Energie versus čerstvý vzduch

Větrání či výměna vzduchu je základním opatřením k zajištění potřebné kvality vnitřního prostředí budov. V současné době je třeba se starat o kvalitu vnitřního vzduchu více než dříve, neboť u velké části nových a rekonstruovaných staveb je obvodový plášť dokonale utěsněn. Při absenci účinného větrání se zvyšuje vlhkost vzniklá lidskou aktivitou, roste koncentrace oxidu uhličitého nad požadované hodnoty a kvalita vzduchu se zhoršuje. Výměna vzduchu je však energeticky náročná, proto je potřeba hledat optimální řešení mezi hygienickými parametry a spotřebou energie.

Energetická náročnost objektů je dána zejména dvěma základními potřebami, od kterých se odvíjejí konkrétní energetické spotřeby. Jedná se o spotřebu tepla na vytápění dané prostupem tepla konstrukcemi a spotřebu energie na větrání či výměnu vzduchu. V tomto článku se zaměříme pouze na problematiku ventilace. Je to z toho důvodu, že jedním z nejčastějších způsobů snižování energetické náročnosti objektů je výměna oken. Průvzdušnost moderních oken je však velmi nízká a pro běžné uživatele tak vzniká problém, jak zabezpečit dostatečný přívod čerstvého vzduchu.

Tepelněizolační parametry současných okenních rámů i skel dosahují takových hodnot, že jejich tepelné ztráty jsou minimální. U standardních plastových oken se pohybují hodnoty prostupu tepla U_w okolo 1 W/(m² . K), výjimkou nejsou ani okna s hodnotou U_w na úrovni 0,75 W/(m² . K). Pokud dojde k výměně oken v bytovém domě za moderní okna, sníží se zároveň jejich průvzdušnost a součinitel infiltrace, protože díky kování po celém obvodu okenní křídla velice dobře přiléhají k rámu. Součinitel infiltrace je u nových oken řádově 20krát nižší než u starých dřevěných oken, u nichž se tato hodnota pohybovala okolo 1,4 × 10^-4 m³/(m . s . Pa^0,67). Z toho vyplývá, že obyvatelé domu musejí větrat nebo nainstalovat kvalitní ventilační systém.

Kvalita vnitřního vzduchu
Kvalita vnitřního prostředí budov je pro zdraví obyvatel důležitá, protože lidé tráví v budovách, ať už doma nebo v práci, většinu svého času. Negativní vliv na kvalitu vnitřního vzduchu má celá řada látek:

• Odéry – plynné složky ovzduší vnímané jako vůně nebo zápachy. Jedná se zejména o produkty kouření, přípravy jídel a tělesné pachy – antropotoxiny, kromě nich to jsou i styreny, formaldehydy a odpary z nátěrů.
• Toxiny – toxické látky s patologickými účinky jako již zmíněný formaldehyd, dále to jsou smog, oxidy síry a dusíku, oxid uhelnatý, aromatické uhlovodíky, ozón, radon či výpary z azbestu.
• Aerosoly – rozptýlené částečky prachu nebo tekutin v ovzduší; dále těkavé látky. Například spad prachu ve velkoměstě je asi 1 100 t/km² za rok, při běžné koncentraci 1 až 3 mg/m³, zatímco na horách je koncentrace podstatně nižší – 0,05 až 0,5 mg/m³.
• Pyly, bakterie, viry, plísně a jejich spory. Pro ilustraci si lze představit, že obytná prostředí mají maximálně 200 až 500 mikrobů/m³, zatímco operační sály maximálně 70 mikrobů/m³.

Pro naše účely se zaměříme pouze na sledování parametrů oxidu uhlíku, vlhkosti a odérů, neboť jejich odstraňování především z obytných domů vytváří nároky na spotřebu energie.

Závislost dávky čerstvého vzduchu na množství oxidu uhličitého v interiéru

Obývací pokoje a ložnice
Ačkoli pro zabezpečení spotřeby kyslíku stačí člověku přivádět asi 1 m³ vzduchu za hodinu, není toto číslo směrodatným parametrem pro optimální pohodu lidského organismu. Pro dosažení optimální relativní vlhkosti mezi 30 až 70 % je třeba přivádět na osobu asi 10 m³ vzduchu za hodinu, nicméně ani toto není směrodatný parametr, při kterém se bude člověk cítit optimálně.

