Možnosti personalizovaného větrání v budovách

Prvním a nejdůležitějším krokem při zlepšování kvality ovzduší v interiéru je odstranit nebo omezit zdroje znečištění na minimum [1]. Toho lze dosáhnout používáním materiálů s nízkými emisemi. Není však možné odstranit všechny zdroje znečištění, proto musí být dalším krokem návrh přirozeného nebo nuceného větrání.

Současný trend extrémně vzduchotěsných nových a obnovených budov vede ke stále častější potřebě provozovat nucené větrání po alespoň část roku. Tradiční systémy jako směšovací a vztlakové větrání se zaměřují na větrání celého objemu místnosti. Čistý chladný vzduch se dodává daleko od inhalační zóny uživatelů, a jakmile dosáhne dýchací zóny, smíchá se se znečištěným vzduchem v místnosti.

Proto je vdechovaný vzduch částečně znečištěný a teplý. Kromě toho je třeba dodat energii na větrání celého objemu místnosti včetně prostor, které nejsou obsazené, čímž se zvyšují náklady na provoz [2]. Alternativou k tradičním systémům se stává personalizované větrání, které umožňuje dodat čerstvý vzduch přímo do inhalační zóny uživatelů [3].

Vědecké studie prokázaly, že tento způsob větrání má potenciál zlepšit pociťovanou kvalitu vzduchu a tepelnou pohodu uživatelů, a tím i jejich výkonnost [3, 4, 5]. Zároveň cílené dodávání vzduchu do inhalační zóny může snížit spotřebu energie na větraní a chlazení [6, 7] a účinně chránit lidi před křížovou infekcí [4, 8, 9]. Nevýhodu tohoto systému jsou vyšší investiční náklady než při centrálním větrání.

Náklady se ještě zvýší v případech, kdy se personalizovaný systém kombinuje s centrálním směšovacím nebo vztlakovým systémem. Přesto může být personalizované větrání výhodnou alternativou, protože vyšší investice je kompenzovaná úsporou energie na chlazení v létě, vyšší účinností větrání a zejména zvýšenou výkonností zaměstnanců [5, 7, 10, 11].

Princip a návrh personalizovaného větrání

Personalizovaný větrací systém je vhodný zejména do kancelářských prostor, kde uživatelé pobývají většinu času na svém pracovním místě. Umožňuje individuálně nastavit preferovanou teplotu, místní rychlost proudění vzduchu, případně směr proudění vzduchu, což zvyšuje spokojenost uživatelů s jejich pracovním prostředím.

Distribuční prvek, který je pod kontrolou uživatele, je umístěn blízko obličeje. Čistý vzduch směřuje do obličeje, takže osoba může vdechovat vzduch v neznečištěném jádru přívodního proudu. V ideálním případě by měl distribuční prvek umožnit změnu směru prou­dění vzduchu, aby se zohlednily účinky vztlaku a preference uživatelů [12].

Proud vzduchu dokáže zároveň ochladit hlavu a zvýšit tepelnou pohodu v létě [13]. Příklad personalizovaného větrání je na obr. 1, který znázorňuje typický profil rychlosti při volném proudu vycházejícím z kruhové trysky. Hlavní proud čerstvého vzduchu s sebou strhává znečištěný okolní vzduch a následně se s ním směšuje.

Toto strhávání teplého a znečištěného okolního vzduchu je třeba v maximální možné míře eliminovat, aby byl zajištěn přívod čerstvého nesmíšeného vzduchu přímo do dýchací zóny. Toho lze dosáhnout precizním návrhem vyústky. Vyústky na personalizované větrání mohou mít různý design. Obvykle umožňují řízení průtoku vzduchu a některé i kontrolu směru proudění.

