Experimentální měření CO2 a intenzity výměny vzduchu v bytovém domě

Nejvyšší intenzita bytové výstavby v evropských zemích byla zaznamenána v 50. letech 20. století, a to v důsledku ekonomických změn a rostoucí populace [1]. Většina bytových domů, především ve střední Evropě, byla postavena s využitím panelových technologií. Dnes se rekonstrukce bytového fondu stala z důvodu nedostatečné údržby bytových domů jedním z nejdůležitějších opatření z hlediska úspor energie.

V současnosti jsme svědky přerodu stavební sféry, v rámci něhož budou navrhování, výstavba a provoz budov stále více podléhat environmentálním požadavkům. Lidé stráví v interiéru více než 80 % ze svého života, proto by budova měla splňovat nejen požadavky na energetickou efektivnost, ale i kritéria pro zdravé a příjemné prostředí.

Komplexní rekonstrukce bytového domu může jednoznačně přispět ke zlepšení kvality vnitřního prostředí, ale bez důkladného plánování a realizace může ovlivnit vnitřní prostředí nežádoucím způsobem [4].
Cílem studie, z níž vznikl tento článek, bylo hodnotit vliv energeticky úsporných opatření na kvalitu vnitřního vzduchu a podrobněji je hodnotit a analyzovat na základě objektivního hodnocení kvality vzduchu.

Obr. 1 Posuzovaný bytový dům v původním stavu a po obnově

Charakteristika vybraného bytového domu

V rámci případové studie byl vybrán bytový dům na obr. 1, postavený v roce 1964. Objekt je vytápěn centrálními zdroji tepla, funguje v něm přirozené větrání. Odsávání (obr. 2) je nainstalováno jen v hygienických místnostech (koupelny a toalety).

Obvodové a štítové stěny objektu jsou keramzitbetonové. Střešní plášť tvoří jednoplášťová plochá střešní konstrukce. Nosná konstrukce je z dutinových stropních desek. Před obnovou bytového domu nebyla na objektu vykonána žádná výrazná rekonstrukce kromě výměny původních dřevěných okenních konstrukcí za nová plastová okna s izolačním dvojsklem.

Bytový dům byl obnoven v roce 2015. Na zateplení obvodového pláště byl použit expandovaný pěnový polyethylen s tloušťkou 80 mm. Na zateplení střešní konstrukce byla použita minerální vlna s tloušťkou izolantu 120 mm.
Kromě uvedených energeticky úsporných opatření byly během obnovy objektu izolovány ležaté a stoupací rozvody vytápění a teplé vody, a to polyethylenovým pěnovým materiálem (obr. 2). Na jednotlivé rozvody byly nainstalovány i nové regulační armatury a vytápěcí soustava byla regulována.

Obr. 2 Pohled na stoupací potrubí a větrání koupelny ve vybraném bytovém doměObr. 2 Pohled na stoupací potrubí a větrání koupelny ve vybraném bytovém domě

Energetická náročnost objektu

Po vykonání uvedených energeticky úsporných opatření se celková dodaná energie snížila o 55 %. Podle zákona o energetické hospodárnosti budov byl bytový dům v původním stavu zatříděný do energetické třídy E (159 kWh/(m² . a)), zatímco po obnově byl objekt zařazen do třídy B (74 kWh/m² . a) [5]. Energetický štítek bytového domu před a po obnově je uveden na obr. 3.

Obr. 3 Energetický certifikát bytového domu před a po obnově

Metodologie hodnocení koncentrace CO₂ a intenzity výměny vzduchu

Případová studie se věnuje hodnocení kvality vnitřního vzduchu v bytovém domě. Údaje byly získány z objektivních měření koncentrace oxidu uhličitého ve vybraných bytech.

Metodika měření z hlediska veličin
Koncentrace oxidu uhličitého (CO₂) je ukazatelem kvality vnitřního vzduchu. Udává se v jednotkách ppm (částice na milion), které udávají počet částic CO₂ nacházejících se v milionu částic vzduchu (10 000 ppm = 1 %). Koncentraci CO₂ ovlivňuje ve významné míře fyzická aktivita člověka, počet osob v místnosti a intenzita výměny vzduchu v místnosti. Hranice přijatelnosti koncentrace CO₂ jsou mezi 1 000 až 1 200 ppm, což lze zabezpečit větráním s intenzitou 22 až 29 m³ vzduchu za hodinu na osobu při koncentraci přívodního vzduchu na úrovni přibližně 330 až 370 ppm [6].