Porovnání objemů větraného vzduchu typického panelového bytu 3+1 pro pobyt 4 osob podle výsledků výpočetních metod (podle způsobu využití místností)

V obytných místnostech, jako jsou obývací pokoje, ložnice a dětské pokoje, kde jsou lidé hlavním zdrojem škodlivin, je rozhodující kritérium kvality vnitřního vzduchu koncentrace oxidu uhličitého, která se udává v jednotkách ppm. Pro pobyt osob se jeví jako optimální dodržení koncentrace CO₂ 1 000 až 1 200 ppm, což lze zabezpečit větráním o intenzitě 22 až 29 m³ vzduchu za hodinu na osobu při venkovní koncentraci asi 370 až 450 ppm.

V průměrně velké ložnici se dvěma osobami, kde každá z osob produkuje 19 l/h CO₂, se během noci ve zcela uzavřené místnosti bez větrání zvyšují koncentrace CO₂ na více než 5 000 ppm. Není tedy divu, že se ráno můžeme budit unavení, nevyspalí, případně s bolestí hlavy.

Tabulka 1: Vliv oxidu uhličitého na lidský organismus

Koncentrace CO₂, vlhkosti a ostatních látek
Zatímco v místnostech, kde jsou přítomné osoby, je směrodatnou veličinou koncentrace oxidu uhličitého, v koupelnách je rozhodující vysoká míra vlhkosti. Při sprchování bývá produkce vlhkosti až 2 600 g/h a při koupání ve vaně 700 g/h (Brož, 2002); tomu odpovídá nutnost ­přívodu, respektive odvodu vzduchu
o objemu 42 až 260 m³/h.

Množství odváděného vzduchu lze snížit použitím vhodných zástěn nebo sprchových koutů, po nichž zkondenzovaná vlhkost steče zpět do vany. Optimální je dále odvádění vzduchu přímo nad zdrojem vlhkosti. Pro samotnou koupelnu by měl stačit odsávací ventilátor s čidlem vlhkosti o výkonu 100 až 200 m³/h.

V kuchyních vzniká nejvíce škodlivin zejména při vaření – při přípravě jídla na elektrickém sporáku se produkuje pouze vlhkost a odéry, podle Brože (2002) je to 600 až 1 500 g/h. V kuchyni s plynovým sporákem vzniká při spalování plynu vlhkost a oxid uhličitý, vlhkost je zároveň produkována vařením.

Podle Doležílkové (2008) je rozhodujícím kritériem při spalování plynu pouze oxid uhličitý, nicméně množství větracího vzduchu pro jeho odvedení – při udržení maximální koncentrace 1 000 ppm – je velmi vysoké. Jak ukazuje tabulka 1, která srovnává množství nutného vzduchu pro dodržení určitých parametrů, v kuchyních lze použít jako rozhodující kritérium vlhkost, nicméně krátkodobě zvýšenou koncentraci oxidu uhličitého lze připustit. Pro odvedení relativní vlhkosti na úroveň maximálně 70 % při teplotě interiéru 20 °C je v závislosti na období a provozu plynového spotřebiče potřeba 120 až 390 m³/h vzduchu.

Porovnání měrné (absolutní) a relativní vlhkosti v energeticky pasivním domě v Rychnově (Jindrák, M., ATREA, 2009)

V případě místností, kde jsou hlavním zdrojem škodlivin lidé, je vhodné dodržovat množství přiváděného vzduchu podle počtu osob tak, aby úroveň oxidu uhličitého byla již zmíněných 1 000 až 1200 ppm; tomu odpovídá množství přiváděného vzduchu ve výši 22 až 29 m³/h na osobu.

U místností, kde jsou hlavním zdrojem škodlivin lidské činnosti (vaření, koupání, sprchování či užívání toalety) je hlavní škodlivinou obvykle vlhkost či odéry, případně zplodiny spalování při vaření na plynu. V těchto případech však lze většinou dimenzovat větrací systém na úroveň požadované vlhkosti nebo na dobu, po kterou jsou místnosti užívány.

