Systémy větrání budov a teplovzdušné vytápění

Jako jeden z prvních systémů větrání – dokonale fungující – sloužila ve středoevropském klimatu vždy okna. Spáry a netěsnosti v okenních rámech stačily na dostatečnou výměnu vzduchu v interiéru a bylo lhostejné, zda byly vytvořeny vědomě, nebo byly výsledkem nepřesnosti výroby či důsledkem sesychání dřevěných rámů. V kombinaci s lokálními tepelnými tělesy a prohřívanými komíny vytvářely v každé místnosti dokonale funkční větrací soustavu. V zimním období, během topné sezony, bylo nutné odvádět určité množství vzduchu smíšeného s kouřem ven z místnosti komínem; trvalý aerační odtah zajišťoval i v době odstávky v teplém prostředí vnitřních komínů dostatečnou intenzitu podtlakového větrání. Čistý venkovní vzduch byl pak do interiéru nasáván netěsnostmi oken a samotnou konstrukcí. Jakýkoliv způsob regulace větrání podle požadavků nepřicházel v úvahu, na druhou stranu byla výměna vzduchu zajištěna prakticky bez zásahu osob, pouze jako vedlejší projev jeho činnosti, kdy intenzita výměny vzduchu byla závislá na provozu topného zdroje.

Technologický pokrok přinesl radikální změnu názorů na kvalitu bydlení, stavební postupy a způsoby vytápění. V průběhu 20. století se začínají masivně prosazovat ústřední teplovodní systémy vytápění: nejprve se kotel ústředního vytápění instaloval v bytě, postupně opouštěl obytné prostory a stěhoval se do sklepů. Často měl celý dům společný jeden kotel. Důsledkem tohoto vývoje byla radikální změna mikroklimatických podmínek. Při nezměněných tepelných parametrech poddimenzovaných obvodových konstrukcí totiž citelně chybí sálavá tepelná složka pro eliminaci studených povrchů stěn; přenos tepla tělesy ústředního vytápění je převážně konvektivní a pro dosažení tepelné pohody je nutno vzduch v místnostech výrazně přetápět. Vyšší teplota vzduchu znamená, že při stejné měrné vlhkosti je relativní vlhkost (r_h) nižší.

Větší rozdíl teploty v interiéru a exteriéru také vytváří výhodnější podmínky pro výměnu vzduchu – spolu s působením nárazového větru vzniká tzv. syndrom vlnících se záclon. Tato velká výměna vzduchu je příčinou ještě nižší relativní vlhkosti v interiéru. Aby se tedy minimalizovaly tepelné ztráty způsobené větráním, utěsňují se okenní spáry (kovotěsy, gumová a silikonová těsnění). Tím se ovšem vnitřní prostor až hermeticky uzavírá.

Velkou hnací silou těchto úprav jsou rostoucí ceny tepelné energie. V současné době vidíme všude kolem nás masovou úpravu objektů – výměny starých oken za těsná – plastová a zateplování obvodových konstrukcí. Nepromyšlené stavební zásahy v objektech s malým tepelným odporem obvodové stěny však přinášejí i závažné problémy: masový výskyt plísní, neodvětraná vlhkost, výskyt radonu, formaldehydu či styrénu.

Díky silnému omezení přívodu vzduchu do místností a při nezměněném chování obyvatel (sušení prádla v bytě, vaření bez digestoře, neodvětrané plynové sporáky) dochází na chladných plochách konstrukcí ke kondenzaci vlhkosti – hlavně v rozích, uzavřených koutech nebo plochách za skříněmi, kde vzduch neproudí. Výsledkem původně dobře míněné úpravy tak paradoxně může být negativní vliv na lidské zdraví.

Výsledkem snahy o odstranění nepříjemných následků dokonale těsných oken je tzv. čtvrtá poloha kliky, kde okenní kování v kombinaci s určitou polohou okenní kliky umožňují nastavit štěrbinové větrání. Nevýhodou je, že větrání se nedá regulovat podle meteorologických podmínek, rychlosti větru, rozdílů teplot a různých podmínek bytů na návětrné a závětrné straně fasády.

