Mikroklima vnitřního prostoru administrativní budovy
Článek se zabývá problémem vnitřního tepelného mikroklimatu v pracovním prostředí, konkrétně kancelářských budov. Na praktické případové studii ukazuje aktuální problém přehřívání místností kanceláří často nejen v letním, ale i přechodném období. Ve svém závěru prezentuje výsledky matematických modelů a reálných měření, které jsou přímo závislé na architektonicko-stavebním řešení objektu, a to zejména na tepelně-technických vlastnostech obvodového pláště budovy.
Architektonické řešení administrativních objektů je ve většině případů založeno na železobetonovém skeletu s obvodovými konstrukcemi tvořenými skleněnými plochami po celém plášti budovy. I přes návrh stínicích prvků jsou stížnosti uživatelů takovýchto budov na tepelný komfort ve vnitřním prostředí kanceláří velmi časté.
Článek na případové studii dokládá, jak důležitým prvkem a nezbytným nástrojem pro odstranění problémů s vysokou teplotou vnitřního vzduchu je kvalitní projektový návrh a následná realizace funkčního systému klimatizace. Ve své první části předkládá aktuální právní požadavky na vnitřní pracovní prostředí, ve své druhé části ukazuje na verifikovaných matematických modelech hodnotu teploty vnitřního vzduchu očekávatelnou v jarním období. Na závěr jsou zhodnoceny výsledky praktického měření, včetně popisu důvodu zjištěných nepřijatelných hodnot.
Právní požadavky na pracovní prostředí
Obecně lze konstatovat, že mezi základní parametry utvářející vnitřní prostředí patří s ohledem na senzitivitu člověka vzájemná interakce základních veličin, a to teploty vnitřního vzduchu, jeho vlhkosti a rychlosti proudění vzduchu v pobytové zóně. Dalším důležitým faktorem ovlivňujícím vnímání vnitřního prostředí je oděv a fyzická aktivita subjektu ve sledovaném prostředí. Akustické a toxické mikroklima (koncentrace CO2) není předmětem článku, a tudíž není řešeno. Oborem sledujícím a popisujícím uvedené vztahy veličin je ergonomie vnitřního prostředí. Podle platného předpisu [1] jsme již ve fázi projektu stavby schopni dopředu určit kvalitu vnitřního prostředí a procento nespokojených uživatelů pracujících v řešeném vnitřním prostoru. Přesné závazné požadavky na vnitřní pracovní prostředí respektující právě vztah teploty, vlhkosti, rychlosti proudění, typu oblečení a pracovního výkonu předkládá aktuální změna nařízení vlády č. 93/2012 Sb. [2] ve své části A. Třída práce pro osoby pracující v kanceláři je definována v tab. 1.
Pozn.: Od 1. 2. 2013 je platná další změna původního nařízení vlády č. 361/2007 Sb., a to NV č. 9/2013 Sb. Tato změna nemá na definici limitů pro tepelně-vlhkostní mikroklima, respektive v textu uváděné parametry žádný vliv a platí limity uváděné ve změně č. 93/2012 Sb.
V uvedeném nařízení vlády jsou teploty pro jednotlivé třídy práce definovány jako operativní, či případně výsledné (teplota kulového teploměru), označeny jsou jako t0, respektive tg. Hodnota teploty je určena intervalem, který tvoří tzv. minimum a maximum. Vzhledem ke složitosti určení matematické operativní teploty umožňuje nařízení vlády při rychlosti proudění vzduchu v pobytové zóně va ≤ 0,2 m/s nahradit operativní teplotu to teplotou výslednou tg.
Bohužel dřívější rozptyl střední hodnoty parametru teploty t0 umožňoval navrhnout budovu jako celek tak, že ve svém výsledku byla prakticky s ohledem na třídu práce neobyvatelná. Tento v praxi velmi často diskutovaný problém je v současnosti v nařízení vlády odstraněn tzv. definicí přípustné hodnoty mikroklimatických podmínek pro klimatizované pracoviště třídy I a IIa. Hodnoty jsou uvedeny v tab. 2.
