Řízené větrání obytných budov – ano, nebo ne?

31. července 2009

Partneři sekce:

Zajištění základních požadavků na větrání budov bylo v minulosti vždy bez vyjímky respektováno všemi architekty. Jejich zkušenosti prověřené staletou praxí se postupně staly základem pro tehdejší stavební řády a zákony. Ty byly dokonalejší než současné předpisy a normy. Je až neuvěřitelné, že již před dvěma tisíci lety byly ve starověkém Řecku předepsány požadované intenzity výměny vzduchu v hodnotách, ke kterým jsme se znovu dopracovali až ve 20. století pomocí rozsáhlých vědeckých výzkumů mnoha univerzit a výzkumných ústavů.

Vnitřní mikroklima
Následující údaje, výsledky a poznání vycházejí z posledních vědeckých poznatků a praktických měření. Složky vzduchového prostředí budov, záměrně vytvářeného pro pobyt člověka v uzavřených prostorách, lze obecně charakterizovat jako interní mikroklima.

Na mikroklima působí několik složek:

tepelněvlhkostní – interiérová teplota, vlhkost a rychlost proudění vzduchu,
mikrobiální – vliv bakterií a plísní na člověka,
ionizační – radioaktivní záření ze stavebních materiálů nebo podloží,
aerosolové – prašnost v interiéru,
odérové – vůně a pachy,
toxické – výpary ze stavebních hmot a vybavení interiérů,
hluk, prašnost, elektromagnetické pole.

Všechny tyto složky se vzájemně ovlivňují. Pro zjednodušení se budeme zabývat pouze prvním ze zmíněných témat – tedy teplotou a vlhkostí, s doplněním vazby na parametr koncentrace oxidu uhličitého. Všechny tyto hodnoty jsou nejsnadněji měřitelné, s okamžitým vlivem na vnímání a pocity uživatelů.

Teplota v interiéru
V celé historii středoevropských obytných staveb bylo zajištěno jejich vytápění výhradně lokálními zdroji (pece, krby, kamna) umístěnými v jednotlivých místnostech. Tyto topné zdroje spolu s netěsnými okny vytvářely po dlouhá staletí v budovách plně funkční systém vytápění a větrání, kdy intenzita výměny vzduchu byla závislá na provozu topného zdroje. I v době odstávky pak zajišťoval trvalý aerační odtah v teplých vnitřních komínech dostatečnou intenzitu podtlakového větrání. Místnosti sociálních zařízení se větraly okny do fasády nebo do velkorozměrných vnitřních světlíků činžovních domů. Tyto systémy, provozované nárazově, fungovaly bezpečně, s výjimkou několika extrémních letních dnů, kdy docházelo ke zpětným tahům. Lokální zdroje zajišťovaly výrazně sálavou složku tepla, která byla nezbytná pro eliminaci studeného sálání nedostatečně izolovaných obvodových stěn.

Až v průběhu 20. století se začínají masivně prosazovat ústřední teplovodní systémy vytápění, kdy se kotel ústředního vytápění instaluje nejprve v bytě a až následně do sklepů, mimo obytné prostory. Tím však dochází k radikální změně mikroklimatických podmínek. Při nezměněných tepelných parametrech poddimenzovaných obvodových konstrukcí totiž citelně chybí sálavá tepelná složka, neboť přenos tepla tělesy ústředního vytápění je nyní převážně konvektivní a pro dosažení tepelné pohody je nutno místnosti výrazně přetápět.

Současně se silně omezuje i původní trvalý přívod vzduchu do místností a při nezměněném chování obyvatel (sušení prádla v bytě, vaření bez digestoře, neodvětrané plynové sporáky) a při následném dodatečném utěsnění oken dochází k masivnímu výskytu plísní na chladném povrchu nevyhovujících obvodových stěn, často s výraznými tepelnými mosty.

V ojedinělých případech byly navrženy i teplovzdušné otopné soustavy se samotížným okruhem od kotle v suterénu. Ve většině případů však nemohly zajistit požadovaný komfort, neboť nebyly vybaveny filtry a roznášely prach, vyžadovaly velké průřezy vzduchovodů a vznikaly problémy s přenosem hluku. Regulace těchto systémů, kdy zdroj tvořil většinou kotel na tuhá paliva, nebyla prakticky možná. Systém, který byl používán na hradech s velkou akumulací tepla (například hrad Bouzov) v obytných domech neuspěl.