Tato zjednodušující úvaha kromě intenzity větrání, tedy dimenzování přívodního, respektive odváděného vzduchu, implikuje i použití ovládacích prvků. Místnosti určené převážně pro pobyt osob, jako jsou obývací pokoje, ložnice a dětské pokoje, je účelné ovládat čidly CO₂. Ostatní místnosti, určené primárně k činnostem, které škodliviny produkují ve větší míře, než samotný pobyt osob, jako jsou kuchyně, koupelny a WC, je účelné ovládat čidly vlhkosti, případně vypínačem osvětlení či digestoře. Podrobnější přehled na příkladu panelového bytu ukazuje tabulka 2.

Tabulka 2: Množství čerstvého vzduchu pro kuchyň podle kritérií

(Doležílková, H., Papež, K., 2008)

Faktor průvzdušnosti konstrukcí
Budovy je vhodné rozdělit podle průvzdušnosti stavební konstrukce, která je dána hodinovou četností výměny objemu vzduchu při tlakovém rozdílu 50 Pa. Pro naše potřeby postačí orientační tabulka uvedená v ČSN 730540, nicméně průvzdušnost se měří tzv. Blower Door testem prostřednictvím „zařízení, které sestává z většího axiálního ventilátoru s proměnným průměrem ústí a proměnným výkonem. Ventilátorem osazeným v rámu s plachtou ve dveřích, popř. okně v obvodové stěně, se vyvolá postupně tlakový rozdíl 20 až 100 Pa a z tlaku na ventilátoru se stanoví průtok vzduchu k jednotlivým tlakovým krokům.“(Paleček, 2007).

Tabulka 3 ukazuje výsledky měření průvzdušnosti bytu v panelovém domě. Porovnáme-li tabulku s normou, je patrné, že po výměně oken, což je jedno z nejběžnějších úsporných opatření, se průvzdušnost může při tlakovém rozdílu 50 Pa pohybovat v rozmezí přirozeného větrání spárovou průvzdušností oken až po situaci srovnatelnou s normou pro nucené větrání. Pro nás je však důležité jiné zjištění: při nejčastějším ročním tlakovém rozdílu 4 Pa je výměna vzduchu v panelovém bytě nedostatečná.

Tabulka 3: Výsledky měření těsnosti bytu v panelovém domě

(Vymětalík, V., Zwiener, V., 2007)

Varianty ventilace
V případě nedostatečného přívodu vzduchu a přítomnosti nebo činnosti osob může v interiéru docházet ke hromadění škodlivin, v opačném případě může být interiér zbytečně větrán na úkor energetické spotřeby. Pro optimalizaci energetické spotřeby je tedy ideálním řešením nucené větrání. Na trhu existuje celá řada systémů, které mohou, ale také nemusejí uspokojit naše potřeby, zejména pokud preferujeme ekonomickou stránku věci.

U stavebních konstrukcí s vyšší průvzdušností je možné efektivní větrání zajistit například decentralizovanými systémy s individuálně nainstalovanými odtahovými ventilátory v jednotlivých bytových jednotkách. Tyto ventilátory je možné ovládat již zmíněnými čidly nebo vypínači podle potřeby. Jako ideální se pro obývací pokoje, ložnice a dětské pokoje jeví čidla CO₂. Zatímco pro kuchyně a koupelny jsou jako ovládací prvky vhodná čidla vlhkosti nebo vypínače digestoří či osvětlení, pro toalety jsou jednoznačně nejvhodnějším ovládacím prkem vypínače osvětlení. Nevýhodou individuálních systémů je instalování zdrojů hluku přímo v obytných prostorech, pronikání pachů mezi jednotlivými bytovými jednotkami a většinou velmi nízká účinnost levných axiálních ventilátorů, které se běžně prodávají v obchodech.