Pro práci v kanceláři je určena třída práce I a podle druhu vykonávané činnosti lze tuto práci ještě rozdělit na kategorii A (vysoká kvalita prostředí – práce náročná na pozornost a soustředění) a kategorii B (střední kvalita prostředí – například vyřizovaní korespondence nebo psaní na počítači). Z tab. 2 je patrné, že střední hodnota teploty a její rozptyl závisejí na ročním období, respektive druhu oděvu pracovníka. V zimním období je předpokládán větší tepelný odpor oděvu (kalhoty, svetr apod.), v letním období je předpokládán lehčí oděv (krátké kalhoty, lehké tričko atd.). Uvedená tabulka má zásadní význam, neboť respektuje to, že člověk je v zimě, na podzim a na jaře, kdy je venku chladno, více oblečený (má větší tepelný odpor), naopak v létě se očekává vzdušný lehký oděv pracovníků. Tomuto faktu jsou přizpůsobeny i výsledné teplotní parametry vnitřního prostředí.
Tvorba interního mikroklimatu systémy vzduchotechniky
Nutným předpokladem pro uspokojení individuálních potřeb tepelného komfortu pracovníků v jednotlivých kancelářích je decentralizace vzduchových systémů zajištujících řízené větrání s přívodem a odvodem větracího vzduchu. Nejčastěji jsou používány jednotkové systémy dílčí klimatizace s nucenou konvekcí vnitřního cirkulačního vzduchu (fan-coily vybavené ventilátory), indukční jednotky s napojením na centrální vzduchový systém zajišťující indukci a ochlazení oběhového vzduchu (aktivní systémy) nebo indukční jednotky využité pouze jako chladicí trámy (pasivní systémy). Uvedená technická řešení mají vždy své výhody i nevýhody, nicméně jejich primární úlohou je zajistit optimální tepelné či tepelně-vlhkostní mikroklima v obsluhovaném prostoru.
Případová studie na reálném objektu
Pro názornou ukázku současných problémů s vnitřní teplotou v prostoru kancelářských budov souvisejících s návrhy systémů klimatizace byla vybrána reálná typická kancelářská budova. Zde byly na základě přesného obsazení prostoru osobami, výpočetní technikou apod. provedeny matematické modely simulace očekávaného průběhu teplot a tepelných zátěží. Výpočetní modely byly verifikovány dlouhodobým měřením veličin tepelně-vlhkostního mikroklimatu ve vybraných místnostech.
Jedná se o čtyřpodlažní administrativní budovu. Jednotlivá podlaží jsou spojena komunikační vertikálou (schodiště + výtah). Dispozice každého podlaží je tvořena soustavou kanceláří a hygienických místností. Skladba obvodového pláště je dána souvrstvím pórobetonu tl. 0,1 m, cihelného zdiva tl. 0,1 m a přizdívky z lícových cihel tl. 0,08 m. Vnitřní systém sádrokartonových příček rozděluje podlaží na jednotlivé kanceláře. Hygienické jádro je vyzděno zdivem z pórobetonu tl. 0,15 m. Ukázka stavebního řešení posuzovaných prostorů je uvedena na obr. 1.
