Analýza budovy s hybridním větráním

Mnoho moderních obytných budov je v současnosti stavěno formou dřevostavby v nízkoenergetickém nebo pasivním standardu. V těchto budovách se musí řešit otázka větrání a jednou z cest je aplikace systému hybridního větrání s centrálním odtahem a lokálními přívody větracího vzduchu regulovatelnými prvky v obvodových stěnách. Článek se zabývá vyhodnocením vybraných parametrů vnitřního prostředí za běžného provozu reálného domu, vybaveného hybridním větráním.

Snaha o úspory energie je v současnosti často spojována s požadavky na dokonalou těsnost konstrukcí obvodového pláště budov. Bez dalších opatření však utěsnění budovy přináší zhoršení mikroklimatických podmínek v interiéru v důsledku snížení intenzity výměny vzduchu, původně zajišťované infiltrací. Ukazuje se, že ani instalace oken s tzv. mikroventilací, případně dvoupolohovým zavíráním není ideálním řešením. Výsledkem jsou časté problémy moderních (respektive modernizovaných) budov, kde větrání není dořešeno jiným, na uživateli nezávislým způsobem – například řízeným větráním.

Požadavky v normách a legislativě
Současná česká legislativa nestanoví jednoznačně závazné požadavky na vnitřní mikroklima v obytných budovách. Jedním z podkladů používaných v současnosti je Směrnice STP-OS4/č. l/2005 Optimální přípustné mikro­klimatické podmínky pro obytné prostředí [3], jedná se však pouze o směrnici doporučenou.

Podle této směrnice musí být v obytných místnostech, kde nelze stanovit počet uživatelů, dodržena hodnota intenzity výměny vzduchu alespoň 0,4 až 0,8 1/h. Větší hodnota platí pro větrání znečištěným vzduchem, menší pro větrání čistým venkovním vzduchem. Tyto hodnoty jsou také nezbytné pro zabránění vzniku plísní ve stavbách. Situaci v okolních zemích popisuje například článek [4]. V mnoha evropských zemích je jmenovitě předepsáno nucené větrání hygienických příslušenství. Německá norma DIN 1946-6 stanoví požadavky na odvětrání kuchyní hodnotou 40 až 60 m³/h s nárazovým zvýšením na 200 m³/h; pro WC je požadováno 20 až 30 m³/h a pro koupelny 40 až 60 m³/h (v závislosti na délce provozní doby).

V celodenním průměru pak musejí tyto výkony větrání zajistit odvod až 10 kg vodní páry produkované denně v průměrné domácnosti. Výše uvedené hodnoty odpovídají i požadavkům na zajištění přívodu čerstvého vzduchu pro byt se čtyřčlennou rodinou v množství 25 m³/h/os pro neadaptované osoby podle normy ASHRAE standard 62 – 1989. V řadě provozovaných nízkoenergetických domů v SRN bylo ověřeno, že při zajištění trvalé intenzity výměny vzduchu alespoň 0,3 1/h je dosaženo vynikající kvality mikroklimatu [4].

Pro obytné budovy existuje několik systémů řízeného větrání: rovnotlaké s rekuperací, podtlakové, hybridní [1]. Hybridní systém větrání využívá principy jak přirozeného, tak nuceného větrání a jejich řízením dosahuje snížení spotřeby energie při udržení přijatelné kvality vnitřního prostředí a tepelné pohody. Existuje více provedení hybridního větrání [5], z nichž pro účely bytového větrání se jako vhodný jeví systém, kde odvod vzduchu je zajišťován centrálním odváděcím ventilátorem a přívod vzduchu je řešen regulovatelnými štěrbinami v obvodových stěnách jednotlivých místností. Systém hybridního větrání je vhodný pro malé větrací výkony, kde jednoduchost systému a krátké rozvody vyvažují hlavní nevýhodu systému, kterou je problematické zpětné získávání tepla.

Případová studie bytového domu
Studie byla realizována v koncové sekci řady rodinných domů v Roztokách u Prahy (obr. 1). Jedná se o analýzu měřených parametrů tepelně-vlhkostního mikroklimatu v řadovém rodinném domě nízkoenergetického standardu – dřevostavbě bez tepelné akumulace. Podrobně byl analyzován systém hybridního větrání instalovaný v domě.

Dům pochází z roku 2004. Jedná se o moderní dřevostavbu, kdy celý objekt je vyzdvižen na sloupcích nad terén a na střeše má extenzivní zeleň. Hlavní prosklené plochy jsou orientovány na jih, jsou stíněny výrazným přesahem střechy, který v letních měsících doplňuje stínění popínavou zelení na představené konstrukci (obr. 1). Objekt je nadstandardně tepelně izolován, důraz byl kladen na neprůvzdušnost konstrukce a důsledné řešení detailů realizace. Díky lehké konstrukci má dům velmi nízkou akumulaci tepla.

