Koncentrace oxidu uhličitého v panelových domech po obnově

Obnova bytových domů se zaměřuje především na zlepšení tepelnětechnických vlastností, čehož se dosahuje zateplením budovy. Ve většině případů se však nikdo nezabývá jeho důsledky na vnitřní prostředí. Jedním z negativních důsledků je zvýšená koncentrace CO₂ v bytech.

V současnosti je přibližně pětatřicet procent všech budov v EU starších než padesát let [2]. Z toho vyplývá, že největší potenciál na snižování energetické náročnosti mají hlavně existující budovy. Ve většině případů dojde u těchto budov k významné obnově, která je založena především na zásadním zlepšení tepelnětechnických vlastností obálky budovy, na kvalitu vnitřního prostředí se však u této obnovy často zapomíná. Právě proto se tento článek věnuje problematice kvality vnitřního prostředí v bytových domech, přičemž se konkrétně zaměřuje na monitorování hladiny koncentrace CO₂ ve vybraných bytech.

Samotné monitorování vnitřního prostředí však není řešením. Jde o informace, které dokumentují stav v monitorovaných bytech bez opatření. Vnitřní prostředí významně ovlivňuje naše fyzické zdraví a duševní pohodu, a protože v něm trávíme až devadesát procent času, je dodržení jeho kvality velmi důležité. Kvalitu vnitřního prostředí v budovách ovlivňuje mnoho vnitřních a vnějších faktorů, především jsou to však teplotně-vlhkostní a odérové faktory [3], [4].

Monitorováním vnitřního prostředí je možné odhalit případný problém, ale jde jen o informaci, která je často uživatelům oznámena až po vyhodnocení, není tedy známa v době vzniku. Existují však moderní technologie, které umožňují poskytnout informace o problémech v reálném čase.

Vnitřní prostředí a požadavky

Požadavky na kvalitu vnitřního prostředí jsou legislativně upraveny v zákonech [5], [6], [7], normách [8], vyhláškách a nařízeních vlády [9] a [10]. Když se detailněji podíváme na skladbu škodlivých látek, které mohou ovlivňovat vnitřní prostředí staveb [11], a na možnosti jejich monitorování [12], jako nejjednodušeji měřitelná a dostatečně vypovídající veličina na popsání kvality vnitřního prostředí vychází koncentrace CO₂.

Oxid uhličitý je plyn bez barvy a zápachu. Vzniká při procesu spalování uhlovodíkových paliv a také při obyčejném dýchání. Nejčastěji se jeho koncentrace vyjadřují v jednotkách ppm (parts per milion). Za hraniční hodnotu koncentrace CO₂ se považuje 1 000 ppm – tato hodnota se nazývá i Pettenkoferovo kritérium. Uvádí se, že při překročení koncentrace 1 000 ppm se může objevit pocit ospalosti a vydýchaného vzduchu, nad 2 000 ppm se zhoršuje schopnost koncentrace a některé osoby pociťují i bolest hlavy.

Nad 5 000 ppm se objevuje zrychlený tep. Koncentrace přesahující 45 000 ppm vedou ke ztrátě vědomí a k smrti. Legislativní požadavky na koncentraci CO₂ jsou uvedeny například ve vyhlášce č. 268/2009 Sb. V § 11 ods. 5 se uvádí, že: „Jako ukazatel kvality vnitřního prostředí slouží oxid uhličitý CO₂, jehož koncentrace ve vnitřním vzduchu nesmí překročit hodnotu 1 500 ppm.” [13].

K zjištění kvality vnitřního prostředí, hlavně koncentrace CO₂ v pobytových prostorách, se používají různé metody měření a měřicích zařízení [14], [15], [16], [17].

Monitorovaná lokalita a budovy

Měření probíhala v lokalitě městské části Brno-Nový Lískovec (obr. 1). Lokalita je zařazena do kategorie s intenzivními větry, s výpočtovou teplotou -12 °C, umístění měřených budov v lokalitě je nechráněné. V městské části se nachází především typová bytová výstavba panelových domů v soustavě T06B a 70 R/K z 60. až 80. let 20. století, která prochází od začátku nového tisíciletí postupnou revitalizací.

Obr. 1 Městská část Brno – Lískovec [21]

Monitorování kvality vnitřního prostředí se soustředilo jen na vybrané revitalizované panelové domy, u nichž bylo realizováno zateplení obálky budovy a byly vyměněny výplňové otvory. Klasifikační ukazatel energetické hospodárnosti budov spadá u všech monitorovaných bytových domů do energetické třídy C. Větrání všech sledovaných bytů je řešeno přirozeně (pomocí otevírání oken).

