,5 1,9 2,9 1.4 s izolačním dvojsklem se selektivní vrstvou 1,8 1,9 2,1 1.5 s izolačním dvojsklem bez selektivní vrstvy a 1,9 1,9 2,2 s přídavným sklem v rámečku z plastu nebo kovu (sdružené křídlo) 1.6 s izolačním trojsklem 1,8 1,9 2,1 2 Zdvojená okna 2.1 se dvěma skly 2,4 1,4 2,8 2.2 se třemi skly s izolačním dvojsklem na 1,7 1,4 2,0 vnitřní straně okna 2.3 se třemi skly, třetí sklo v rámečku mezi křídly 1,65 1,4 1,9 3 Dvojitá okna dřevěná, kombinovaná a z plastů 3.1 dvojitá, dvě skla 2,35 1,2 2,7 3.2 dvojitá, sklo jednoduché a dvojsklo 1,4 1,6
IUAPPA 2000
je
91
Section: A
Vaverka J.: Výměna vzduchu a interiérová pohoda prostředí
Okna kovová
4 Jednoduchá 4.1 s jedním sklem 4.2
s izolačním dvojsklem
4.3
s izolačním dvojsklem a přerušeným tepelným mostem 4.4 s izolačním dvojsklem, se selektivní vrstvou a přerušeným tepelným mostem 4.5 s izolačním trojsklem a přerušeným tepelným mostem 5 Zdvojená okna 5.1 se dvěma skly 5.2 se dvěma skly a přerušeným tepelným mostem 5.3 se třemi skly s izolačním dvojsklem na vnitřní straně okna a přerušeným tepelným mostem
5,65
1,9
6,5
3,9
1,9
4,5
3,2
1,9
3,7
2,35
1,9
2,7
2,5
1,9
2,8
3,3 2,8
1,4 1,4
3,8 3,2
2,4
1,4
2,8
Tab. 1. Normové a výpočtové hodnoty součinitele prostupu tepla a součinitele spárové průvzdušnosti. Výška použití oken nad terénem m 10 a nižší 20 30 40 50 60 70
Zatížení větrem wn kN.m-2 0,77 0,97 1,08 1,19 1,27 1,34 1,43
Součinitel výšky kw pro terén typu A 1,00 1,25 1,40 1,55 1,65 1,75 1,85
Tab. 2. Doporučené hodnoty zatížení větrem pro okna širšího uplatnění. Výška budovy (okna)1)H (m)
Tlakový rozdíl ∆p (Pa)
0≤H≤8 0 ≤ H ≤ 20 0 ≤ H ≤ 30 0 ≤ H ≤ 70
300 500 700 1000
Vytápěné prostory2)3)
Nevytápěné prostory3) qv max 4,11.10-3 5,46.10-3 6,44.10-3 7,16.10-3
iLVmax 0,9.10-4 0,85.10-4 0,8.10-4 0,7.10-4
qv min 1,83.10-3 2,57.10-3 2,42.10-3 3,07.10-3
iLV 0,4.10-4 0,4.10-4 0,3.10-4 0,3.10-4
Klimatizované prostory3)
qv max 2,74.10-3 3,54.10-3 4,03.10-3 4,09.10-3
iLV 0,6.10-4 0,55.10-4 0,5.10-4 0,4.10-4
qv max 0,91.10-3 1,15.10-3 1,21.10-3 1,02.10-3
iLV 0,2.10-4 0,18.10-4 0,15.10-4 0,1.10-4
1) Konstrukce oken umístěné ve výši nad 70 m je nutno posuzovat individuálně. 2) Okna použitá pro vytápěné prostory, v nichž je umístěn plynový spotřebič otevřený nebo spotřebič bez odtahu spalin, musí vyhovovat požadavkům uvedeným v čl. 72 ČSN 38 6441 „Odběrní plynová zařízení na svítiplyn a zemní plyn v budovách“ z 15.2.1980. 3) Hodnoty spárové průvzdušnosti qv min a qv max se uvádějí v m3.m-1.s-1. Hodnoty součinitele spárové průvzdušnosti i LV min a iLV max se uvádějí v m3.m-1.s-1.Pa-0,67. Tab. 3. Hodnoty spárové průvzdušnosti.
