Enviromentální posouzení vnitřního klimatu auly

Nevyhovující mikroklimatické podmínky vyžadují odpovídající vzduchotechnické opatření. Příspěvek se věnuje hodnocení stávajícího stavu mikroklimatu podkrovní auly v budově gymnázia a nabízí návrh optimálního vzduchotechnického řešení. Podkladem pro návrh nuceného větrání se staly výsledky z měření tepelně-vlhkostních parametrů a koncentrací oxidu uhličitého.

Z experimentálního měření vyplynula potřeba vzduchotechnického opatření, u kterého byla správná volba distribučního prvku srovnána na 2D matematicko-fyzikálním modelu metodou CFD. Problematika spojená s nevyhovujícím vnitřním prostředím a nedostatečným větráním školních tříd a zařízení je všeobecně známa. Zatím co v dřívějších dobách měly školní třídy dřevěná okna, kterými profukovalo, a obálka budovy vykazovala vlivem nezaizolovaných tepelných mostů vysoké tepelné ztráty, tak s příchodem trendu šetření energie se začalo zateplovat a došlo k výměně otvorových výplní za kvalitnější a těsnější. Tak postupně ve třídách docházelo k úbytku „čerstvého“ vzduchu a k navyšování koncentrací oxidu uhličitého (CO₂), který má neblahý vliv na bdělost žáků a v konečném důsledku i na jejich zdraví. Při vysokých koncentracích se objevují bolesti hlavy, a ty mohou přecházet až k nevolnostem a ztrátě vědomí.

Tématem nedostatečného větrání se u nás podrobně zabýval Šubrta, jenž zpracoval publikaci [1] věnující se výskytu oxidu uhličitého ve veřejných prostorách, především pak školách. Na Slovensku se danou problematikou zabýval Kapalo [2]. Podobný problém, jako je zvýšená koncentrace CO₂, představuje pro školní třídy i jejich přehřívání, ke kterému dochází v letních měsících. Nadměrně vysoká teplota je nejčastěji zapříčiněna slunečním zářením, které do tříd vstupuje četnými okny. K zamezení průniku přímých slunečních paprsků se používají stahovací rolety či dnes více používané vnitřní žaluzie. Ty ale dokážou pouze odstínit přímé dopadající sluneční paprsky, ke snížení teploty vzduchu od záření už ale nepřispějí.

Obr. 1 Gymnázium L. Jaroše – aula

Charakteristika objektu

Gymnázium Ladislava Jaroše se nachází ve městě Holešov a bylo založeno v roce 1899. Jedná se o historickou budovu postavenou v roce 1902. Aula školy byla vybudována v nově zrekonstruované půdní vestavbě a slouží ke slavnostnímu setkávání a reprezentačním účelům, během kterých se v těchto prostorách sejde až 150 osob. Světlo do místnosti vstupuje střešními okny, která jsou orientovaná k jihovýchodní světové straně a nejsou stíněna žádnými stínicími prvky. Větrání místnosti je řešeno nuceným odvodem vzduchu odstředivými ventilátory osazenými ve stropě s výfukem do potrubí a nad střechu. Jak se ukázalo po patnáctiletém užívání, je tento způsob větrání zcela nevyhovující; postrádá přívod čerstvého vzduchu a nesplňuje podmínky pro odvod tepelné zátěže a koncentrace oxidu uhličitého.

Stávající stav a měření

Pro zhodnocení mikroklimatických podmínek stávajícího stavu byla provedena měření. Ta byla rozdělena na tzv. dlouhodobé, které probíhalo po dobu 25 dnů a zaznamenávalo teplotně-vlhkostní parametry vzduchu, a krátkodobé měření, které mělo stanovit nárůst koncentrace CO₂ při pobytu osob v místnosti.

Měření tepelně-vlhkostních parametrů

Při dlouhodobém měření se sledovala teplota a relativní vlhkost vzduchu. Tyto parametry se měřily po dobu 25 dnů dvěma teplotně-vlhkostními sondami, které byly umístěny v zastíněných částech místnosti ve výšce hlavy sedící osoby. Po celou dobu měření nebyla aula využívána, nevyskytovaly se v ní vnitřní zdroje a ani se v ní nevětralo. Záznam měřených hodnot z jednoho vybraného měřicího zařízení zobrazuje obr. 2. Během sledovaného období byla naměřena maximální teplota vzduchu ti v místnosti 30,4 °C. Ve stanovený den uvádí meteorologická stanice v Holešově teplotu venkovního vzduchu te 27 °C. Při venkovních denních teplotách vyšších než 20 °C se teplota vzduchu v interiéru pohybovala okolo 30 °C, relativní vlhkost vzduchu se za těchto podmínek pohybovala až kolem 40 %.