Městská část Brno-Nový Lískovec je zařazena jako pilotní lokalita v projektu Inteligentní regiony [18] pod záštitou Technologické agentury ČR (TAČR). Z tohoto důvodu zde probíhají dlouhodobá měření a implementují se nové technologie a trendy v rámci koncepce Smart City.

Měření v bytech se realizují od roku 2015 a v současnosti je monitorováno pět bytů v pěti bytových domech, u nichž jsou sledovány parametry vnitřního prostředí, jako koncentrace oxidu uhličitého, teplota, vlhkost a další.

Monitorování CO₂

Cílem monitorování bylo poukázat na překračované koncentrace CO₂ v bytové výstavbě. Kromě jiných parametrů byla měřena teplota a relativní vlhkost. Měření probíhají od ledna 2015, přičemž časový krok měřených hodnot byl nastaven na patnáct minut.

Přístroje na měření veličin byly umístěny podle doporučení [19] tak, aby byly naměřené hodnoty co nejméně ovlivňovány okolím. V článku jsou uvedeny výsledky měření, která probíhala v referenčním bytě 1. Byt 1 má dispozici 4+1 a bydlí v něm šest osob, z toho dva dospělí a čtyři děti.

Výsledek monitorování

Výsledky měření poukazují na problémy s přesahujícími koncentracemi CO₂. V grafu na obr. 2 vidíme, jak se koncentrace oxidu uhličitého pohybovaly během jednoho týdne v obývacím pokoji v referenčním bytě 1.

Obr. 2 Koncentrace CO₂ v bytě v průběhu týdne  

Z těchto výsledků je zřejmé každodenní překračování hraniční koncentrace oxidu uhličitého 1 500 ppm (podle vyhlášky č. 268/2009 Sb.). Hodnoty koncentrací CO₂ dosahují v některých intervalech až 3 500 ppm. Koncentrace jsou vyhovující při nízké obsazenosti pokojů, když začne koncentrace klesat díky infiltraci čerstvého vzduchu.

Je třeba si uvědomit, že problém nastává v určitých časových intervalech, kdy jsou byty obsazeny obyvateli. Koncentrace CO₂ nás zajímají především v době obsazení bytu osobami, jejichž přítomnost má vliv na kvalitu vnitřního prostředí, a tedy i na kvalitu bydlení. Dospělý člověk vyprodukuje v průměru 35 000 až 50 000 ppm CO₂ (stokrát více, než je CO₂ ve vnějším vzduchu).

Bez dostatečného přísunu čerstvého vzduchu potřebného na zředění koncentrace CO₂ nastává jeho hromadění. Graf na obr. 3 zobrazuje typický den pracovního týdne a víkendu ve vybraném bytě.

Obr. 3 Koncentrace CO₂ v průběhu vybraného pracovního dne a víkendu v bytě 1

Sledovanou místností je obývací pokoj v bytě 1. Jde o společenskou místnost, pro níž je charakteristické shromažďování osob v určitých částech dne. Charakter užívání se promítá i do koncentrací CO₂ – z grafu na obr. 3 jsou zřejmé vyšší koncentrace CO₂ v odpoledních a večerních hodinách, kdy překračují hraniční hodnotu 1 000 ppm.

V tab. 1 je ukázán vztah mezi koncentracemi oxidu uhličitého a přísunem čerstvého vzduchu potřebného na zředění koncentrace CO₂ na určitou hranici. Hodnoty CO₂ v tab. 1 jsou přibližné – jsou založeny na zjednodušení, u nějž se počítá s dospělou osobu produkující konstantní množství CO₂, s konstantní rychlostí odvětrávání, koncentrací CO₂ ve vnějším vzduchu 380 ppm a s ideálním mísením vzduchu. Samozřejmě že reálné podmínky jsou výrazně jiné a nepředvídatelné.

V reálných podmínkách existuje mnoho proměnných hodnot, jako je obsazenost, vydechovaná koncentrace CO₂, povětrnostní podmínky, rychlost přiváděného vzduchu, které ovlivňují mísení vzduchu a množství dalších faktorů. Pro tuto proměnlivost je nejvhodnější měřit aktuální koncentrace CO₂ přímo v místnosti a větrání přizpůsobit aktuálním podmínkám, ať už jde o přirozené, nebo nucené větrání.