Obr. 1 Půdorys stavebního řešení zkoumaných prostorů místnosti kanceláře (vlevo) a zasedací místnosti (vpravo)
Vytápění a klimatizaci zajišťuje čtyřtrubkový systém jednotkové klimatizace s koncovými vnitřními indukčními jednotkami zabudovanými v podhledové konstrukci. Individuální řízení tepelného komfortu jednotlivých prostorů je zajištěno termostatem osazeným u vstupních dveří. Regulace výkonových parametrů soustavy indukčních jednotek pro danou místnost je na straně média řešena kvantitativně dvoucestnými ventily. Teplotní spád studené vody tw1/tw2 je podle projektové dokumentace 15/17,6 °C. Chladící výkon každé indukční jednotky je 450 W citelného tepla.
 |
 |
| Obr. 2 Objekt použitý v případové studii (vlevo), měřené prostory zasedací místnosti (uprostřed) a kanceláře (vpravo) | |
Modelování předpokládaných teplot a tepelných zátěží
Matematické modely průběhů teplot, zátěží apod. byly tvořeny v simulačním softwaru [3]. Model konkrétní místnosti je sestaven na základě analýzy tepelných dějů ve vnitřním prostředí budov a potřebných okrajových podmínek. Z této analýzy vyplývá výběr prvků, tedy model struktury soustavy. Struktura je hierarchická, metoda řešení prvků podstatných pro tepelné děje je přesnější než v případě prvků doplňkových. Na řešenou místnost, prostorově vymezenou část budovy, lze pohlížet jako na otevřenou termodynamickou soustavu s nestacionárním chováním. Na její hranici probíhá přenos tepla i hmoty. Tepelné děje, které v ní probíhají, lze popsat diferenciálními rovnicemi, které po doplnění okrajových podmínek vytvoří matematický model úlohy. Diferenciální úloha je nahrazena úlohou diferenční na základě diskretizace v čase a prostoru. Vstupní i výstupní veličiny tedy mají diskrétní charakter. Tepelně-technické vlastnosti materiálů a hmot se uvažují jako konstantní a izotropní a všechny hmoty mají nekonečný difuzní odpor. Tepelný tok stěnou se v softwaru uvažuje jednorozměrný. Součinitelé přestupu tepla sáláním a konvekcí u jednotlivých prvků se uvažují konstantní hodnotou. Na základě uvedených předpokladů a metod je sestaven algoritmus pro numerické řešení. Výpočet vedení tepla je proveden Schmidtovou metodou. Metodika výpočtu odpovídá požadavkům platné ČSN EN ISO 13792 [4]. Výsledky simulace pro vybrané prostory zasedací místnosti a kanceláře jsou uvedeny na obr. 3 a 4.
Z obr. 3 je zřejmé, že bez funkčního systému klimatizace lze v jarním období očekávat v jednací místnosti vzestup výsledné teploty (při zatažených vnitřních žaluziích na východní straně) nad 34 °C. Maximální tepelná zátěž k 24 °C teploty interiéru je podle simulace cca 4 500 W citelného tepla. Počet instalovaných indukčních jednotek v zasedací místnosti je celkem čtyři. Z uvedeného počtu je zřejmé, že celkový instalovaný chladící výkon v zasedací místnosti je 1,8 kW. Podle výpočtů již v rámci projektové dokumentace je poddimenzovaný.
Na obr. 4 sledujeme, že lze v jarním období očekávat v kanceláři vzestup výsledné teploty (při zcela zatažených vnitřních žaluziích na východní fasádě a obsazenosti čtyřmi osobami) na 32 °C s maximální tepelnou zátěží k 24 °C teploty interiéru 4 100 W citelného tepla. Celkem je v prostoru kanceláře umístěno šest indukčních jednotek s celkovým instalovaným chladícím výkonem 2,7 kW. Výkon je taktéž vzhledem k výpočtu tepelné zátěže poddimenzovaný.
Souhrnně lze pro obě místnosti jako základní příčinu vzrůstu vnitřní teploty v jarním období i při nízké venkovní teplotě vzduchu identifikovat intenzitu přímé radiace nízko postaveného slunce nad obzorem. V uvedených místnostech tvoří 50 % tepelné zátěže oslunění oken a prostup tepla okny radiací. Konvekce okny má záporný charakter, a to s ohledem na teplotní gradient mezi vnitřní teplotou a teplotou venkovního vzduchu.