Také je jiný požadavek na vzduchotěsnost bytů ve spodních a horních patrech výškového domu vzhledem ke komínovému tahu v budově. Při štěrbinovém větrání – tedy při tzv. mikroventilaci – do bytů snadněji vniká prach, do interiéru proudí studený venkovní vzduch a teplo se odvádí bez užitku. V rušných lokalitách není možné toto řešení použít z hygienických důvodů – okno ve čtvrté poloze kování ztrácí svůj akustický útlum, čímž se výrazně zvyšuje pronikání hluku z venkovního prostředí. Z tohoto pohledu zaplatíme více peněz za to, že si zhoršíme technické parametry oken.

Nucené větrací soustavy bytových objektů s ústředním zdrojem tepla
Soustavy, představované v následujících popisech, můžeme rozdělit na dvě hlavní skupiny:

• centrální,
• decentrální.

Centrální jsou obvyklé u obytných budov s více byty, které jsou vytápěny ústředním vytápěním se zdrojem mimo bytovou část – typickým příkladem jsou betonové panelové objekty napojené na výtopny, kde je větrání zajišťováno jedním systémem pro všechny byty najednou. Decentrální větrací soustava je samostatná pro každý byt. Principy a funkce decentrální soustavy platí i v rodinných domech.

Díky změnám v temperování budov (přechod na ústřední vytápění se zdrojem tepla mimo obytnou část budov) chyběla hnací síla, která by zajistila odvod vzduchu z interiéru. Často doporučované nárazové větrání pravidelným otevíráním oken je provozně zcela neakceptovatelné a stejně nemůže řešit dostatečné odvětrání sociálních zařízení. Těžko si umíme představit každou hodinu v noci vstávat a na několik minut otevírat okna dokořán.

Zajištění přívodu vzduchu u podtlakových větracích soustav
Těsnější okna a tepelně – izolační fasády (tzv. termofasády) přenášejí problém přívodu vzduchu během provozu větracích systémů do míst, kde bychom jej ani nečekali – na vchodové dveře bytů a společné šachty a utěsnění prostupů vedení plynu, vody a elektřiny, a to od sklepa až po nejvyšší patro. Zátěži jsou vystaveny také spoje kanalizačních odpadních trubek z novoduru – často jsou nedokonale slepeny a spojovány pouze roztažením. Tím, že se zahřívají, ztrácejí těsnost.

Ale vraťme se k obvodovému plášti budov. Kromě instalací oken s tzv. mikroventilací se objevují i realizace, které zajišťují přívod vzduchu jiným způsobem:

• Okenními štěrbinami. V okenním rámu je otvor obdélníkového tvaru, který se uzavírá pomocí klapky. Pohon této klapky zajišťuje pružina. Síla jejího sevření závisí na vlhkosti: čím je relativní vlhkost nižší, tím více je klapka zavřenější. Toto řešení je srovnatelné s tzv. mikroventilací – při jeho použití se zvyšuje hladina hluku, zatížení prachem a rám se ochlazuje.
• Odstraněním částí okenního těsnění (zhoršení těsnosti oken). Jde o vynechání části těsnění mezi rámem a křídlem bez tzv. čtvrté polohy (mikroventilace). Toto řešení je neefektivní, protože pouze vyměňuje stará netěsná okna za okna nová, rovněž netěsná.
• Okny s tzv. rekuperací tepla. U tohoto typu oken nejde o standardní rekuperaci. Okno je vybaveno uzavírací klapkou, aby bylo potlačeno nežádoucí proudění do interiéru, obvykle na obdobném principu jako u štěrbiny přes okenní rám. U tohoto typu oken však vzduch neproudí do interiéru přímo, ale je veden soustavou kanálů po obvodu okenního křídla (mezi křídlem a rámem okna). Nedá se zde proto mluvit o rekuperaci tepla, nýbrž o předehřívání přiváděného vzduchu, a to prochlazováním rámu a křídla okna. Určitého zlepšení komfortu je ale dosaženo, přiváděný vzduch do bytů nemá venkovní teplotu, ale je částečně předehřátý. Energie se tímto způsobem neuspoří.
• Stěnovými štěrbinami. Jde o způsob, který využívá přívodní akustické větrací štěrbiny do fasád, ve kterých jsou usazeny kulisové tlumiče a filtry pro zachycení prachu. Štěrbina je osazena za topným tělesem, které má zajistit dohřev přiváděného vzduchu. Nevýhodou systému je určitý diskomfort, který uživatelé popisují jako proudění studeného vzduchu do interiéru v takové míře, že otopné těleso svým výkonem není schopné vzduch dohřát. Vzduch vytváří na podlaze studenou, asi 150 mm silnou vrstvu. Aby se tyto problémy redukovaly, zalepují majitelé na zimu vstup na fasádě, místo filtrů vkládají koberce nebo molitany tak, aby co nejvíce prostup zatěsnili. Tím znehodnocují celý systém řízeného odsávání, který je pak při těsných uzavřených oknech zcela nefunkční.