Na obr. 2 jsou znázorněny některé příklady – dvě malé vyústky umístěné v zadních rozích stolu (PEM), dvě lineární mřížky umístěné na okraji pracovního stolu (HDG), vertikální mřížka směřující na uživatele (VDG), vyústka s obdélníkovým nebo kruhovým otvorem namontovaným na pohyblivém rameni (MP) či plochý distribuční prvek namontovaný na vrchu počítačového monitoru umožňující změnu proudění vzduchu ve vertikální rovině (CMP) [12].

U vyústek s velkou výstupní plochou se ukázalo, že obdélníkový tvar je vhodnější než kruhový. U vyústek se středními a malými výstupními plochami je efektivnější kruhový tvar než obdélníkový [13]. Personalizované větrání vede ke zvýšené rychlosti proudění vzduchu v oblasti obličeje.

Aby veškerý čerstvý vzduch pronikl do oblasti tváře, Melikov [12] doporučuje průměrnou rychlost 0,3 m/s. Novější studie uvádí, že k průniku chladného vzduchu přes tepelnou mezní vrstvu v okolí lidského těla do inhalační zóny postačuje rychlost proudění jen 0,175 m/s [14].

Podle další studie [11] je rozsah vhodných rychlostí na základě osobních preferencí uživatele od 0,1 do 1,3 m/s, ale v praxi mohou lidé zejména v letních měsících upřednostnit i vyšší rychlost. Zpočátku se vědci domnívali, že vyšší rychlost proudění by mohla způsobovat suchost očí, rtů či nosu [13].

Zjistilo se, že zvýšená frekvence mrkání v souvislosti s použitím personalizovaného větrání vzniká při rychlosti vyšší než 1 m/s z důvodu zachování rovnováhy při zvlhčení rohovky během oční aktivity. Tento vliv se však považuje za zanedbatelný při vizuálně náročných úkolech, mezi které patří i počítačová práce.

Kromě toho se změna ve frekvenci mrkání a případný pocit suchosti očí připisují oční aktivitě i použití počítačového monitoru. Naopak, chladný personalizovaný proud čistého vzduchu zlepšil stabilitu slzného filmu při vysoké teplotě vzduchu v místnosti (28 °C) [17].

Doporučení v souvislosti s návrhem personalizovaného větracího systému

Z laboratorních studií a praktických aplikací lze odvodit několik doporučení týkajících se návrhu personalizovaného větracího systému.

• Měl by se přivádět vzduch s nízkou turbulencí, proto mají koncové distribuční prvky generovat průtok s rovnoměrným rychlostním profilem a nízkou počáteční mírou turbulence.
• Koncový distribuční prvek by měl mít co nejširší kruhový nebo čtvercový průřez.
• Koncový distribuční prvek by měl umožňovat řízení rychlosti a směru personalizovaného průtoku. Preferuje se průtok vzduchu z čelní strany proti čelní ploše.
• Aby se dosáhlo vysoké účinnosti, hybnost toku přiváděného vzduchu musí být dostatečná k zajištění průniku čerstvého přiváděného vzduchu přes volný konvekční tok vzduchu okolo lidského těla. To znamená, že minimální rychlost v oblasti obličeje by neměla být nižší než 0,175 m/s, přičemž maximální rychlost preferovaná jednotlivci může být až 1,5 m/s, zejména při teplotách vzduchu v místnosti nad 26 ° C.
• Personalizované větrání kombinované se směšovacím systémem větrání je výhodnější než samotný směšovací systém větrání vzhledem k pohodlí uživatelů a ochraně před infekcemi [12].

Příklady personalizovaného větrání

Mezi zajímavé aplikace personalizovaného větrání patří systém LVPV s nízkou rychlostí proudění (obr. 3). Je navržen tak, aby využíval polohu, ve které je hlava nebo tělo v přirozeném kontaktu s povrchy, jako jsou podhlavníky, opěrky hlavy či polštáře.

Větrací systém je navržen jako polštář na podporu krku, čímž poskytuje vysokou ochranu před křížovou infekcí. Takový design se uplatní zejména v letadle nebo v jiných dopravních prostředcích [8]. Na obr. 4 je znázorněno využití personalizovaného přívodu a odvodu vzduchu ve zdravotnických zařízeních, kde během vyšetření přichází infikovaná osoba do kontaktu se zdravou osobou.