Výměna vzduchu v místnostech Dochází-li k infiltraci vzduchu spárami, a to jak u materiálů, tak zejména okny, je tím vyvolána výměna vzduchu v příslušných místnostech. Určující veličina vychází ze vztahu n=
kde
n Vn
IUAPPA 2000
je
3600 ⋅ Vinf 3600 ⋅ = Vn
¦ (i
LV
Vn
⋅ L ) ⋅ ∆p n
(h ) −1
(3)
výměna vzduchu při infiltraci, v h-1, objem vzduchu v místnosti, v m3. 92
Section: A
Vaverka J.: Výměna vzduchu a interiérová pohoda prostředí
Při praktických výpočtech je obtížné stanovit tlakový rozdíl ∆p v průběhu hodnocení (nestacionární stav). Za účelem predikce je tlakový rozdíl definován pomocí veličin B - charakteristické číslo budovy a M charakteristické číslo místnosti. Charakteristické číslo budovy B je závislé na rychlosti větru stanoveného dle polohy budovy v krajině (chráněná, nechráněná a velmi nepříznivá poloha) a na druhu budovy (řadové a osaměle stojící objekty). Charakteristické číslo místnosti M závisí na poměru průvzdušnosti oken a vnitřních dveří. Hodnota M má interval od 0,4 do 1,0. Potom vztah pro intenzitu výměny vzduchu lze upravit takto: n=
3600 ⋅
¦ (i
LV
⋅ L)⋅ B ⋅ M
(h ) −1
Vn
(4)
Doporučené hodnoty intenzity výměny vzduchu v místnostech ČSN 73 0540-2/1994 při přirozené infiltraci jsou následující: pro obytné místnosti obytných budov, nN = 0,5 h-1 pro občanské stavby a ostatní místnosti obytných budov, nN = 0,35 h-1 pro ostatní budovy. nN = 0,25 h-1
ve
smyslu
V nevytápěných místnostech lze počítat ve smyslu ČSN 06 0210/1994 s intenzitou výměny vzduchu: u místností sousedících převážně s vytápěnými místnostmi, nN = 0 u místností sousedících zčásti s vytápěnými místnostmi a zčásti s venkovním nN = 0,5 h-1 prostředím - bez venkovních dveří, u místností sousedících zčásti s vytápěnými místnostmi a zčásti s venkovním nN = 1,0 h-1 prostředím, s nímž jsou spojeny venkovními dveřmi, u místností sousedících převážně s venkovním prostředím - bez venkovních dveří, nN = 1,5 h-1 u místností sousedících převážně s venkovním prostředím, s nímž jsou spojeny nN = 2,0 h-1 venkovními dveřmi.
Předpisové požadavky v zahraničí Kompendium Evropské hospodářské komise (EHK) vydané v roce 1996 v New Yorku a Ženevě definovalo podmínky pro hygienicky optimální prostředí se zřetelem na větrání bytů a nebytových prostorů. Údaje jsou uvedeny v tab. 4 a 5. Větraný prostor
Byt jako celek Ložnice Obývací pokoj Kuchyně
Minimální výměna vzduchu za hodinu h-1 0,5 0,5 0,5 -
Nejmenší množství odsávaného vzduchu l.s-1 4 l.s-1.osoba-1 10
Koupelna, WC
-
10
Doplňkové požadavky
otevíravá okna otevíravá okna otevíravá okna nebo digestoř 50 l.s-1 otevíravá okna nebo mechanické větrání 30 l.s-1
Tab. 4. Požadavky na větrání bytů. Budova
Školské budovy Kolektivní ubytovny Kanceláře Zasedací místnosti Stravovací prostory Sportovní prostory Dílny
Výměna vzduchu v m3.h-1 Nekuřáci 18 18 18 18 22 25 40-60
Kuřáci 25 25 30 30 30 -
Tab. 5. Požadavky na větrání nebytových prostorů.