Pro bytové domy je vhodnějším řešením instalace inteligentních centrálních systémů. Střešní ventilátory těchto systémů mají motory s mikroprocesory a pracují v mírném podtlaku, který zabraňuje pronikání pachů mezi jednotlivými bytovými jednotkami. Intenzita větrání se automaticky přizpůsobuje skutečné potřebě, která je dána otevíráním elektronicky ovládaných ventilů podle momentální obsazenosti bytů, vývojem CO₂ a vlhkosti v nich. Ovládacími prvky jsou podobně jako v prvním případě čidla CO₂, vlhkosti a vypínače. Tyto systémy jsou vhodné i pro menší bytové domy. Obyvatelé se nemusejí o nic starat, v porovnání s individuálně nainstalovanými axiálními ventilátory jsou inteligentní centrální systémy energeticky mnohem méně náročné a zdroj hluku je výhodně umístěn mimo obytné prostory.

Výhodou výše uvedených řešení je relativně nízká cena a vysoký uživatelský komfort, ceny čidel a elektronických ventilů nepředstavují tak výraznou položku jako třeba před deseti lety, a přitom částečně šetří obyvatelům náklady na vytápění. Inteligentní centrální systémy jsou vhodné i pro rekonstrukce panelových a bytových domů bez nutnosti zásahu do elektroinstalace a vzduchotechnického sběrného potrubí.

Největším problémem výše uvedených řešení je, že se nejedná o řešení koncepční, protože lze očekávat, že k výměně oken v každém domě jednoho dne dojde. Zabezpečení dostatečného přívodu vzduchu do jednotlivých místností je potom rozhodující, protože jak již bylo řečeno, výměna oken je pro většinu bytových a koneckonců i rodinných domů klíčová. Řešením je důsledné pravidelné intenzivní větrání ­nebo hlídání mikroventilace, nevýhodou ovšem je buď nedostatečná kvalita vzduchu, například v ložnicích, anebo nadměrné větrání a energetické plýtvání či hlučnost.

Dalším ne zcela vhodným řešením je instalace dodatečných okenních přívodních infiltračních prvků alespoň do ložnic, protože nepředpokládáme, že by si uživatel nařizoval budík, aby mohl pravidelně větrat. Tyto dodatečné infiltrační prvky by však měly být stejně kvalitní jako vlastní okno. Musejí zabezpečit dostatečný akustický a tepelněizolační komfort s minimalizací kondenzace a ochranou proti nárazovému a silnému větru, ideálně s automatickou regulací napojenou na příslušná ovládací čidla nebo vypínače. Takový prvek však zatím na trhu není. Pokud dodatečné infiltrační zařízení nemá uvedené parametry, jedná se de facto o degradaci kvalitního okna. Okno propouští hluk a neřízeně profukuje, může vznikat průvan a na podlaze vrstva studeného vzduchu. Uvedené problémy pak vedou k opětovnému ucpávání těchto dodatečných infiltračních otvorů a k návratu do původního stavu. Uživatel tak buď žije v trvalém nepohodlí odérů, nebo nadměrně větrá.

Jediným zatím známým opatřením, které řeší výše uvedené nevýhody, je nucené rovnotlaké větrání s centrálním nebo bytovým přívodem vzduchu a regenerací tepla, tedy rekuperace. Tato opatření na trhu existují, ale i ony mají své nevýhody. Kromě nutnosti údržby a spotřeby elektřiny je to nízký instalační komfort, který může být ve velké části panelových a bytových domů překážkou. Částečné vyvložkování starých vzduchových potrubí není zdaleka takový problém jako nutnost instalace řady rozváděcích prvků do bytů – dochází k relativně výrazným zásahům do stavebních příček.

Ekonomika a energie
Přímý přívod čerstvého vzduchu 22 až 29 m³/(h . osoba) z exteriéru o teplotě –12 °C do interiéru, v kterém chceme udržet příjemných 22 °C, znamená z energetického hlediska 250 až 330 W/osobu. Pokud bychom uvažovali 24hodinový přívod tohoto vzduchu po dobu otopného období, tak jedna osoba spotřebuje na udržení optimální vnitřní hladiny CO₂ cca 800 kWh energie (uvažováno pro klimatické podmínky v Praze).