Dům je obýván jednou, příležitostně dvěma osobami. V pracovních dnech jsou osoby přítom­ny pouze večer a v noci; přes noc a o víkendech je přítomna vždy alespoň jedna osoba.

Zdroj tepla pro přípravu teplé vody a vytápění objektu zajišťuje teplovodní elektrický akumulační zásobník s možností pozdějšího připojení solárního systému. Otopná tělesa jsou umístěna pod okny, regulaci řídí prostorový termostat umístěný na stěně mezi obývacím pokojem a kuchyní, který je nastaven na udržování teploty 22 °C v době od 6:00 do 8:00 a od 16:00 do 23:00 hodin.

V objektu je instalován systém hybridního větrání. Prvky pro přívod vzduchu – štěrbiny s pojistkou proti nárazu větru a možností mechanického uzavření zevnitř – jsou osazeny v obytných místnostech v místě otopných těles, odvod vzduchu zajišťují dvě jednotky v kuchyni a v hygienickém zázemí domu. Systém je řízen senzorem vlhkosti instalovaným v prvcích pro odvod vzduchu a manuálním přepínačem pro volbu režimů. Základní režim ventilátoru na odtahu vzduchu je dimenzován na výměnu
vzduchu 0,3 až 0,6 objemu místností za hodinu.

Popis měření
Měření proběhlo ve dvou etapách, v zimním období od 28. 11. 2008 do 5. 1. 2009 a v letním období od 12. 8. do 4. 10. 2009. Data byla měřena přístroji Commet datalogger řady S3120, S0110 a S0141. Na obr. 1 je znázorněn půdorys bytu a umístění čidel. Venkovní čidlo bylo umístěno ve východním okně a bylo zastíněno a chráněno proti dešti. Vnitřní čidla č. 1 a č. 2 v obývacím pokoji byla umístěna u protějších stěn místnosti s výškovým rozdílem cca 1 metr. V zimním období zaznamenával vícekanálový datalogger teploty otopné vody na přívodu a na vratném potrubí u zásobníku. Celkově bylo použito 8 čidel ve dvou patrech objektu. Umístění zbývajících čidel je patrné ze schématu (obr. 1), jejich výsledky odpovídaly výsledkům čidel hodnocených v článku. Měřena byla relativní vlhkost a teplota vzduchu.

Výsledky měření – zimní období
Naměřené průběhy teplot jsou zobrazeny v uvedených grafech. Během typického dne (11. prosince 2008), kdy byl dům větší část dne prázdný a vnitřní tepelné zisky byly téměř nulové, je vidět poměrně rychlé snižování teploty vzduchu, typické pro dřevostavbu s nízkou akumulací. Tento jev je podpořen neustále přiváděným větracím vzduchem ze systému hybridního větrání. Důsledkem je pokles teploty vzduchu v pokoji o 4,3 °C během 8 hodin (obr. 2). Na druhou stranu lze pozorovat velmi rychlý vzestup teploty při spuštění otopné soustavy. Během 30 minut byl zaznamenán nárůst o 1,8 °C, během 1 hodiny pak o 3 °C (obr. 2). Budeme-li sledovat chování objektu za přítomnosti lidí, například 2. ledna 2009, tj. v době, kdy se častěji zapíná otopná soustava (byť na krátkou dobu), jsou zde patrné výraznější tepelné zisky z přítomných osob, vaření apod. Můžeme pozorovat kolísání teploty v prostoru v intervalu 22 až 23,5 °C (čidlo 01), a to i přes nižší venkovní teplotu –2 °C.

Obr. 2: Naměřené teploty vzduchu, otopné vody v zimním období
a) 11. 12. 2008 b) 2. 1. 2009

Sledujeme-li hodnoty naměřené oběma čidly v prostoru obývacího pokoje (čidla 01 a 02), jsou vidět poměrně velké rozdíly mezi nimi. Rozdíly dosahují až 1,5 °C a výrazně se mění v průběhu času. Dokládá to výraznou změnu proudění vzduchu v místnosti během otopných přestávek. Tento fakt může ovlivnit vhodné umístění prostorového termostatu.

V období extrémně nízkých venkovních teplot klesá relativní vlhkost v místnostech pod úroveň hodnot doporučených z hygienického hlediska, pohybuje se kolem 25 %. Tento stav však nastává pouze několik dní v roce, kdy venkovní teplota klesne k –5 °C. Při průměrných zimních teplotách kolem 3 až 5 °C se pohybuje relativní vlhkost v místnostech mezi 35–45 %, což je v souladu s hygienickými požadavky, byť na jejich spodní hranici. Výrazná závislost relativní vnitřní vlhkosti je mimo jiné zapříčiněna systémem hybridního větrání, kdy je do interiéru trvale přiváděno malé množství venkovního větracího vzduchu o velmi nízké vlhkosti (obr. 3).