Relativní vlhkost v interiéru
Pro příjemné prostředí v prostoru je vhodné udržet určité rozpětí teploty a relativní vlhkosti, které většina uživatelů akceptuje. Základní hodnoty, obecně uznávané, jsou teplota t = 20 °C a relativní vlhkost r_h = 50 %. (Pokud se vrátíme do historie k první vyspělé civilizaci z oblasti Mezopotámie, pak předchozí hodnoty odpovídají průměrné roční teplotě a relativní vlhkosti.)

Zatímco se zajištěním optimálních teplot v budovách většinou nebývají obtíže díky současným kvalitním regulacím pružných otopných soustav a zateplování obvodových stěn budov, často bývá problematické dosáhnout vyhovující relativní vlhkosti, neboť je zde řada hledisek vzájemně si odporujících. Hygienicky doporučované vyšší relativní vlhkosti vzduchu v rozsahu 50 až 60 % zabraňující vysychání sliznic totiž pravidelně vedou ke vzniku plísní (například rodu Alternaria Aspergillus) – hlavně v chladných a nevětraných rozích místností, nadpražích a ostěních s nebezpečnými zárodky patogenních spór.

Důsledkem pak je zvýšená nemocnost obyvatel, časté nevolnosti, alergie, záněty průdušek aj. V současnosti nabývá tento fenomén nebývalých rozměrů při nezodpovědném utěsňování okenních spár v celém rozsahu bez alternativní náhrady, kdy přirozená výměna vzduchu v bytech již není a k výskytu plísní v bytech dochází pravidelně již od ustálených relativních vlhkostí nad 50 %. Současně se při vyšších relativních vlhkostech vzduchu nad 60 % zvyšuje až na dvojnásobek procento přežívajících mikroorganismů (například Staphylococcus, Streptococcus) vůči výskytu mikroorganismů při r_h = 30 až 40 %.

Při poklesu relativní vlhkosti se naopak snižuje výhodně počet roztočů v textiliích a výskyt následných alergií. I když se lidé přizpůsobí širokému rozsahu relativní vlhkosti (běžně od 30 do 90 %), je vhodná úroveň relativní vlhkosti v interiéru v rozsahu 40 až 50 %.

Měrná vlhkost je poměrně jednoznačná. V případě relativní vlhkosti je důležitý právě pojem relativní, protože tato vlhkost je (mimo jiné) velmi závislá na teplotě.

Pro názornost uveďme příklad; v zimním období má venkovní vzduch při teplotě –5 °C:

měrnou vlhkost x = cca 1,8 g/kg suchého vzduchu (tedy 1,5 g vody/m³ vzduchu),
relativní vlhkost r_h =70 %.

Pokud tento vzduch ohřejeme na 20 °C, voda ze vzduchu se nikam neztratí, stále máme cca 1,4 g vody /m³. Při 20 °C je ale relativní vlhkost pouze 12 %. Při vytápění, kdy zvyšujeme teplotu v interiéru (například při provozu krbu), má na vnímání osob vliv nejen oteplení, ale i snížení relativní vlhkosti. Nezáleží na systému topení, tedy způsobu dodání energie pro udržení teploty v interiéru. Voda (přesněji vodní pára ze vzduchu) se z prostoru topením neztratí, prostor se nevysuší – měrná vlhkost je stále stejná. Pokud například zvýšíme teplotu v interiéru, relativní vlhkost poklesne také. (Proto přetopíme-li prostor teplem sálajícím z krbu nebo jen slunečním svitem, nejvíce poklesne relativní vlhkosti při zvýšení právě z interiérových 22 na 26 °C, a to z 50 na 35 %! Měrná vlhkost je stále stejná.)