Reálnější případ, kdy se osoby během pracovních dnů vyskytují v domácnosti 12 hodin/den a čtvrtinu víkendu v otopném období tráví mimo byt, tak roční spotřeba činí cca 450 kWh. Pro čtyřčlennou rodinu to představuje 1 800 kWh/rok. Při ceně tepla z centrálního zdroje v Praze 450 Kč/GJ zaplatí čtyřčlenná rodina za větrání cca 3000 Kč. Tuto částku lze výrazným způsobem snížit tzv. zpětným získáváním tepla s rekuperací odpadního vzduchu z interiéru. Při teoretické účinnosti rekuperace tepla 80 % lze potřebný instalovaný výkon snížit na 50 až 66 W/osobu a roční energetická spotřeba se pohybuje v rozpětí 80 až 90 kWh/(rok . osoba).

Pro uvažovanou čtyřčlennou rodinu pak připadá 320 až 360 kWh/rok. Při stejné uvažované ceně tepla vydáme z pomyslné peněženky pouze cca 600 Kč – úspora je tedy 2 400 Kč/rok. V případě, že budeme uvažovat cenu tepla, se kterou se v současné době můžeme setkat na severu České republiky v Libereckém kraji, tak roční finanční úspora může být až 5000 Kč/rok. 

Nevýhodou tohoto opatření je fakt, že pro funkci rekuperační jednotky je nutná elektrická energie, jejíž cena není nikterak příznivá. Rekuperační jednotka obsahuje dva ventilátory (přívodní a odvodní), každý o příkonu cca 80 W (v případě dražších EC motorů s příkonem 35 W). Počítáme-li s první levnější variantou, tak 160wattový příkon znamená pro čtyřčlennou rodinu spotřebu 450 kWh/rok elektrické energie. Při ceně 5 Kč/kWh elektrické energie je tedy energetická spotřeba rekuperační jednotky cca 2300 Kč/rok. Na tomto příkladu je tedy zřetelně vidět, že sice šetříme levnou tepelnou energii, která je však vykoupena drahou elektrickou energií na pohon rekuperační jednotky. Při průměrné ceně elektřiny 4,70 Kč/kWh je minimální cena, při které se opatření vyplatí, 835 Kč/GJ. Pro Liberecký kraj je toto opatření tedy jednoznačně přínosné.

Závěr
Postupným snižováním průvzdušnosti stavebních konstrukcí při rekonstrukcích panelových a bytových domů se sice blížíme k ideálnímu pasivnímu standardu, nicméně jsou kladeny stále větší nároky na kvalitu větrání. Nejlevnějším řešením je pravidelné a intenzivní větrání, které nám však nezabezpečí požadovaný komfort zejména v ložnicích. Cenově dostupným řešením jsou různé druhy nuceného větrání v kombinaci s čidly a bohužel ne kvalitními infiltračními prvky. Rekuperace je sice řešení nejdražší, instalačně nekomfortní a zatím se vyplatí pouze v lokalitách s nejvyššími cenami energie, nicméně splňuje všechny požadavky na kvalitu vnitřního prostředí.

Ing. Jiří Beranovský, Ph.D., MBA
Spoluautoři: Petr Vogel, Petr Kotek, František Macholda

Autor je ředitelem Centra pro obnovitelné zdroje a úsporu energie EkoWATT, o. s.

Článek vznikl jako výstup výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 – Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu.

Literatura:
1. Doležílková, H.: Rezidenční mikroprostředí. Disertační práce. Praha: Katedra TZB Fakulty stavební ČVUT v Praze, 2007.
2. Vymětalík, V. – Zwiener, V.: Vliv výměny oken v panelovém domě na sledované parametry vnitřního prostředí v souvislosti s výměnou vzduchu v obytném prostoru. In: Dektime, 2007, č. 7, s. 36–42.
3. Doležílková, H. – Papež, K.: Problematika bytového větrání. Praha: Katedra TZB Fakulty stavební ČVUT v Praze, 2008.
4. Jindrák, M.: Zkušenosti z realizací a provozu EPD v RD. In: Sborník konference Dřevostavby, 2009.
5. Brož, K.: Vytápění. 2. vyd. Praha: ČVUT v Praze, 2002, 205 s.
6. Paleček, S.: Blower door test průvzdušnosti budov – detekční metody. 2007. Dostupné na internetu: www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=3896.

Článek byl uveřejněn v časopisu ASB.