Hygienické parametry vnitřního prostředí ve třídě

Komfort žáků na základních školách neovlivňuje jen teplota vnitřního vzduchu ve třídách, ale i jeho kvalita. Kvalita vnitřního prostředí se dá prokázat například koncentrací CO₂. Reálné výsledky by měl mít k dispozici správce školních budov, aby mohl vytvářet zdravé vnitřní prostředí škol.

Měřeními, která se uskutečnila na vybrané základní škole v Tatranské Štrbě, se podařilo prokázat rozdílnost mezi požadovanou kvalitou prostředí a skutečnými naměřenými hodnotami. Na základě měření in-situ byl vy­pracován matematický model vybrané třídy a byla stanovena potřebná výměna vzduchu.

Hygienické požadavky na vnitřní vzduch

Budovy základních škol jsou specifické svým způsobem využívání a též samotným provozem. Žáci tráví přibližně 30 % svého života ve školách, což vede k potřebě dosáhnout požadované úrovně komfortu ve třídách v budovách základních škol. Komfort žáků neovlivňuje jen teplota vnitřního vzduchu, ale i jeho kvalita.

Požadavky na větrání ve třídách základních škol na Slovensku vyplývají z vyhlášky MZ SR č. 259/2008 Sb. z. o požadavcích na vnitřní prostředí budov, o minimálních požadavcích na byty nižšího standardu a na ubytovací zařízení [2]. Pro účely této vyhlášky se podle §1 ods. b dlouhodobým pobytem rozumí pobyt lidí, který trvá v průběhu čtyřiadvaceti hodin více než čtyři hodiny a opakuje se při dlouhodobém užívání budovy více než jednou za týden. Všechny vnitřní prostory základní školy s dlouhodobým a krátkodobým pobytem lidí je nutné větrat. Větrání je potřebné zabezpečit přirozeným nebo nuceným větráním.

Způsob větrání se určuje podle počtu osob, vykonávané činnosti, tepelné zátěže a míry znečištění ovzduší tak, aby se splnily požadavky na množství vzduchu na dýchání, na čistotu vnitřního ovzduší a aby lidé nebyli obtěžovaní pachovými látkami. Podle § 2 odst. 3 vyhlášky se výměna vzduchu přirozeným větráním používá v prostorách bez zdroje škodlivin a tepla, v nichž postačuje jedno- až dvounásobná intenzita výměny neupravovaného vzduchu a v nichž lze polohou a stavebním řešením zabezpečit požadovanou výměnu vzduchu. Podle odst. 4 vyhlášky se v ostatních budovách zabezpečí výměna vzduchu nuceným mechanickým větráním, a to:

• podtlakovým, pokud vzduch obsahující škodliviny nemá z větrané místnosti pronikat do sousedních prostorů;
• přetlakovým, pokud se zamezuje pronikání škodlivin ze sousedních prostorů do větrané místnosti;
• tlakovým vyrovnáním, pokud se nemá měnit vzduch mezi větranou místností a ostatními prostory.

Obr. 1  Infiltrace vzduchu přes otvorovou konstrukci

Požadavky na kvalitu vnitřního ovzduší

Požadavky na kvalitu vnitřního ovzduší stanovuje v USA a v některých dalších zemích American Standard ASHRAE 62 [3], zatímco ve většině evropských zemí, stejně jako v některých jiných zemích, evropská norma prEN 13779 [4]. Tyto dva dokumenty nejsou totožné. Americká norma stanovuje minimální hodnotu 8 l/s/osobu na požadované množství čerstvého vzduchu ve třídách na základě vnitřní maximální koncentrace CO₂ 700 ppm. Evropská norma definuje tři úrovně výkonu, IDA1, IDA2 a IDA3, založené na koncentraci CO₂ – 800, 1 000 a 1 500 ppm. Je zřejmé, že i ten nejpřísnější evropský požadavek IDA1 je mírnější, než je požadavek ASHRAE.

Ve třídách, kde je zákaz kouření, prEN 13779 umožňuje větrání s rychlostí 4 l/s/osobu pro stupeň IDA3, což je poloviční rychlost výměny vzduchu než v ASHRAE. Existuje i místní izraelská regulace, která je ve fázi přípravy. Záměrem je navrhnout kompromisy mezi oběma uvedenými dokumenty. Toto plánované regulační ustanovení spotřeby čerstvého vzduchu na úrovni přibližně 5 l/s/osobu následně vede k požadavku na výměnu vzduchu 720 m³/h v předpokládané třídě, v níž by se nacházelo čtyřicet žáků. Tento předpoklad stanovuje výměnu vzduchu ve třídě na n = 5 1/h.