Obr. 3: Relativní vlhkost v závislosti na teplotách v exteriéru
a) 6. 1. 2009 b) 16. 12. 2008

Letní období
Druhá etapa měření proběhla v srpnu a září 2009. Cílem bylo zmapovat chování objektu v době vysokých venkovních teplot. Vzhledem k lehké konstrukci objektu existovala jistá obava z přehřívání objektu v horkých letních dnech. Graf na obr. 4 zachycuje teplotní poměry v objektu v nejteplejším týdnu v roce. K regulaci vnitřní teploty nebyl použit žádný chladicí systém. Venkovní teplota ve stínu přesahovala 32 °C, vnitřní teplota se v extrému pohybovala kolem 28 °C. Tento stav však v průběhu celého léta nastal pouze ve dvou případech.

V grafu, vzhledem k měření teploty venkovního vzduchu ve stínu, není zachycen přímý vliv slunečního záření například ve formě tepelné zátěže průhlednými konstrukcemi. Vzhledem k orientaci oken a jejich důslednému stínění proti přímému letnímu slunci – velký přesah střechy, představené konstrukce s popínavou zelení – je tento vliv minimalizován, vnitřní teploty lze udržet ve snesitelných mezích. Nízká tepelná akumulace objektu neumožňuje výrazněji použít předchlazení interiéru chladnějším vzduchem v noci.

Obr. 4: Závislost letní teploty v interiéru a v exteriéru – srpen 2009 / Obr. 5: Vliv chování uživatele na tepelnou stabilitu objektu – srpen 2009

Zásadní vliv na tepelnou pohodu v objektu má chování uživatelů. Na obr. 5 je zachycen případ, kdy 20. srpna zůstává otevřeno okno v ložnici horního patra. Tímto způsobem se neuplatňuje tepelněizolační schopnost obvodového pláště objektu, interiér místnosti se velmi rychle ohřívá a tepelná zátěž se postupně přenáší i do dalších prostor v domě. Přestože venkovní teplota těsně dosahuje 30 °C, vnitřní teplota velmi rychle vystoupá na 28 °C. Pokud jsou přes den okna uzavřena a k větrání dochází pouze otvory pro přístup vzduchu systému hybridního větrání, případně v noci, lze zaznamenat rozdíl maximálních vnitřních a venkovních teplot kolem 4 °C. Při přerušení izolační vrstvy obvodového pláště rozdíl teplot nepřesáhne 2 °C.

Závěr
Rozborem naměřených údajů lze stanovit několik parametrů důležitých pro dobré fungování systému. Vzhledem k rychlým změnám teplot je výhodou dynamická otopná soustava. Pro dobře fungující regulaci je nutné vhodné umístění prostorového termostatu tak, aby měření nebylo zkresleno místním vlivem. Jako ideální se jeví použití bezdrátového termostatu, jehož polohu lze v případě nutnosti upravit a po ověření funkčnosti případně přejít na pevné připojení.

Použití vlhkostního čidla v takto provozovaném objektu (jedna osoba obývající dům, přítomná pouze na část dne) znamená trvalý provoz v základním režimu – výměnu vzduchu s minimální intenzitou větrání. Nastavení této intenzity na cca 0,6 výměny za hodinu přináší luxusní pocit čerstvého vzduchu v místnosti, je to však poměrně energeticky náročné. Spotřeba energie na vytápění v tomto objektu vychází na přibližně 52 kWh/m2 za rok. To je vzhledem ke konstrukci objektu poměrně velká hodnota a vede k otázce vhodného nastavení intenzity větrání a její regulace například citlivějším systémem s čidlem CO₂.

Nízká relativní vlhkost vzduchu při extrémně nízkých venkovních teplotách je průvodním jevem zvoleného systému větrání. Otázkou zůstává četnost těchto období za rok, úprava intenzity výměny vzduchu, případně zajištění zdroje vlhkosti v interiéru například v podobě pokojových rostlin.

Pro dosažení přijatelných podmínek v letním období je zcela klíčové chování uživatelů ve dnech s extrémně vysokými venkovními teplotami. Vzhledem k malé tepelněakumulační schopnosti se dům při otevření oken rychle přehřívá.

Příspěvek vznikl za podpory projektu MPO – 2A-1TP1/051.

prof. Ing. Karel Kabele, CSc., Ing. arch. Lenka Maierová

Autoři působí na Fakultě stavební ČVUT v Praze.

Foto a obrázky: archiv autorů

Literatura
1. Doležílková, H.: Residenční mikroprostředí. Disertační práce, Praha: ČVUT, 2007.
2. Másilková L.: Přirozené větrání v obytných budovách. Disertační práce, Praha: ČVUT, 2008.
3. Společnost pro techniku prostředí: Směrnice STP-OS4/č. l/2005 – Optimální přípustné mikroklimatické podmínky pro obytné prostřední. Praha, 2005.
4. Morávek, P.: Nízkoenergetické stavby a jejich mikroklima. In: Stavebnictví, 2007.
5. Hirš, J.: Hybridní větrání. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2007.
6. Chlum, M.: Progresivní prvky bytového větrání. Seminář STP, Praha, říjen 2007.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.