Obr. 4 Přístroj na měření koncentrace CO2

Metodika měření z hlediska přístrojů
Sběr dat koncentrace CO₂ byl uskutečněn pomocí VAISALA CO₂ vysílače (obr. 4). Tento přístroj byl umístěn v ložnicích vybraných bytových jednotek během osmi dnů.

Metodika měření z hlediska času a místa
Měření byla realizována během vytápěcí sezony v lednu 2015 a 2016. Přístroje na snímání parametrů kvality vzduchu byly umístěny ve dvaceti bytech vybraného objektu. CO₂ vysílač byl umístěn v ložnici a zaznamenával údaje v pětiminutových intervalech.

Výpočet intenzity výměny vzduchu
Intenzita výměny vzduchu byla vypočítána u každého posuzovaného bytu před a po obnově bytového domu na základě naměřené koncentrace CO₂ během osmi nocí. Pro výpočet bylo nutné poznat i fyzický stav obyvatelů (hmotnost a výšku) a obsazenost pokojů během nočních hodin. Tyto informace byly zjištěny z dotazníkového průzkumu. Pro výpočet byl použit program CO₂ Air Change Tracer, do něhož byly zahrnuty veškeré údaje týkající se fyzického stavu obyvatelů, noční koncentrace CO₂ a objemu místnosti, kde probíhalo měření. Na základě těchto informací vypočítal software výsledné hodnoty intenzit výměny vzduchu metodou zvyšující se koncentrace [8] podle vzorce

kde
Ci(t)    je koncentrace CO₂ v čase t (h) (ppm),
Co    – počáteční koncentrace CO₂ v čase t = 0 (ppm),
Ca    – vnější koncentrace CO₂ (ppm),
λ        – intenzita výměny vzduchu (1/h),
F    – přibližná rychlost generace CO2 na osobu (l/h),
VR    – objem místnosti (m³),
ti        – čas (h).

Přibližná rychlost generace CO₂ na osobu je definovaná jako

kde
RQ    je respirační koeficient (0,83) (–),
H     – výška obyvatelů (m),
W    – hmotnost obyvatelů (kg),
M    – metabolická aktivita (1 met) (met).

Výsledky fyzikálních měření

Výsledky z fyzikálních měření zahrnují analýzu koncentrace CO₂ a intenzity výměny vzduchu na základě získaných dat z experimentálních měření.

Koncentrace CO₂
Příklad průběhu koncentrací CO₂ je znázorněn na obr. 5. Výsledky ukazují zřetelně vyšší koncentrace po obnově objektu. Zelená čára ukazuje maximální doporučenou hodnotu koncentrace.
Boxový diagram (obr. 6) znázorňuje koncentraci CO₂ po celou dobu měření jako základní statistický výstup získaných údajů. Dolní a horní čtverečky reprezentují percentil 25 a 75, pás uprostřed boxů označuje medián. Kruh uprostřed čtverečků znázorňuje průměr. Šipky nad a pod čtverečky ukazují maximální a minimální naměřené hodnoty.

Obr. 5 Průběh koncentrace CO2 (ppm) během dvou dnů před a po obnově bytového domu

Prezentované tabulky ukazují koncentraci CO₂ ve vybraném bytovém domě před a po jeho obnově. Výsledky charakterizují jak denní, tak i noční periodu měření. Tab. 1 a 2 obsahují údaje o průměrné, průměrné minimální a průměrné maximální koncentraci CO₂. Hraniční hodnoty koncentrace CO₂, které byly podle získaných údajů ve studii překročeny, jsou prezentovány v tab. 3 a 4.

Intenzita výměny vzduchu
Hodnoty intenzity výměny vzduchu před a po obnově jsou prezentovány v tab. 5. Boxový graf na obr. 7 ukazuje percentil 25 a 75 a medián hodnot.