Obr. 2 Průběh teploty vzduchu ti a relativní vlhkosti Rh za sledované období 

Měření koncentrace CO₂

Druhé měření se zaměřilo na stanovení kvality vzduchu, jejímž ukazatelem v prostorách s výskytem lidí je koncentrace oxidu uhličitého CO₂. Během tohoto krátkodobého měření se v aule nacházelo 89 osob, nevětralo se okny ani odtahovými ventilátory, dveře od auly byly uzavřeny. Sonda byla umístěna mezi sedícími osobami. Už na začátku měření byla změřena vysoká hodnota koncentrace CO₂ 876 ppm a po dobu celého měření soustavně narůstala (obr. 3), až po 1,5 hodině kulminovala na hodnotě 2 920 ppm. Po dosažení maxima studenti začali opouštět místnost a prostor se vyvětral otevřením dveří.

Obr. 3 Koncentrace CO₂

Simulace proudění vzduchu

Z výsledků měření vyplynula potřeba návrhu vzduchotechnického opatření, které zajistí zvýšení tepelné pohody osob a zlepší kvalitu vzduchu v místnosti. Tímto opatřením se rozumí návrh klimatizace, která bude do auly přivádět dostatečné množství čerstvého vzduchu o požadované teplotě a vlhkosti. V případové studii se počítá s objemem přívodního vzduchu 3 925 m³/h na 157 osob, což činí 25 m³/h na osobu. Pro distribuci vzduchu bylo zvoleno textilní potrubí s mikroperforací, které bude zavěšené pod kleštinami. Vzhledem k nízké výšce potrubí hrozí riziko obtěžování průvanem u osob sedících pod vyústkami. Proto byly vytvořeny simulace, které ověří tepelnou pohodu bez rizika průvanu, kterou musí klimatizovaná místnost poskytovat [3]. Pro matematicko-fyzikální simulaci byl použit výpočetní program ANSYS FLUENT a preprocesing byl zpracován v softwaru GAMBIT – blíže viz [4]. 2D geometrie místnosti je tvořena příčným řezem a je doplněna okrajovými podmínkami, které jsou patrné na obr. 4.

Obr. 4 Okrajové podmínky

Vnitřní tepelná zátěž místnosti je zadána na m² řezu místnosti. V místě pobytu osob byly zvoleny 2 charakteristické kontrolní body, ve výšce kotníků (0,1 m od podlahy) a v oblasti hlavy sedící osoby (1,3 m od podlahy), v kterých byly počítány hodnoty sledovaných veličin. V simulacích se uvažuje s časově ustáleným prouděním vzduchu s přenosem tepla. Pro levou vyústku byly vytvořeny celkem tři varianty, ve kterých bylo odlišným způsobem modelováno směrování proudu vzduchu z vyústky. Varianta A poskytovala rovnoměrnou perforaci po celém obvodu vyústky. Ve variantě B byla zvolena směrová perforace po ¾ obvodu vyústky. V poslední variantě C se uvažuje, že vyústkou bude prou­dit vzduch pouze ½ perforovaného obvodu, a to tou částí, která je orientovaná do prostoru místnosti. Odtah vzduchu je uvažován ve vodorovné části podhledu. Výstupem jsou obrazy proudění vzduchu v teplotním poli (teplota vzduchu a radiační teplota), v rychlostním poli a trajektorie prou­dícího vzduchu (obr. 5 a 6).

Obr. 5 Obraz proudění vzduchu v teplotním poli: a) teplota vzduchu ti (°C), b) střední radiační teplota tr (°C)

Diskuse

Požadavky na tepelně-vlhkostní mikroklima zasedací místnosti staveb pro shromažďování většího počtu osob upravuje vyhláška č. 6/2003 Sb. [5]. Ve vyhlášce se stanovuje jako nejvyšší povolená výsledná teplota tg v letním období 26 °C a vlhkost vzduchu 65 %. V aule byla po dobu měření stanovena maximální teplota vzduchu 30,4 °C. Srovnáme-li změřenou teplotu vzduchu s výslednou teplotou uváděnou ve vyhlášce [5], došlo k překročení teploty v místnosti o 4,4 °C. Výsledná teplota v aule sice měřena nebyla, ale dá se předpokládat, že by dosahovala vyšší hodnoty, než která byla stanovena pro teplotu vzduchu.

Ukazatelem kvality vzduchu v místnosti s pobytem osob je koncentrace oxidu uhličitého CO₂, jehož produkce se uvádí na 1 sedící osobu mezi 15–20 l/h. Vyhláška 20/2012Sb., o technických požadavcích na stavby [6], stanovuje povinnost dodržení maximální přípustné koncentrace oxidu uhličitého 1 500 ppm. Z měření vyplynulo, že dochází k pravidelnému překračování koncentrace CO₂ nad tuto povolenou hodnotu. Nejvyšší naměřená koncentrace dosahovala hodnoty téměř 3 000 ppm a ta již může vyvolávat únavu a bolesti hlavy.