Přirozené větrání okny by se mělo realizovat celým průřezem okna po krátkou dobu (pět až deset minut). Otázkou však je, jak donutit lidi větrat. V mnoha bytech nejsou ukazatele koncentrace CO₂ a lidé často nejsou informováni o problémech s kvalitou ovzduší uvnitř budovy.

Základním opatřením je informování a vzdělávání uživatelů. Další úrovní opatření je senzor monitorující oxid uhličitý. Nejvyšší úrovní opatření je systém nuceného větrání, který řeší problém automaticky. Tento systém je však velmi často problematické v existujících budovách realizovat. A to jak z technického hlediska, tak i z hlediska finanční dostupnosti.

Obr. 4 Senzor s uživatelskou interakcí

Často postačuje inteligentní řešení v podobě senzoru s uživatelskou interakcí (obr. 4). Může jít o automatický systém, který vyhodnocuje úroveň koncentrace CO₂ a informuje uživatele bytu, kdy a jak dlouho mají větrat. Může jít např. i o externí aplikaci v chytrém telefonu, aplikaci na webu nebo inteligentní měřič s vyhodnocovacím procesem a indikátorem koncentrace, který komunikuje s uživateli.

Viditelnost měřených hodnot

Jak však shromažďovat data ze zařízení, jako jsou snímače a měřiče, a jak tyto údaje vizualizovat? Nový přístup představuje tzv. internet věcí. Internet věcí umožňuje zvýšení viditelnosti a povědomí dat z monitorování díky inteligentním senzorům a inteligentním měřicím přístrojům. Díky tomu se mohou údaje ze senzorů v reálném čase snadno shromažďovat a analyzovat tak, aby se zlepšilo rozhodování a informování uživatele.

Internet věcí

Internet věcí (IoT) poprvé použil v roce 1999 Kevin Ashton [22]. Tento trend se stal novou technologickou revolucí. Tuto skutečnost potvrzují miliardy připojených zařízení, v roce 2008 byl počet přístrojů roven počtu lidí na Zemi. Očekává se, že bude mít týž nebo větší dosah než samotný internet. Odhaduje se, že v roce 2020 bude na internet věcí připojených dvacet šest miliard objektů. Internet věcí je definován jako vzájemná propojenost věcí, služeb a uživatelů. Je to souhra inteligentních zařízení a inteligentních komunikačních technologií. Tok informací a událostí generovaných zařízením lze využít k zjednodušení procesů řízení, sledování a koordinace.

Pro internet věcí je klíčová komunikace, a to se zařízeními, uživateli a službami. Komunikační technologie ovlivňují použitelnost zařízení. V současnosti se objevují nové komunikační sítě, které jsou určeny pro zařízení internetu věcí. Mezi ně patří především sítě na přenos menšího datového toku, který je pro snímače a senzory typický, do příslušného zařízení. Úspěch těchto sítí závisí na dostupnosti, nízkých nákladech, nízké spotřebě energie, dalekém dosahu a jednoduchosti použití. V literatuře existuje mnoho komunikačních technologií, které jsou vhodné pro různé účely použití [23], [24].

Jednou z nových komunikačních sítí s dlouhým dosahem je síť Sigfox. Jde o rádiovou technologii, která je založena na technologii Ultra Narrow Band (UNB) pro komunikační účely [25]. Síť využívá pásmo bez licence, v Evropě 88 MHz a v USA 902 MHz (v souladu s národními předpisy) [25]. Přenos signálu je možný až do vzdálenosti sto dvaceti kilometrů v otevřeném terénu. Potřeba elektrické energie v této síti je extrémně malá v porovnání s celulárními sítěmi, např. 50 mikrowattů v porovnání s 5 000 mikrowatty v celulární síti [15].

Na jedné straně jde o síť s nízkými energetickými nároky, na druhé straně však existuje datový limit, který může být jen 100 bps. Tato nevýhoda pro velký počet zařízení IoT (jako jsou i senzory CO₂) není překážkou. Zařízení IoT připojená přes síť Sigfox používají síť jen tehdy, když reálně přenášejí data, díky tomuto postupu je spotřeba energie výrazně snížena [26]. Síť Sigfox je v České republice novinkou. Obchodní aktivity začaly teprve v roce 2017.

Jak zlepšit kvalitu vnitřního prostředí v bytě?