Na relativní vlhkost v interiéru má největší vliv větrání. Rozšířeným mýtem je tvrzení, že nízká relativní vlhkost (30 % a méně) a problémy suchých sliznic obyvatel v panelových domech jsou způsobeny tím, že beton veškerou vlhkost absorbuje. Nízká relativní vlhkost je ale způsobena extrémním větráním. Poddimenzované tepelněizolační parametry konstrukcí (stěn) způsobují nízkou vnitřní povrchovou teplotu. Proto byla použita otopná soustava s otopnými tělesy s teplotním spádem otopné vody 90/70 °C. Střední teplota otopných těles v zimním období je tedy kolem 70 °C. Tato vysoká teplota dokáže, někdy jen v omezené míře, potlačit právě tyto studené stěny. Také původní okna v těchto objektech přinášejí řadu problémů. Kromě nízké povrchové teploty nejsou moc těsná. Mezi rámem a křídlem proudí do bytů venkovní vzduch venkovní teploty – třeba již zmíněných –5 °C. Aby obyvatelé nepociťovali studené proudění, vytvářejí horká otopná tělesa před okny vnitřní tepelnou clonu. Díky tomu je přiváděný vzduch dohříván na teplotu interiéru.

Všechny tyto vlivy (netěsnost oken, velké rozdíly teplot mezi interiérem a exteriérem nebo také komínové proudění ve výškových budovách, kdy je vzduch ze spodních bytů podtlakem odsáván do společných prostor a v nejvyšších patrech naopak tlačen netěsnosti bytových dveří a stoupaček do bytů) mají vliv na výměnu vzduchu.

Jak již bylo řečeno, nízká relativní vlhkost v interiéru je způsobena výměnou vzduchu – tedy větráním. U starší výstavby (například byt v panelovém domě) se jedná spíše o výměnu neřízenou – infiltrací. Nárazově je větrání posíleno otevřením oken. Venkovní vzduch má vždy nižší měrnou vlhkost (obsah vody/ m³) než interiérový, který je nahrazován. Například venkovní vzduch má při –5 °C měrnou vlhkost x = 1,8 g/kg suchého vzduchu; interiérový běžně 8 g/kg suchého vzduchu. Při větrání je proto potřeba na každý m³ přiváděného vzduchu zajistit produkci vlhkosti v interiéru na úrovni cca 5 g vody pro pokrytí deficitu, abychom interiér venkovním vzduchem nevysušily, tedy aby relativní vlhkost nepoklesla.

Pokud je objekt velmi netěsný, pak do něj může neřízeně – infiltrací – proudit běžně množství vzduchu kolem 200 m³/hod. Tedy každou hodinu po celý den zajistí produkci vlhkosti 1 000 g/hod., tedy 24 l/den. Pokud ovšem objekt utěsníme (včetně výměny oken za těsná), pak omezíme infiltraci na minimum. Nárazové větrání otevřenými okny pak nestačí na odvedení produkce vlhkosti z interiéru – průměrně je tímto způsobem zajištěno větrání v množství cca 20 m3/hod. Je proto nutné z pohledu udržení vhodné koncentrace relativní vlhkosti přívod vzduchu proměně regulovat s ohledem na vnitřní produkci vlhkosti.

Znečištění vzduchu uvnitř objektu – koncentrace CO₂
Obecně jsou odéry (plynné složky ovzduší) vnímané jako vůně nebo zápachy produkované člověkem a jeho činností. Mimo běžné odéry (kouření, příprava jídel) se v interiéru dnes vyskytují dříve neznámé styreny, formaldehydy a odpary z nátěrů. Z venkovního ovzduší se do budov infiltruje především CO₂(oxid uhličitý) a mnoho dalších odérů. Ve vnitřním prostředí pak vzniká při pobytu osob hlavně CO₂ a tělesné pachy, které jsou obecně indikátorem kvality vnitřního vzduchu. Venkovní vzduch má koncentraci CO₂ cca 370 ppm – tedy 0,037 %.

Všeobecně uznávané je tzv. Pettenkoferovo kritérium, které slouží jako indikátor znečistění vzduchu uvnitř objektu. Jako optimální hodnota indikátoru se stanovuje koncentrace 0,1 % CO₂ (1 000 ppm = 1 l/m³ vzduchu). Zásadním způsobem lze kvalitu odérového mikroklimatu v budovách ovlivnit pouze dostatečným přívodem čerstvého vzduchu. Základní a ve světě uznávaná hodnota intenzity větrání se udává 25 m³/h čerstvého venkovního vzduchu na jednu osobu pro odvedení běžných tělesných odérů. Tato hodnota platí obecně pro školní učebny i obytné místnosti a jídelny. Pro kanceláře se zvyšuje až na 36 m³/h/os.