Obr. 6 Rychlostní pole a trajektorie proudění vzduchu: a) rychlost proudění vzduchu v (m/s), b) teplotně zbarvené trajektorie vzduchu  (°C)

Při takto nevyhovujících mikroklimatických podmínkách bylo navrženo vzduchotechnické opatření, které spočívalo v návrhu distribuce čerstvého vzduchu textilními vyústkami. Aby bylo zabráněno riziku ohrožení průvanem sedících osob pod vyústkou, byly vytvořeny simulace ve variantách A–C, které se lišily ve směrování proudu vzduchu z levého mikroperforovaného potrubí. Ve variantě A, v které vystupuje přívodní vzduch po celém obvodu, dosahuje rychlost prou­dění v oblasti kotníků rychlosti 0,32 m/s, která nevyhovuje požadavkům vyhlášky č. 6/2003 Sb. [5], kde je předepsaná rychlost proudění vzduchu mezi 0,16 až 0,25 m/s. Proto bylo cílem varianty B eliminovat nedostatky v předchozím řešení, a tedy snížit rychlost proudění v kontrolních bodech. Zde se ukázalo, že omezení mikroperforace v ¼ průřezu neomezí vznik průvanu, tedy rychlosti nižší než povolených 0,25 m/s. Ani výsledky z varianty C, ve které je umožněno proudění pouze z ½ obvodu potrubí, neukázaly uspokojivé hodnoty rychlosti proudění v oblasti kotníků. Jak se ukázalo, tato vysoká rychlost není způsobena rychlostí na přívodních vyústkách (cca 0,2 m/s), ale je způsobena klesáním chladného přívodního vzduchu podél vnitřní stěny.

Z provedených simulací vyplývá, že v navrhovaném stavu vznikají chladnější místa v levé části kolem stěny, a místa teplejší v pravé části u oken. Tato nerovnoměrnost však není významná. Při hrubém zatřídění kritických prostor ve stávajícím stavu do kategorií dle ČSN EN ISO 7730 [7] tab. A5 vyplývá, že by prostory spadaly do nejnižší kategorie C komfortu prostředí.

Závěr

Z výsledků měření vyplývá potřeba návrhu opatření pro zkvalitnění mikroklimatických podmínek vedoucích ke zvýšení komfortu při dlouhodobém pobytu osob v aule. Tímto opatřením se rozumí návrh vzduchotechniky, která zabezpečí dostatečnou výměnu vzduchu v místnosti, zajistí požadovanou teplotu vzduchu a její vlhkost. Při návrhu je třeba věnovat zvýšenou pozornost rychlosti proudění vzduchu, a to především v oblasti kotníků. Neboť jak se ukázalo v provedených simulacích, rychlost proudění je v této oblasti větší než nejvýše požadovaných 0,25 m/s.

Poděkování
Příspěvek vznikl za podpory Specifického výzkumu 2014 na Vysokém učení technickém v Brně, grant FAST-S-14-2372 – Výzkum a tvorba surogačních modelů s využitím experimentů a parametrických CFD simulací.

LITERATURA

1. Šubrta, R.: Mikroklima ve veřejných budovách jako důvod instalace rekuperace. 2011, dostupná z http://www.e-c.cz/download1.php?id=131.
2. Pauliková, A. – Kapalo, P.: Metodika hodnotenia účinnosti vetrania miestností z hľadiska záťaže CO₂.Plynár – Vodár – Kúrenár + Klimatizácia. Roč. 10, č. 1 (2012), s. 11–13., 2012, ISSN 1335-9614.
3. Šikula, O. Počítačové simulace a jejich aplikace pro tvorbu prostředí bytových domů. Stavebnictví, 2008, roč. 08, č. 11–12, s. 56–59. ISSN: 1802- 2030. (dostupné online: http://www.casopisstavebnictvi.cz/pocitacove-simulace-a-jejich-aplikace-pro-tvorbu-prostredi-bytovych-domu_N1767) Citováno 21. 4. 2012.
4. FLUENT: Fluent6.3.26 – User’s guide Fluent Inc. 2007.
5. Vyhláška ministerstva zdravotnictví č. 6/2003 Sb. ze dne 16. prosince 2002, kterou se stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb.
6. Vyhláška ministerstva vnitra č. 20/2012 Sb., o hygienických požadavcích na stavby, ze dne 9. ledna 2012.
7. ČSN EN ISO 7730 Mírné tepelné prostředí – Stanovení ukazatelů PMV a PPD a popis podmínek tepelné pohody.

Text: Ing. Petra Vojkůvková; doc. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D.; Ing. Petr Vlček, Ing. Lucie Horká
Recenzovala: Ing. Zuzana Straková, Ph.D.
Autoři působí v Ústavu technických zařízení budov, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně,

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.