IUAPPA 2000
93
Section: A
Vaverka J.: Výměna vzduchu a interiérová pohoda prostředí Norma EN 832 „Thermal performance of buildings - Calculation of energy use for heating - Residential buildings“ vydaná v září 1998 svou přílohou F definuje údaje výměny vzduchu pro obytné a rodinné domy, které lze aplikovat při výpočtech potřeby tepla. Uvedené údaje jsou určeny při tlakovém rozdílu venkovního a vnitřního prostoru 50 Pa. Hodnoty výměny vzduchu v obytných budovách jsou stanoveny v závislosti na těsnosti budovy a stupni ochrany ochrany budovy proti větru. V následujícím tabelárním vyjádření jsou tyto faktory definovány včetně hodnot výměny vzduchu n. Množství výměny vzduchu při 50 Pa v (h-1) Úroveň vzduchotěsnosti pláště obytné domy rodinné domky méně než 2 méně než 4 vysoká od 2 do 5 od 4 do 10 střední více jak 5 více jak 10 nízká Tab. 6. Úroveň vzduchotěsnosti pláště. Stupeň ochrany budovy proti větru
velmi nepříznivá nechráněná chráněná
Více než jedna exponovaná stěna budovy Těsnost budovy nízká 1,2 0,9 0,6
střední 0,7 0,6 0,5
vysoká 0,5 0,5 0,5
Pouze jedna exponovaná stěna budovy Těsnost budovy nízká střední vysoká 1,0 0,6 0,5 0,7 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Tab. 7. Množství výměny vzduchu n, v h-1, u přirozeně větraných obytných budov při respektování vzduchotěsnosti pláště a stupně ochrany budovy proti větru. Stupeň ochrany budovy proti větru
velmi nepříznivá nechráněná chráněná
nízká 1,5 1,1 0,7
Těsnost budovy střední 0,8 0,6 0,5
vysoká 0,5 0,5 0,5
Tab. 8. Množství výměny vzduchu n, v h-1, u přirozeně větraných rodinných domů (jednobytových) při respektování vzduchotěsnosti pláště a stupně ochrany budovy proti větru.
Závěr Příspěvek předkládá odborné veřejnosti komplexní pohled na jeden z významných faktorů ovlivňujících hygienickou pohodu vnitřního prostředí - požadovaná výměna vzduchu n v komplexním pohledu k faktorům, které tento atribut významně ovlivňují. Je na místě konstatovat, že nadměrná výměna vzduchu výrazně ovlivňuje energetickou bilanci objektu, tedy její faktor spotřeby energie na vytápění. V kapitole 3.1. je uvedena diferenciace obytných objektů ve vztahu k dominujícím faktorům ovlivňujícím výměnu vzduchu (úroveň vzduchotěsnosti pláště, stupeň ochrany budovy proti větru) a příslušné hodnoty n v h-1. V závěru je vhodné podotknout, že tento faktor se významně podílí na interiérové pohodě vnitřního prostředí a tedy i na produktivitě vykonávaných činností a případných rehabilitačních procesů v daných prostorách obytného a občanského charakteru.
Literatura [1] [2] [3] [4]
Cihelka, J.: Vytápění, větrání a klimatizace, SNTL Praha 1985. ČSN 73 0540-3: Tepelná ochrana budov, část 3: Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování. Hygienické předpisy, svazek 66/1990, směrnice 76. Halahyja M., Chmúrny, I., Sternová, Z.: Stavebná tepelná technika - Tepelná ochrana budov, JAGA Bratislava 1998. [5] Wärmeschutz bei Gebäuden, 16. 8.1994, účinnost 1.1.1995.
IUAPPA 2000
94
Section: A