Obr. 7 Boxový diagram znázorňující intenzitu výměny vzduchu jako základní statistický výstup hodnot před a po obnově bytového domu

Diskuse

Na základě získaných výsledků se dá konstatovat, že obnova bytových domů může ovlivnit kvalitu vnitřního vzduchu. Tato změna může vést ke snížení intenzity výměny vzduchu a zvýšení koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním prostředí [9]. Vysoké koncentrace CO₂ však mohou ve velké míře ovlivnit kvalitu života lidí (pohodlí a zdraví) ve vnitřních prostorech. Koncentraci této látky přímo ovlivňuje kvalita namontovaných transparentních konstrukcí [7], které byly použity při obnově bytového domu. Intenzitu výměny vzduchu ovlivňují i větrací návyky obyvatelů.

Zateplením obvodového pláště se objekt stává těsnějším, takže vnitřní prostředí vyžaduje větší frekvenci a dobu větrání pro odstranění škodlivých látek nacházejících se ve vnitřním vzduchu. S vyšší frekvencí větrání se sníží koncentrace CO₂, dosáhne se i vyšší hodnoty intenzity výměny vzduchu [7].

Závěr

Komplexní obnova bytových domů může přispět ke snížení kvality vnitřního vzduchu v jednotlivých bytech. Nebudou-li přijata opatření především pro snížení koncentrace CO₂ a zvýšení intenzity výměny vzduchu (např. instalace centrálních inteligentních nebo mechanických větracích systémů), obyvatelé budou muset větrat více, aby se zlepšila kvalita vnitřního vzduchu a dosáhlo se alespoň té úrovně, kterou měli před obnovou jejich objektu.
 
Literatura

1. Jurelionis, A. – Seduikyte, L.: Assessment of indoor climate conditions in multifamily buildings in Lithuania before and after renovation. 2nd International conference advanced construction. Kaunas, Lithuania. 2010.
2. Dostupné na: www.bpie.eu (Building Performance Institute Europe)
3. Földváry, V. – Bekö, G. – Petráš, D.: Impact of energy renovation on indoor air quality in multifamily dwellings in Slovakia. Proceedings of Indoor Air 2014, Hong Kong, Paper No. HP0143. 2014.
4. Földváry, V. – Pustayová, H.: Obnova bytových domov z pohľadu zabezpečenia kvality vnútorného vzduchu. In: Komplexná obnova bytových domov 2013: VII. Medzinárodná odborná konferencia. Legislatívne a technické nástroje znižovania energetickej náročnosti bytových domov. Podbanské,  20. –  22. 11. 2013. Bratislava: Združenie pre podporu obnovy bytových domov, 2013. s. 43 – 46.
5. Zákon č. 300/2012 Z. z. o energetické hospodárnosti budov.
6. Földváry, V. – Petráš, D.: Vplyv komplexnej obnovy na kvalitu vnútorného vzduchu: Ako dopadol prieskum vo vybraných bytových domoch? In: TZB Haustechnik, roč. 22, č. 5, 2014, s. 52 – 54.
7. World Health Organization: Selected pollutants.
Web: http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0009/128169/e94535.pdf  
8. Standard Guide for Using Indoor Carbon Dioxide Concentrations to Evaluate Indoor Air Quality and Ventilation. 2002.
9. Noris F. – Delp, W. – Vermeer, K. – Adamkiewicz, G. – Singer, B. – Fisk, W.: Protocol for maximizing energy savings and indoor environmental quality improvements when retrofitting apartments. Energy and Buildings, vol. 61, pp. 378 – 386, 2013.
10. Sánka, I.: Analýza kvality vnútorného vzduchu vo vybraných bytových domoch pred a po ich komplexnej obnove. Slovenská Technická Univerzita v Bratislavě, SvF, Katedra TZB, Práce ŠVK, 2015.

Text: Ing. Imrich Sánka, Ing. Veronika Földváry, Ph.D.
Foto a obrázky: autoři
Autoři působí na Katedře TZB SvF STU v Bratislavě.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, Ph.D.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2016.