Centrální větrací systém s rekuperací odpadního tepla
Několikrát byl v pilotních projektech realizován větrací systém s centrální větrací jednotkou s rekuperací odpadního tepla. Proti předchozím centrálním způsobům odvětrání, využívající nucený odtah a přívod vzduchu podle předchozích popisů, bylo provedeno několik úprav. První se týká stavební části objektu. Aby bylo dosaženo maximálního možného utěsnění jednotlivých bytů (vzduchotěsnosti objektu), osadí se na střechu objektu centrální vzduchotechnická jednotka s rekuperačním výměníkem. Ta zajišťuje odvod i přívod vzduchu z objektu.

Proto je nutné upravit dvě základní trasy rozvodů vzduchotechniky v objektech. Jednou vzduchotechnickou (VZT) trasou je přiváděn venkovní vzduch po rekuperaci z centrální jednotky k jednotlivým bytům, odkud se jednoduchým bytovým rozvodem přivádí do obytných místností. Odváděný odpadní vzduch je odsáván ze všech sociálních zařízení bytů, ale do jedné společné VZT trasy. Ze vzduchotechnické jednotky je přes rekuperační výměník odváděn mimo objekt.

Odváděný vzduch je nahrazován přívodním ve stejném množství. Jedná se o rovnotlaký větrací systém, při kterém se přívod vzduchu do interiéru nenasává netěsnostmi, ale řízeně, s možností úpravy. Přiváděný vzduch je v rekuperačním výměníku větrací jednotky předehřívám a filtrací zbaven prachu. Podle potřeby je ještě možné zvýšit na ohřívači teplotu přiváděného vzduchu po rekuperaci. Vzhledem k tomu, že vzduch přiváděný i odváděný z bytů má teplotu blížící se teplotám interiérů, není nutné společné šachty nijak výrazně tepelně izolovat.

Nevýhodou tohoto provedení je opět větrání bez ohledu na konkrétní požadavky jednotlivých bytů. Větrají se všechny najednou, bez možnosti regulace a tím ovlivnění relativní vlhkosti v interiérech. Také rozúčtování nákladů za teplo je ovlivněno velkou měrou centrálním odvodem – vzduch ze všech bytů se smíchává do jednoho odpadního odvodu. Výraznou výhodou je, že z tohoto množství odpadního vzduchu se díky skutečné rekuperaci získává zpět běžně kolem 60 % odpadního tepla. Při správné kázni obyvatel je to systém, který velmi výrazně zkvalitňuje úroveň bydlení.

Problémem zůstává regulace, tedy požadavek na výkon odvětrání. Při vaření je vhodné, aby přes digestoř nad varnou plochou procházelo pro zachycení tuků množství vzduchu alespoň 200 až 250 m³/h – optimální rychlost přes tahokovové filtry. Na těchto filtrech pak mastnoty ulpívají a snižuje se zanesení motoru digestoře a odpadních VZT tras. Je ale potřeba zajistit odvod vzduchu z kuchyně. Při základním nastavení systému je z bytu odváděno stále stejné množství vzduchu, které se pohybuje na úrovni asi 80 m³/h na byt.

Je tedy nutné použít tzv. cirkulační digestoř, která slouží pouze jako lapač tuků; vlhkost a pachy zůstávají v místnosti a z místnosti jsou postupně odváděny větráním. Centrální větrací systém v tomto provedení není schopen reagovat na požadavky nárazového zvýšení, které je vhodné pro intenzivnější, a tím pádem i rychlejší odvětrání WC a koupelen.