Měření in-situ na ZŠ Štrba

Experimentální měření na ZŠ v Tatranské Štrbě se uskutečnilo ve dvou fázích. Nejprve se uskutečnilo přípravné měření, které bylo zaměřeno na pozorování a chování studentů během vyučování a na jejich návyky. Výsledky a poznatky z tohoto měření byly analyzovány a na jejich základě bylo připraveno hlavní měření.

Měření kvality vnitřního prostředí bylo uskutečněno ve třídě 2. ročníku, 5. ročníku, 8. roč­níku a též na komunikační chodbě nacházející se před třídami. Třídy byly rozměrově identické, s touž orientací na světové strany. Do každé třídy je jediný přístup dveřmi, které se vždy nacházejí ve stěně proti oknům a vedou do chodby. Světlá výška místnosti je 3 400 mm. Celkový objem každé třídy je 178,5 m³.

Obr. 2  Grafy koncentrace CO₂ a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během vyučování [10]

Infiltrace vzduchu

V důsledku tlakového rozdílu vyvolaného gravitační silou a působením větru proudí vzduch do budovy a z ní přes netěsnosti v obalové konstrukci nebo přes otevřené póry použitých stavebních materiálů. Toto nekontrolované proudění vzduchu a jím způsobenou výměnu vzduchu lze považovat za druh přirozeného větrání [7].

Stanovení vzduchové propustnosti třídy, tzv. Blower door test, podle STN EN 13 829 [5] umožňuje určit jeden z parametrů, který vstupuje do numerického simulačního programu EnergyPlus [9]. Tato měření se uskutečnila opakovaně ve všech ověřovaných třídách tak, aby se snížilo riziko nepřesnosti jednoho měření.

Měření vzduchové propustnosti byla vykonána ve všech analyzovaných třídách v tentýž den. Měření podle STN EN 13 829 [5] byla provedena vícenásobně, aby se eliminovalo riziko vzniku chyby jednoho měření. Výsledky měření ve všech analyzovaných třídách byly téměř totožné. Hodnota vzduchové propustnosti, která se uvažovala v simulaci, byla n =1,5 1/h.

Vnitřní prostředí ve třídě

Koncentrace CO₂ ve třídě je dynamická veličina. Mění se v době, kdy je třída prázdná, a mnohem výrazněji se mění, když jsou ve třídě žáci. Koncentrace CO₂ ve vnějším ovzduší měla průměrnou hodnotu 380 ppm během celého měření. Této hodnoty se ve třídě nepodařilo dosáhnout ani během vyučování, kdy byla okna otevřena, ani v období, kdy byly třídy prázdné a výměna vzduchu se uskutečňovala infiltrací a exfiltrací. Nárůst koncentrace začíná hned, když přicházejí do třídy žáci. Tento nárůst začínal standardně po 7:20 h.

Obr. 3  Grafy koncentrace CO₂ a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Rychlost nárůstu, jakož i pokles koncentrace CO₂, se nedají přesně stanovit. Není možné stanovit, jaký budou mít průběh. Jak vidíme na grafech dokumentujících měření, průběhy teploty vzduchu ve třídě a koncentrace CO₂ jsou při výrazných a náhlých změnách navzájem podobné. Tato podobnost ovlivňuje množství otevřených oken ve třídě. Z celkových průběhů teploty vzduchu, jakož i koncentrace CO₂ ve třídě, není možné jednoznačně stanovit závislost. Ve vybraných analyzovaných úsecích však lze pozorovat vzájemný pokles obou parametrů. Tento jev nastává v době vybraných přestávek během vyučování, kdy jsou třídy prázdné a výměna vzduchu ve třídě postačuje na to, aby byl pokles koncentrace výrazně vyšší.

V době, kdy jsou třídy prázdné, se dá pozorovat postupný pokles koncentrace CO₂ zapříčiněný infiltrací a exfiltrací vzduchu. Průměrná koncentrace CO₂ při příchodu prvních žáků 2. ročníku je 525 ppm. Tato průměrná hodnota je o 145 ppm vyšší, než je průměrná koncentrace CO² ve venkovním ovzduší během celého měření. Z těchto poznatků se dá poukázat i na skutečnost, že samotnou infiltrací vzduchu není možné zabezpečit větrání tříd na úroveň koncentrace CO₂ v exteriéru. Tento poznatek prokazují i výsledky měření realizovaných během celého týdne, přičemž vidíme jasnou tendenci nárůstu během každého následujícího dne v průběhu celého týdne.