Kombinovaný systém přívodního a odvodního větrání je schopen chránit zdravou osobu dodáváním čistého vzduchu do dýchací zóny, přičemž zároveň odsává vzduch v oblasti ramen infikované osoby. Takovým návrhem lze dosáhnout snížení expozice škodlivin ve srovnání s klasickým směšovacím větráním až o 81 % [18].

Na obr. 5 je znázorněn kancelářský stůl s integrovaným personalizovaným větráním, který umožňuje změnu směru proudění vzduchu v průběhu provozu s časovou frekvencí dle preference uživatele. Stůl s integrovanými vzduchovody a ovládáním umožňuje větrání 100% venkovním vzduchem, 100% recirkulovaným vzduchem nebo směsí vnějšího a recirkulovaného vzduchu v poměru nastaveném uživatelem [19].

Nejnovější vědecká studie představuje cílový personalizovaný systém větrání tvořený multivýustkou, která se skládá z dvanácti malých vyústek (obr. 6a). Koncept tohoto typu větrání byl inspirován střelbou na terč (obr. 6b). Střelec, který zasáhne cíl, dostane skóre, střelec, který mine cíl, nedostává žádné skóre.

Dvanáct malých vyústek bylo podle tohoto principu nastavených tak, aby co nejefektivněji přiváděly vzduch do zóny ramen a hlavy a aby zároveň co nejméně vzduchu směřovalo mimo tyto oblasti (obr. 6c). Přívod vzduchu přes takovou multivýustku přináší rovnoměrné průtokové pole s rychlostí vzduchu 0,3 m/s. Ve srovnání s jinými personalizovanými systémy je potenciál úspory energie až 53 %.

Na obr. 7 je zobrazena rychlost proudění vzduchu z nové multivýustky ve srovnání s tradičními vyústkami. V případě tradičních vyústek (a), (b) a (c) je průtokové pole nerovnoměrné a osová rychlost je poměrně vysoká.

V případech (d) a (e) pokrývá proud vzduchu větší plochu – nerovnoměrnosti v průtokovém poli a vyšší osová rychlost zůstávají. V případě nové vyústky (f) je průtokové pole rovnoměrnější a proud vzduchu pokryje větší oblast lidského těla, v důsledku čehož má tento systém potenciál zabezpečit vyšší komfort a úsporu energie [20].

Závěr

Personalizovaný větrací systém představuje příležitost ke zlepšení kvality vzduchu, a to zejména v kancelářských prostorách. Může zvýšit spokojenost uživatelů s okolním prostředím, což vede k vyšší produktivitě zaměstnanců. Snížení průtoku vzduchu díky vyšší účinnosti větrání zároveň příznivě ovlivňuje spotřebu energie, protože je čerstvý chladný vzduch dodáván přímo do pracovní zóny uživatele.

Otázkou zůstává, zda se má personalizované větrání používat jako jediný systém větrání v místnosti, nebo zda ho kombinovat se směšovacím či vztlakovým větráním. Personalizované větrání slouží v současnosti obvykle jako doplňkový systém s cílem zvýšit komfort uživatele, je přitom vhodné ho kombinovat s klasickými větracími systémy.

Takové spojení dvou systémů tvoří kompromis mezi úsporou energie a investičními náklady na jedné straně a komfortem a kvalitou přiváděného vzduchu na druhé straně. Výzkum však naznačuje, že personalizované větrání může úspěšně fungovat i samostatně [21], proto se v budoucnu bude možná více využívat i jako samostatný systém větrání v prostoru.