Decentrální větrací systémy
I v rodinných domech přetrvávaly stejné problémy se získáváním čerstvého vzduchu způsobené změnou zdrojů tepla a chybějícím pohonem pro větrání. I zde byl problém s nízkou relativní vlhkostí vzhledem k velké infiltraci vzduchu okny a konstrukcemi. Ruku v ruce se zlepšením vzduchotěsnosti domů nastaly problémy jako v bytech. Náprava se odehrávla stejnou cestou – zajistil se přívod vzduchu mikroventilací, štěrbinami atd. První nucené větrání bylo velmi jednoduché a je dodnes často používané: na WC a do koupelen byl osazen odtahový ventilátor, který byl spřažen například se světlem. Čím více se na WC svítilo, tím více bylo vzduchu.

Rovnotlaké větrání s rekuperací pro rodinný dům
Do rodinných domů se instalují malé větrací jednotky vybavené rekuperačními výměníky, které v současné době dosahují účinnosti rekuperace běžně kolem 90 %. Do obytných místnosti je vzduch přiváděn, z WC a koupelen (a kuchyně) odváděn. V kuchyni je použitá cirkulační digestoř – tedy lapač tuků. VZT jednotky jsou v různém provedení – od ventilátorů se skokovým ovládáním výkonu až pro elektronické ventilátory s možností regulace výkonu od 20 do 100 %. Díky různým úpravám (snímače kvality vzduchu) je pak možné maximálně se přiblížit požadovanému optimálnímu stavu, kdy výkon větrání s rekuperací je upravován podle konkrétního požadavku provozu a obsazení objektu.

Problém může zkomplikovat taková dispozice objektu, v rámci které nejsou místnosti řazeny za sebou – v tomto případě je přívodní vzduch veden přes ložnici do obývacího pokoje a teprve poté přes chodbu na WC nebo koupelny a odveden mimo dům. Jen tak je možné dimenzovat přívod vzduchu podle počtu osob bez ohledu na to, v jaké místnosti se nacházejí. Pokud je dispozice jiná, je přívod vzduchu dimenzován podle předpokládaného obsazení místností. Může se proto stát, že místnosti s minimálním obsazením (například ložnice) mohou mít díky přívodu venkovního suššího vzduchu a absenci zdrojů vlhkosti nízkou relativní vlhkost. Přitom třeba podmínky v obývacím pokoji mohou být v normě.

Rovnotlaké větrání s rekuperací pro každou místnost
Pro snížení pořizovacích nákladů se proto nabízí (v různých kombinacích) samostatná maličká větrací jednotka pro každou místnost. Přes stěnu se provede průraz například o průměru 150 mm, do kterého se osadí tato malinká jednotka s větracím výkonem od 20 do 80 m³/h. V jednotce je umístěn rekuperační výměník se slušnou účinností rekuperace. Nevýhodou je, že tento systém neřeší odvětrání koupelen, WC a kuchyní. Pokud chceme provětrávat celý byt, musí být umístěna v každé obytné místnosti jedna jednotka. V tomto případě je takováto realizace stejně finančně náročná jako předchozí systém, a navíc není vhodná pro WC a koupelny. Použití této jednotky je proto spíše pro větrání malých kanceláří, kabinetů apod.

Vzduchotechnika a vytápění objektů
Temperování objektu, tedy distribuci tepla od zdroje do obytných místností v novodobějším období zajišťovalo obvykle ústřední vytápění. V každé místnosti byly umístěny otopné plochy – radiátory. V lokalitách, kde nebyl k dispozici zemní plyn, se při topení masově používaly elektrické přímotopy. K topnému systému se přidával systém rovnotlakého větrání. Pokud sečteme pořizovací cenu obou systémů, nešlo o malou částku.