Monitorování v bytě, v němž byl instalován inteligentní snímač IoT (obr. 5), poukázalo na problém s překračováním koncentrace oxidu uhličitého. Tyto přístroje poskytují přístup k datům v reálném čase prostřednictvím webové aplikace. Aplikace byla vytvořena speciálně pro případovou studii prezentovanou v tomto článku. Snímače využívaly konektivitu prostřednictvím digitálního signálu odesílaného sítí internetu věcí do „cloudového“ úložiště. Snímač je vybaven rádiovým vysílačem pro síť IoT, který lze použít na odesílání informací z inteligentních zařízení do „cloudového“ úložiště. „Cloudové“ úložiště slouží jako databáze údajů.

Obr. 5 Smart senzor

Pro vizualizaci byla vytvořena webová aplikace dostupná přes internetovou síť (obr. 6). Tato aplikace umožňuje zobrazení naměřených dat ze snímačů umístěných v bytě. Aplikace vyhodnocuje parametry vnitřního prostředí, např. když se koncentrace CO₂ zvýší nad 1 500 ppm, aplikace nahlásí překročení limitu. Díky tomu mohou uživatelé reagovat na aktuální hodnoty a zlepšit tak kvalitu vnitřního prostředí. Aplikace podává i další aktuální data o vnitřním klimatu, která přispívají k informování uživatelů a vzájemné interakci. V porovnání s nuceným větráním jde o snáze realizovatelný systém za dostupné peníze především do starých budov.

Obr. 6 Vizualizační webová aplikace

Co dodat na závěr…

V článku je poukázáno na problém s kvalitou vnitřního prostředí ve starších obnovených budovách, kde bylo hlavním cílem obnovy zlepšení tepelnětechnických vlastností budovy, přičemž se nepřihlíželo k tomu, jak tato opatření ovlivní kvalitu vnitřního prostředí. Problém byl demonstrován na vybraném bytě 1, v němž se zjistilo časté překračování limitů koncentrace oxidu uhličitého.

Vysoká úroveň CO₂ přímo souvisí s přítomností lidí ve sledovaném vnitřním prostoru. Protože jednoznačně existuje vzájemná souvislost mezi obyvateli bytu a kvalitou ovzduší uvnitř budovy, vzdělávání a poskytování informací uživatelům je velmi důležité.

V praxi existuje nové opatření, jak informovat uživatele tak, aby mohli změnit své chování, především z hlediska větrání prostorů. Uvedený přístup využívá behaviorismus, jehož cílem je předvídat chování lidí [1]. K zavedení tohoto opatření jsou základem technologie internetu věcí. Tyto technologie umožňují vyšší stupeň interoperability uživatelů s vnitřním prostředím díky vyšší informovanosti a hodnocení vnitřního prostředí v reálném čase. Díky těmto technologiím mohou být uživatelé nepřímo ovlivňováni.

Článek vznikl v rámci řešení projektu č. 8X17030 s názvem „Energy efficiency and indoor environment of nearly zero energy buildings“ a projektu Specifický výzkum VUT Brno FAST-S-17-4054 Analýza účinnosti, metodika řízení a energetická náročnost systému techniky prostředí.

 

Ing. Petr Komínek, Ing. Robert Wawerka
Autoři působí na FS VUT v Brně – v Centru AdMaS.