Větrání tříd

Z analýz větrání 2. třídy jasně vidíme vysokou míru variability otevírání oken. Tento fakt je na základě osobního poznání, jakož i věku studentů připisován subjektivnímu hodnocení vyučujícího, který bral na zřetel kvalitu parametrů vnitřního prostředí během vyučování. Z výsledků lze prokázat i nejvíce vyrovnaný průběh sledovaných parametrů během všech dnů. Z analýzy vyplývá, že otevření tří oken zabezpečuje výměnu vzduchu postačující na to, aby koncentrace CO₂ neměla stoupající charakter, ale zachovala si hodnotu, která byla v té době.

Nepostačuje to však na to, aby se koncentrace dostala pod normou přípustnou hodnotu 1 000 ppm. Otevření čtyř oken zabezpečuje výměnu vzduchu, která způsobí klesající charakter koncentrace CO₂ ve třídě. Tyto poznatky se vztahují jen na analyzované období. Z analýzy větrání je možné prokázat, že průměrný počet otevřených oken se během vyučování v jednotlivých třídách stejně měnil.

Průměrná hodnota počtu otevřených oken v době, kdy probíhá vyučování, je

• ve třídě 2. ročníku – 2,65,
• ve třídě 5. ročníku – 3,64,
• ve třídě 8. ročníku – 3,42.

Dynamická simulace tříd

V programu SketchUp byl vymodelován počítačový model [8]. Šlo o vybranou třídu s typickými rozměry. Všechny analyzované třídy byly totožné, včetně oken. Tento model byl použit pro všechny třídy. Variabilita modelu spočívala v obsazenosti třídy žáky, produkci CO₂ žáky a frekvenci větrání. Klimatické údaje zadávané do programu EnergyPlus [9] v rámci jednoho týdne simulace byly totožné pro každou třídu a vycházely z naměřených a analyzovaných údajů z meteorologické stanice umístěné před fasádou třídy na nedalekém hřišti vzdáleném přibližně 50 m od průčelí budovy. Parametrické simulace byly vypracovány pro charakteristickou třídu v ZŠ Tatranská Štrba s analyzovanou obsazeností třídy žáky s různým věkem, přesným rozvrhem větrání, analyzovanými klimatickými údaji a vzduchovou propustností třídy.

Analýza stavu vnitřního prostředí ve třídách byla prováděna v časovém období od 10. 12. 2013 do 16. 12. 2013. Při variování zmíněných parametrů ve třídách se analyzovala míra vlivu na kvalitu vnitřního prostředí ve třídách.

Z vyhodnocení výsledků parametrických simulací vyplynulo několik poznatků:

• přirozené větrání při intenzitě výměny vzduchu 3,5 až 4,0 1/h během dne, kdy jsou třídy obsazeny, pomáhá udržovat teplotu vnitřního vzduchu v analyzované zóně na úrovni 20 až 24 °C v souladu s vyhláškou MZ SR č. 259/2008 Z. z. při analyzovaných klimatických údajích; akumulační schopnost stavebních konstrukcí a vnitřní tepelné zisky především od lidí (žáků) se výrazně podílejí na udržování vnitřní teploty během intenzivního přirozeného větrání, kdy je výměna vzduchu nad 4,5 1/h;

• •    vliv vzduchové propustnosti není nezanedbatelný ani u budovy školy, na níž byla vykonána významná obnova; výměna vzduchu, jak bylo prokázáno metodou Blower door test v souladu s STN EN 13829 a rovněž na základě výsledků parametrických simulaci, není postačující na to, aby se následující vyučovací den ve třídě nezvyšovala koncentrace CO₂ v porovnání s koncentrací CO₂ v exteriéru; naměřené hodnoty koncentrace CO₂ byly vždy pod úrovní 1 000 ppm, ale rychlý nárůst koncentrace CO₂ při příchodu žáků do třídy byl jasně detekovaný už během první vyučovací hodiny; analyzovaná hodnota se proto považuje za nepostačující; výjimkou z naměřených hodnot byl první vyučovací den, tj. pondělí, kdy se analyzovala hodnota koncentrace CO₂ v porovnání s průměrnou koncentrací CO₂ během analyzovaného týdne 380 ppm; každý další vyučovací den se průměrná hodnota koncentrace CO₂ v době příchodu žáků do tříd zvyšovala; z výsledků měření in-situ se stanovila vzduchová propustnost podle metody Blower door test 1,51 1/h; na základě výsledků parametrických simulací byla průměrná hodnota výměny vzduchu v době, kdy nebyly třídy obsazené žáky a za podmínky zavření všech oken, 1,83 1/h;
• •    z analýzy stavu vnitřního prostředí na komunikační chodbě před třídami vyplývá, že kvalita vnitřního prostředí prokázaná hodnocenými parametry je výrazně lepší než ve všech třídách; tyto hodnoty se potvrdily během celého vyučovacího dne;
• •    ve všech analyzovaných třídách se výměna vzduchu zabezpečovala přirozeným větráním; výměna vzduchu měla proměnlivou hodnotu, kterou ovlivňoval počet otevřených oken v jednotlivých třídách; z vyhodnocení parametrických simulací se detekoval stoupající trend výměny vzduchu v závislosti na věku žáků;

průměrná výměna vzduchu v čase obsazenosti třídy byla:

• třída 2. ročníku – n = 5,1 1/h,
• třída 5. ročníku – n = 5,6 1/h,
• třída 8. ročníku – n = 6,2 1/h;

• na základě parametrických simulací jednotlivých zón vyhotovených v programu EnergyPlus [9] se dá jednoznačně prokázat, že hodnota výměny vzduchu n = 0,5 1/h uvažovaná ve výpočtech energetické hospodárnosti podle STN 73 0540-2: 2012 je nepostačující na zabezpečení vyhovujícího vnitřního prostředí ve vztahu ke koncentraci CO₂; ve vyhlášce MZ SR č. 259/2008 Sb. z. je uveden příklad parametrů tepelně-vlhkostního mikroklimatu v prostorách se specifickými požadavky, kde je hodnota výměny vzduchu ve školách a předškolních zařízeních (učebny) stanovena n = 3 až 8 1/h; výsledky parametrických simulací prokázaly, že hodnota výměny vzduchu n = 3 1/h je též nepostačující.

Obr. 4  Koncentrace CO₂, počet a délka otevření oken během vyučování ve třídě 2. ročníku [10]

Co prokázalo měření in-situ?

Úroveň výměny vzduchu, která vstupuje do výpočtu energetické hospodárnosti budov základních škol, je stanovena na základě STN 73 0540-2: 2012 [6]. Výpočtové metody energetické hospodárnosti budov zohledňují hodnotu výměny vzduchu ve třídách alespoň n = 0,5 1/h. Tato hodnota, jak se prokázalo měřením in-situ ve všech třídách a jejich následnou analýzou a aplikací v parametrických simulacích v programu EnergyPlus, je nepostačující.
Prokázala se potřeba variability výměny vzduchu v závislosti na obsazenosti třídy a produkce CO₂ jako hlavní indikátor kvality vzduchu. Výměnu vzduchu postačující na zabezpečení požadované kvality vnitřního prostředí je možné dosáhnout i intenzivním přirozeným větráním. Tento způsob větrání je náročný na potřebu tepla na vytápění budov především v zimním období, což je v rozporu s trendem snižování potřeby/spotřeby energie na vytápění.

TEXT: Ing. Miroslav Javorček, prof. Ing. Zuzana Sternová, Ph.D.
OBRÁZKY: archiv autorů

Autorka je ředitelka Technického a zkušebního ústavu stavebního, n. o.

Literatura

1. STN EN 15251: 2008: Vstupní údaje o vnitřním prostředí budov na navrhování a hodnocení energetické hospodárnosti budov – kvalita vzduchu, tepelný stav prostředí, osvětlení a akustik, SÚTN.
2. Vyhláška č. 259/2008 Sb. z. Ministerstva zdravotnictví Slovenské republiky z 18. června 2008 o podrobnostech o požadavcích na vnitřní prostředí budov a o minimálních požadavcích na byty nižšího standardu a na ubytovací zařízení.
3. ANSI/ASHRAE 62-1999. Ventilation for acceptable indoor air quality. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
4. CEN, prEn13779: 1999: E. Ventilation for buildings performance requirements for ventilation and air-conditioning systems. CEN, European committee for standardization, Brussels.
5. STN EN 13829: 2001: Tepelnětechnické vlastnosti budov. Stanovení vzduchové propustnosti budov. Metoda přetlaku pomocí ventilátoru, SÚTN.
6. STN 73 0540-2: 2012: Tepelná ochrana budov. Tepelnětechnické vlastnosti stavebních konstrukcí a budov. Část 2: Funkční požadavky, SÚTN.
7. STN EN 15242: 2007: Větrání budov. Výpočtové metody na stanovení průtoku vzduchu v budovách včetně infiltrace, SÚTN.
8. SketchUp, Last Software z Boulder, Colorado, Bradom Schellom a Joem Eschom, 1999.
9. EnergyPlus simulační program, US Department of Energy.
10. Javorček, M.: Analýza výmeny vzduchu v triedach budov základných škôl. Bratislava: STU v Bratislavě, Stavební fakulta, 2016. Dizertační práce.