Pokud bychom koncentraci CO₂ považovali za jediný parametr vnitřního mikroklima, pak by výměny a množství přiváděného vzduchu byly ještě vyšší. A jsme opět u nízké relativní vlhkosti. Proto se v současné době otevírá otázka, zda limitní parametr 0,1 % CO₂ není moc přísný, až akademický, jestli není vhodné přistoupit na koncentrace vyšší – 0,15 % apod. Pokud tyto parametry převedeme na průměrné množství přiváděného vzduchu na osobu, pak se jedná cca o 15 až 18 m³/hod. Jakákoliv změna těchto parametrů má okamžitý dopad na relativní vlhkost. Praktická několikaletá měření v pasivních domech ukazují, že i hodnota CO₂ 0,15 % je pro drtivou většinu osob přijatelná. Ostatně – ve velké většině bytů v zimním období se koncentrace běžně pohybují na úrovni koncentrace CO₂ 0,3 až 0,5 %. Pro pracovní prostředí je podle předpisů povolená koncentrace až 0,9 %.

Intenzita větrání
Již byly zmiňovány hodnoty přívodu vzduchu n na osobu od 15 do 25 m³/h. To není ale jediné hledisko důležité pro intenzitu větrání. Existují požadavky na odvod vzduchu při vaření z kuchyně, při použití koupelny nebo WC, dále pak k provětrání celého obestavěného prostoru objektu. Pro porovnání a dimenzování se pak požadavky přepočítávají na obestavěný prostor. Jako ve všech oblastech tak i zde panují rozdílné názory.

Pro dimenzování můžeme použít jeden ze tří základních parametrů (obvykle se volí ten, který má požadavek na větrání na nejvyšší úrovni):

Podle velikosti obestavěného prostoru. Pro nucené větrací zařízení předepisují v řadě vyspělých států intenzitu výměny v rozsahu n 0,3 až 0,5 l/h.V tomto případě se n vypočítává z obestavěného prostoru, není brán v úvahu počet a typ místností v domě, ani počet osob, které v objektu žijí.
Podle typu místností v domě
Podle počtu osob. Jako nejčastější a obecně udávaný údaj se používá hodnota přívodu 25 m³/h na osobu. Pro osobu adaptovanou (zvyklou) na interiér objektu je možné snížit množství přiváděného vzduchu až na cca 18 m³/h. Pro běžnou 4člennou rodinu je pak požadavek na větrání 72 až 100 m³/h. Při přepočtu na obestavěný prostor (např. 300 m³ – tedy běžný rodinný dům) se jedná o intenzitu výměny n = 100/ 300 = 0,3 l/h.

V praxi ovšem závisí intenzita větrání i na obsazení objektu apod. Není problém udržet všechny požadované parametry v přijatelných mantinelech i při výměně n = 0,15 l/h. Bavíme se ovšem o průměrných hodnotách – v době použití WC může být výměna klidně 0,5 l/h, bez pobytu osob pak 0,05 l/h.

Aby při větrání nebylo zima
Abychom v interiéru udrželi požadovanou teplotu, musíme přivádět tepelnou energii. Část této energie ztrácíme prostupem přes konstrukce – tedy přes stěny, stropy, podlahy a okna (přes skla). Abychom tyto ztráty snížili, objekty se zateplují, používají se trojskla apod. Druhou část energie potřebujeme na dohřev vzduchu při větrání – přiváděný vzduch z venkovní teploty se musí ohřát na teplotu interiérovou, například z –15 na 22 °C, tedy o 37 °C. Existuje způsob, jak i množství této energie snížit – použitím systému větrání s rekuperačním výměníkem.

Rekuperační výměník je zařízením vyráběné z papíru, kovu (obvykle hliníku) a plastu. Jedná se o soustavu navzájem oddělených těsných kanálků, kudy proudí jednotlivé vzdušiny – tedy vzduch z objektu odváděný a vzduch přiváděný. Podle typu pak rozdělujeme rekuperační výměníky na:

souproudé (vzdušiny proudí stejným směrem),
křížové (vzdušiny prochází výměníkem kolmo na sebe),
protiproudé (vzdušiny proudí soustavou kanálků proti sobě).