Foto + obrázky: archiv autorů

Literatúra

1. WATSON, John Broadus. Behaviorism. 6th printing. New Brunswick, N. J.: Transaction Publishers, 2007. xxi, 251 s. ISBN 1-56000-994-2.
2. EUROPEAN COMMISSION. Dostupné z: https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/buildings.
3. JELÍNEK, V. – LINHARTOVÁ, V.: Interní mikroklima v bytových domech. TZB-info [online]. 2014. [cit. 2015-11-02]. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/11888-interni-mikroklima-v-bytovych-domech.
4. RUBINA, A. – RUBINOVÁ, O.: Vnitřní prostředí a tepelná pohoda člověka. TZB-info [online]. 2005. [cit. 2015-11-01]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/2650-vnitrni prostredi-budov-a-tepelna-pohoda-cloveka.
5. Zákon č. 258/2000 Sb. o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů.
6. Zákon č. 20/1966 Sb., o zdraví lidu v platném znění.
7. Zákon č. 183/2006 Sb. o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon).
8. ČSN 73 0540-2. Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. 
9. Nařízení vlády č. 148/2006 Sb., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací (prováděcí předpis k zákonu č. 258/2000 Sb.).
10. Nařízení vlády č. 1/2008 Sb., o ochraně zdraví před neionizujícím zářením (prováděcí předpis k zákonu č. 258/2000 Sb.).
11. HAVEL, M.: Vnitřní prostředí staveb a chemické látky. TZB-info [online]. 2005. [cit. 2015-11-01]. Dostupné z: http://stavba.tzb-info.cz/podlahy-pricky-povrchy/11134-vnitrni-prostredi-staveb-a-chemicke-latky.
12. CALÌ, D. – MATTHES, P. – HUCHTEMANN, K. – STREBLOW, R. a MÜLLER, D.: CO2 based occupancy detection algorithm: Experimental analysis and validation for office and residential buildings. Building and Environment [online]. 2015, 86: 39-49 [cit. 2015-11-04]. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360132314004223. 
13. Vyhláška č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby se změnami: 20/2012 Sb.
14. ŠUBRT, R. – CHARVÁTOVÁ, P.: Větrání budov v minulosti a současnosti. TZB-info [online]. 2014. [cit. 2015-11-02]. ISSN 1801-4399. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/11506-vetrani-budov-v-minulosti-a-soucasnosti.
15. GAO, J. – WARGOCKI, P. – WANG, Y.: Indoor Air Quality and Thermal Environment in Classrooms with Different Ventilation Systems. REHVA European HVAC Journal [online]. 2014, vol. 51, p. 10-14. [cit. 2015-11-02]. ISSN 1307-3729. Dostupné z: http://www.airtradecentre.com/downloads/AA/Rehva/rehva-newsletter-4-2014.pdf.
16. KREJSOVÁ, J.: Pilotní měření CO2, relativní vlhkosti a dalších veličin v učebnách VOŠ Volyně. TZB-info [online]. 2014. [cit. 2015-11-02]. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/10184-pilotni-mereni-co2-relativni-vlhkosti-a-dalsich-velicin-v-ucebnach-vos-volyne.
17. DU, L. – PRASAUSKAS, T. – LEIVO, V. – TURUNEN, M. – PEKKONEN, M. –KIVISTE, M. – AALTONEN, A. – MARTUZEVICIUS, D. a HAVERINEN-SHAUGHNESSY, U.: Assessment of indoor environmental quality in existing multi-family buildings in North–East Europe: Experimental analysis and validation for office and residential buildings. Environment International [online]. 2015, 79: 74-84 [cit. 2015-11-04]. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0160412015000513.
18. RADA PRO VÝZKUMU, VÝVOJE A INOVACÍ. TE02000077 – Inteligentní Regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj (2014-2019, TA0/TE) [online]. [cit. 2015-11-10]. Dostupné z: https://www.isvav.cz/projectDetail.
19. Protronix s. r. o. Doporučení pro umístění čidel kvality vzduchu [online]. [cit. 2015-11-10]. Dostupné z: http://www.cidla.cz/cz/cidla-co2/?novinka=doporuceni-pro-umisteni-cidel-kvality-vzduchu.
20. PRILL, R.: Why Measure Carbon Dioxide Inside Buildings? [online]. [cit. 2015-11-10]. Dostupné z: http://www.energy.wsu.edu/Documents/CO2inbuildings.pdf.
21. Český úřad zeměměřický a katastrální. ČÚZK: Nahlížení do katastru nemovitostí [online].[cit. 2015-11-10]. Dostupné z: http://nahlizenidokn.cuzk.cz/.
22. Atzori, L. – Iera, A. – Morabito, G.: The Internet of Things: A survey. Computer Networks, 54(1), 2010, 52787—52805.
23. Li, Geoffrey Y: et al. „Energy-efficient wireless communications: tutorial, survey, and open issues.“ IEEE Wireless Communications 18.6, 2011, ss 28-35.
24. NAIT-SIDI-MOH, Ahmed a Marcelo Dias de AMORIN: Geopositioning and mobility. Hoboken, N.J.: John Wiley and Sons Inc., 2013. Networks and telecommunications series. ISBN 978-1-84821-567-2.
25. DAR, Kashif: et al. Wireless communication technologies for ITS applications [Topics in Automotive Networking]. IEEE Communications Magazine, 2010, 48.5: 156-162.
26. ALI, Anum, Ghalib A. SHAH a Junaid ARSHAD: Energy efficient techniques for M2M communication: A survey. DOI: 10.1016/j.jnca.2016.04.002. ISBN 10.1016/j.jnca.2016.04.002. Dostupné z:http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1084804516300467

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2017.