Jaká je realita?
 |
|
| Obr. 3 Průběh teplot (vlevo) a průběh tepelné zátěže (vpravo) prostoru zasedací místnosti k 10. 3. v souladu s ČSN 730548 | |
 |
|
| Obr. 4 Průběh teplot (vlevo) a průběh tepelné zátěže (vpravo) prostoru kanceláře k 10. 3. v souladu s ČSN 730548 |
Měření průběhu teplot a vlhkostí v řešených prostorech
Pro validaci okrajových podmínek matematických modelů (možnost zkoumat průběhy teplot i v jiném než prakticky změřeném ročním období) a pro zjištění reálných průběhů teplot bylo provedeno dlouhodobé měření v jarním období.
V zasedací místnosti byly rozmístěny tepelně-vlhkostní sondy, jak je zobrazeno na obr. 5. Čidla byla v prostoru rozmístěna tak, aby bylo možné zjistit rozložení teploty v dané místnosti. Výsledky měření jsou prezentovány na obr. 6.
 |
|
| Obr. 6 Reálný týdenní průběh teplot v zasedací místnosti naměřený v období 9. 4. – 17. 4. 2013 | Obr. 7 Vybraný denní průběh teplot v zasedací místnosti dne 14. 4. 2013 (nahoře), průběh intenzity sluneční radiace pro stejný den [W/m2] (dole) |
 |
 |
| Obr. 5 Umístění tepelně-vlhkostních sond pod stropem v místnosti tak, aby neovlivňovaly pracovní výkon a neomezovaly typické chování osob, označení měřicích míst je uvedeno vpravo
A – čidlo T+RH prostoru, měřicí místo 1 |
Obr. 8 Prostorová situace podrobného měření v místnosti kanceláře
A – čidlo T+RH prostoru |
Z grafu je patrný významný denní vzrůst teploty vzduchu na všech čidlech. Důvodem je denní oslunění prosklené východní a jižní fasády místnosti. Průběh je obdobný jako numerická simulace. Termostat klimatizace byl po celou dobu nastaven na hodnotu 24 °C. Pro názornost je na obr. 7 zobrazen pouze denní průběh vybraného dne včetně průběhu intenzity slunečního záření ve W/m2.
Obdobný problém lze zaznamenat i u měření v místnosti kanceláře, kde byl prostorový termostat nastaven po celou dobu měření na 20 °C. V této místnosti byla snímána nejen teplota a vlhkost vzduchu v prostoru, ale i výstupní teplota sekundárního vzduchu z indukční jednotky a teplota vzduchu nasávaného indukční jednotkou. Prostorová situace měření, včetně pohledu na zcela zatažené vnitřní žaluzie při východní fasádě místnosti, je zachycena na obr. 8.
I když během měření nebyla místnost využívána k pracovní činnosti osob a nebyla vybavena výpočetní technikou, je z průběhu teplot na obr. 9 patrný nárůst vnitřní teploty nad limit stanovený novelou NV 93/2012 Sb. [2]. Opět je zřejmý zásadní vliv oslunění prosklené části fasády objektu a následný prostup tepla radiací těmito okny. Zajímavé je, že ani zatažené vnitřní žaluzie zachycené na obr. 8 nezabrání prostupu tepla radiací z venkovního prostoru do šetřené místnosti. Platí zde fakt, že teplo vzniká odrazem na vnitřním povrchu žaluzií, bohužel již ve vnitřním prostoru kanceláře.