Dále existují výměníky rotační (používají se hlavně v průmyslových objektech); jsou to navinuté pásy hliníkového vlnitého plechu do svitku, který se otáčí. Odpadní vzduch průchodem ohřívá materiál výměníku (hliník), po přetočení do sektoru přívodu pak energie naakumulovaná do materiálu výměníku přívodní vzduch předehřívá. Předehřev přiváděného vzduchu je vyčíslen v procentech a znamená, kolik procent energie z odpadního vzduchu bylo zpětně vráceno do objektu. Jen pro zdůraznění – rekuperací není snižováno celkové množství energie potřebné pro udržení teploty v interiéru, ale pouze energie potřebná na dohřev větracího vzduchu. Pokud tedy bude v modelu spotřebována energie na topení za topnou sezónu za 25 000 Kč, neušetříme při účinnosti rekuperace 85 % částku 21 250 Kč, ale cca 4500 Kč. I tak se ale jedná o velmi výrazné snížení provozních nákladů.

V současné době dosahují nejvyšší účinnosti rekuperační výměníky protiproudé, běžně 90 až 95 %. Díky tomu, že vzdušiny proudí průřezově malými kanálky kolem sebe, oddělené pouze tenkou stěnou materiálu (například z plastu o tloušťce 0,2 mm) a jsou ze všech stran obklopené vzdušinou opačnou, mají výměníky velkou předávací plochu. Přiváděný vzduch je proto předehřátý z -15 na cca +18,5 °C, takže stačí dohřát o 3,5 °C, což je velký rozdíl proti předchozím 37 °C.

Vliv vzduchotěsnosti objektu na účinnost rekuperace
Celkové množství přívodního větracího vzduchu do objektu se skládá ze dvou hlavních položek. Část vzduchu je přiváděná neřízeně, infiltrací přes netěsnosti konstrukcí a oken, část řízeně – buď otevíráním oken, nebo přes nucený větrací systém. Nucený přívod máme pod kontrolou. Je nutné znát relativně přesně obě množství, aby součet obou přívodů byl na hodnotě, která odpovídá požadavkům na větrání, které udrží parametry CO₂ a relativní vlhkost v přijatelných mantinelech. Pro optimální využití vlastností rekuperace je nutné, abychom měli pokud možno celé množství přívodního vzduchu pod kontrolou. Díky hodnotě n₅₀ (průtok vzduchu zjištený při blower door testu : obestavěný prostor) jsme schopni spočítat, jaké množství přívodního vzduchu infiltrací nemáme pod kontrolou. Výsledkem je pak hodnota vzduchu, na kterou nastavíme vzduchotechnický systém (VZT) – vše proto, abychom pak neměli problém s nízkou relativní vlhkostí při provětrání interiéru.

Velmi často se v diskusích vedou spory o tom, jakou účinnost rekuperace (%) musí VZT jednotka splňovat. Hodnota pod 90 % je údajně špatná. Pokud ovšem máme objekt, který není nikdy dokonale hermetický, pak se bavíme ne o účinnosti rekuperace, ale o celkovém zpětném využití energie z odpadního vzduchu. Moc nám nepomůže, že účinnost rekuperačního výměníku při průtoku vzduchu 100 m³/h je 90 %, když určité procento vzduchu jde úplně mimo rekuperační výměník (infiltrace). Tuto energii ztrácíme.

Ze závislosti hodnoty celkové účinnosti systému větrání a parametru vzduchotěsnosti n₅₀ je jasně vidět, proč je důležité zajistit vzduchotěsnost domu dle doporučených parametrů. Pokud bude mít objekt skutečný parametr n₅₀ = 3 l/h, bude postaven ve větrné krajině, pak při správném nastavení celkového přívodu (součtu infiltrace a řízeného větrání) bude účinnost využití energie z odpadního tepla na cca 40 %. Pokud pomineme komfort vnitřního prostředí, je zde již otázka, zda se vůbec vyplatí pořizovat systém s rekuperací. Díky poklesu zpětného zisku tepla samozřejmě vzrůstá požadavek na množství energie pro ohřátí přívodního vzduchu na teplotu interiéru (dokrytí ztrát celkovým větráním). Proto je nutné, aby objekty po stavební stránce byly maximálně vzduchotěsné a větrací vzduch měli pod kontrolou – nejlépe systémem s rekuperací tepla.

Martin Jindrák
Foto: IVT, Viessmann