Proto se hledaly cesty, jak realizovat pouze jeden systém, který nabídne obě základní funkce – tedy topení i větrání. Už u prvních vzduchotechnických jednotek, ze současného pohledu s nízkou účinností rekuperace, byly používány ohřívače pro zvýšení teploty vzduchu přiváděného do místnosti. Maximální doporučená teplota ohřevu je ale pouze 50 °C, při vyšší teplotě dochází díky přesušení k rozpadu zbývajícího prachu ve vzduchu na ještě jemnější částice. Ty se dostávají hlouběji do plic a zvyšují dráždění a možnost dalších zdravotních komplikací. Vzduch také není ideální nosič tepla, kapacita přenosu tepla je ve srovnání s vodou malá. Při ohřevu na maximální teplotu je možné 100 m³ vzduchu přenášet výkon 1 kW, tedy za jednu hodinu dostat do objektu 1 kWh energie.

V nízkoenergetických objektech je maximální požadavek na topný výkon pouze v několika dnech topného období, navíc je snížen díky tepelným ziskům v interiéru – tedy svícení, vaření, metabolické teplo osob – s příkonem 2,5 až 3,5 kW. Abychom tuto hodnotu pokryli rovnotlakým větracím systémem, museli bychom větráním přivádět 250 až 350 m³/h bez ohledu na obsazení objektu osobami. Tak velké množství přiváděného vzduchu by však způsobovalo různé problémy, proto tento způsob není pro nízkoenergetické objekty vhodný.

Situace se však mění při energeticky pasivních domech (EPD) s výpočtovou tepelnou ztrátou pod 2 kW. Díky ziskům z osob, domácích spotřebičů a hlavně slunce se pohybuje požadavek na dodávku tepla pro udržení vnitřní teploty v rozsahu 7 až 30 kW/den, což znamená přívod vzduchu v množstvích 30 až 125 m³/hod. Při nevhodných klimatických podmínkách nebo při nedostatečných solárních ziscích opět vznikají problémy s nízkou relativní vlhkostí. Proto se problémy způsobené velkým množstvím ohřívaného vzduchu řeší kombinací řízeného rovnotlakového větrání s další vytápěcí plochou, například použitím malých ploch stěnového vytápění – konvektorem.

Teplovzdušné cirkulační vytápění v ČR
V České republice byl vyzkoušen, otestován a následně hromadně nasazen způsob vytápění cirkulačním vzduchem včetně řízeného větrání s rekuperací. Proti předchozím verzím je doplněna možnost řízení a nastavování kombinace výkonu cirkulace a větrání, postupně doplněny matematické modely větrání, nahrazující používání čidel a zajišťující optimální způsob větrání ve vazbě na obsazení domu. Existují doporučení, která stanovují množství vzduchu vzhledem k požadavkům temperování a dimenzi rozvodů, které jsou integrovány do skladeb konstrukcí tak, aby v interiéru nebyly rozvody nijak vidět, a to i u nepodsklepených objektů.

Princip cirkulace je stejný, tedy přívod do místnosti přes centrální mřížku zpět k jednotce. V případě aktivace větrání (například rozsvícením světla v koupelně) se sepne druhý odtahový ventilátor, který odsává vzduch z koupelen, WC a kuchyně, a po průchodu rekuperačním výměníkem je odveden ven z objektu. Přívodní vzduch je přes rekuperační výměník přiveden k jednotce. V ní je smíchán se zbývajícím cirkulačním vzduchem a přiveden do obytných místností. Temperování WC a koupelen je zajištěno samostatnou otopnou plochou – například topný žebřík. Cirkulační okruh ještě přináší další dvě výhody: topný výkon záleží pouze na velikosti cirkulačního ventilátoru a teplovodního výměníku. Je proto možné jedním systémem temperovat objekty i se ztrátou 7 kW, aniž by to mělo jakýkoliv vliv na větrání.

Chcete-li topit, nemusíte větrat. Druhá výhoda je v tom, že místnosti jsou spojeny do jednoho celku. Stačí přivést určité množství čerstvého vzduchu kamkoliv do objektu, díky cirkulaci si najde cestu k uživatelům. Je lhostejné, jestli osoby sedí společně v obývacím pokoji nebo rozptýleně po domě, na dýchání mají k dispozici celou kapacitu obestavěného prostoru. U energeticky pasivních domů je možné díky cirkulaci rychleji zvedat teplotu a snadno převádět tepelné zisky. Ve spojení s jinými zařízeními je možné snadno cirkulační systém použít i pro chlazení interiérů.

Martin Jindrák
Foto: Atrea, K. Kabele, Viessmann