Mnohem zajímavější je v našem případě pozorovat průběh teploty vzduchu nasávaného (indukovaného) a vyfukovaného indukčním systémem klimatizace (např. měřicí bod F a E). Z obr. 10 je zřejmé, že v uvedeném období, kdy teplota venkovního vzduchu celodenně kolísala i pod +5 °C (noční hodiny), nebyl v provozu výrobník studené vody, a tudíž nebyla klimatizace v chodu. Je patrné, že k možnosti chlazení došlo až kolem 13.00, kdy bylo využito do 14.00, následně byl zdroj chladu opět odstaven. Tento fakt je důsledkem principu výroby studené vody, kdy chod výrobníku studené vody je zřejmě vázán na teplotu venkovního vzduchu. V našem případě je patrné, že studená voda v systému rozvodů chladu je k dispozici na cca +15 °C venkovní teploty. Dále po 14. hodině podle intenzity sluneční radiace byla zátěž prostoru eliminována oblačností a došlo k celkovému poklesu teploty vnitřního vzduchu. Po 19. hodině systém začal místnost kanceláře teplovzdušně vytápět.
Předložené hodnoty a průběh teplot vnitřního vzduchu v řešených prostorech jsou vztaženy k teplotě vzduchu v místnosti a nezahrnují sálání vnitřních povrchů místností, při experimentu nebyla měřena teplota výsledná. Právně vzato, naměřené teploty suchého teploměru nejsou hodnotami, které bychom mohli regulérně porovnávat s limity teploty výsledné uvedenými ve změně nařízení vlády [2]. Ovšem jak ukazují matematické modely, teplota výsledná v daném prostoru je s ohledem na stavební konstrukce skoro totožná s teplotou vnitřního vzduchu (v horním teplotním extrému jsou obě teploty prakticky totožné), a proto lze tvrdit, že vnitřní tepelné mikroklima uvedených místností je v rozporu s požadovanými limity pracovního prostředí. Okna nelze otevírat, proto se tepelná zátěž neodvádí přirozeným větráním okny.
Obr. 10 Průběh teplot a vlhkosti v místnosti kanceláře dne 14. 4. 2013
Závěr
Výsledkem jak matematické simulace, tak praktického měření je zjištění, že u obou sledovaných místností dochází v přechodném období (ale i v letním období) k přehřívání pracovních prostorů. Tepelné mikroklima zejména v přechodném období a za slunečného dne vykazuje velké sluneční zisky radiací, hodnoty vnitřního pracovního prostředí jsou v rozporu s požadavky závazných právních předpisů. Příčiny, proč k tomuto negativnímu jevu dochází, jsou dvě:
1. Nekvalitní návrh systému klimatizace objektu, který nepočítá s dominantní složkou prostupu tepla radiací prosklenou částí fasády objektu v přechodném období (zde je zřejmé, že výpočetní extrém pro návrh klimatizace nemusí být vždy ten letní, ale podle charakteru a technických vlastnosti obálky budovy může být i jiný).
2. Stavebně-architektonické ztvárnění obálky budovy nerespektuje základní parametry umístění, orientace a využití objektu. Kombinace velkých prosklených ploch s lehkým obvodovým pláštěm a použitím vnitřních žaluzií je pro daný objekt nevhodná.
Z uvedených praktických měření je patrné, že vnitřní prostředí je dynamickým souborem působení různých faktorů v čase, s kterými je při návrhu budovy, klimatizace a měření a regulace nutno počítat. Pouze celkový kvalitní návrh technického řešení vnitřního prostředí administrativní budovy založený na reálných předpokladech umožňuje zajistit ve vnitřním prostoru stavby kvalitní a legislativou vyžadované pracovní prostředí.
doc. Ing. Aleš Rubina, Ph.D., Ing. Petr Blasinski
Recenzoval: doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
Obrázky: autoři
Článek vznikl za podpory specifického výzkumu na VUT FAST 2013.
Autoři působí v Ústavu technických zařízení budov Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně.
Literatura
[1] ČSN EN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí – analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD
[2] Nařízení vlády 361/2007 Sb. ve změně 93/2012 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci
[3] Simulační software TERUNA 1.5b,
[4] ČSN EN ISO 13792 Tepelné chování budov – Výpočet vnitřních teplot v místnosti v letním období bez strojního chlazení – zjednodušené metody
[5] ČSN 730548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů
Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.