Tato práce byla podporována Vyšehradským fondem (V4EAP), Agenturou na podporu výzkumu a vývoje na základě Smlouvy č. DS-2016-0030 a Ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu SR prostřednictvím grantu VEGA 1/0807/17. Tento článek vznikl díky podpoře v rámci OP Výzkum a vývoj pro projekt: Kompetenční centrum inteligentních technologií pro elektronizaci a informatizaci systémů a služeb, ITMS: 26240220072 spolufinancován ze zdrojů Evropského fondu regionálního rozvoje.

Literatura

1. MELIKOV, A. et al.: Personal Ventilation: from research to practical use. In: Proceedings of Clima 2007 WellBeing Indoors. Helsinki, 2007.
2. CONCEICAO, Z. et al.: Evaluation of comfort level in desks equipped with two personalized ventilation systems in slightly warm environments. Building and Environment. 2010, 45, 601 – 609.
3. KACZMARCZYK, J. et al.: Human response to personalized ventilation and mixing ventilation. Indoor Air. 2004, 14, 250 – 263.
4. ŚCISŁO, N. et al.: Personal Ventilation Modeling Using a CFD Analysis. World scientific News. 2016, 57, 426 – 435.
5. KACZMARCZYK, J. et al.: The effect of a personalized ventilation system on perceived air quality and SBS symptoms. In: Proceedings: Indoor Air 2002. 2002.
6. SCHIAVON, S. et al.: Energy-saving strategies with personalized ventilation in cold climates, Energy and Buildings. 2009, 41, 543 – 550.
7. KRAJČÍK, M. et al.: Energy Saving Potential of Personalized Ventilation Applied in an Open Space Office under Winter Conditions, Applied Mechanics and Materials. 2017, 861, 417 – 424.
8. NIELSEN, P. V. et al.: The influence of draught on a seat with integrated personalized ventilation. In: Indoor Air 2008. Copenhagen, 2008.
9. PANTELIC, J. et al.: Effectiveness of a personalized ventilation system in reducing personal exposure against directly released simulated cough droplets. Indoor Air. 2015, 25(6), 683 – 693.
10. MAZANEC, V. a et al.: The Personal Ventilation System with Air Temperature Customization Using a Peltier Effect. In: CLIMA 2016 – proceedings of the 12th REHVA World Congress. Aalborg, 2016.
11. MELIKOV, A. et al.: Use of personalized ventilation for improving health, comfort, and performance at high room temperature and humidity. Indoor Air. 2012, 23, 250 – 263.
12. MELIKOV, A. K. a et al.: Personalized ventilation. Indoor Air. 2004, 14(7), 157 – 167.
13. NIU, J. et al.: Experimental study on a chair-based personalized ventilation system. Building and Environment. 2007, 42, 913 – 925.
14. XU, CH. et al.: Impacts of airflow interactions with thermal boundary layer on performance of personalized ventilation. Building and Environment. 2018, 135, 31 – 41.
15. KHALIFA, H. E. et al.: Experimental investigation of reduced-mixing personal ventilation jets. Building and Environment. 2009, 44, 1551 – 1558.
16. https://www.isiaq.org/docs/sponsor%20material/Exhausto/EXHAUSTO%20Personalized%20Ventilation.pdf.
17. LIPCZYNSKA, A. et al.: Impact of personalized ventilation combined with chilled ceiling on eye irritation symptoms. In: Proceedings of the 13th International Conference on Air Distribution in Rooms: Roomvent2014. Sao Paulo, 2014.
18. YANG, J. et al.: Performance evaluation of a novel personalized ventilation–personalized exhaust system for airborne infection control. Indoor Air. 2014, 25(2), 176 – 187.
19. KALMÁR, F.: Innovative method and equipment for personalized ventilation. Indoor Air. 2015, 25,
    297 – 306.
20. GAO, R. et al.: A novel targeted personalized ventilation system based on the shooting concept. Building and Environment. 2018, 135, 269 – 279.
21. LIPCZYNSKA, A. et al.: Performance of personalized ventilation combined with chilled ceiling in an office room: inhaled air quality and contaminant distribution. In: Proceedings of Indoor Air, 2014.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 3/2018.