Partneři sekce:
  • SCHELL
  • REHAU
  • GEBERIT
  • P.M.H. Invest & Trade

Hygienické parametry vnitřního prostředí ve třídě

Hygienické parametry vnitřního prostředí ve třídě

Komfort žáků na základních školách neovlivňuje jen teplota vnitřního vzduchu ve třídách, ale i jeho kvalita. Kvalita vnitřního prostředí se dá prokázat například koncentrací CO2. Reálné výsledky by měl mít k dispozici správce školních budov, aby mohl vytvářet zdravé vnitřní prostředí škol.

Měřeními, která se uskutečnila na vybrané základní škole v Tatranské Štrbě, se podařilo prokázat rozdílnost mezi požadovanou kvalitou prostředí a skutečnými naměřenými hodnotami. Na základě měření in-situ byl vy­pracován matematický model vybrané třídy a byla stanovena potřebná výměna vzduchu.

Hygienické požadavky na vnitřní vzduch

Budovy základních škol jsou specifické svým způsobem využívání a též samotným provozem. Žáci tráví přibližně 30 % svého života ve školách, což vede k potřebě dosáhnout požadované úrovně komfortu ve třídách v budovách základních škol. Komfort žáků neovlivňuje jen teplota vnitřního vzduchu, ale i jeho kvalita.

Požadavky na větrání ve třídách základních škol na Slovensku vyplývají z vyhlášky MZ SR č. 259/2008 Sb. z. o požadavcích na vnitřní prostředí budov, o minimálních požadavcích na byty nižšího standardu a na ubytovací zařízení [2]. Pro účely této vyhlášky se podle §1 ods. b dlouhodobým pobytem rozumí pobyt lidí, který trvá v průběhu čtyřiadvaceti hodin více než čtyři hodiny a opakuje se při dlouhodobém užívání budovy více než jednou za týden. Všechny vnitřní prostory základní školy s dlouhodobým a krátkodobým pobytem lidí je nutné větrat. Větrání je potřebné zabezpečit přirozeným nebo nuceným větráním.

Způsob větrání se určuje podle počtu osob, vykonávané činnosti, tepelné zátěže a míry znečištění ovzduší tak, aby se splnily požadavky na množství vzduchu na dýchání, na čistotu vnitřního ovzduší a aby lidé nebyli obtěžovaní pachovými látkami. Podle § 2 odst. 3 vyhlášky se výměna vzduchu přirozeným větráním používá v prostorách bez zdroje škodlivin a tepla, v nichž postačuje jedno- až dvounásobná intenzita výměny neupravovaného vzduchu a v nichž lze polohou a stavebním řešením zabezpečit požadovanou výměnu vzduchu. Podle odst. 4 vyhlášky se v ostatních budovách zabezpečí výměna vzduchu nuceným mechanickým větráním, a to:

  • podtlakovým, pokud vzduch obsahující škodliviny nemá z větrané místnosti pronikat do sousedních prostorů;
  • přetlakovým, pokud se zamezuje pronikání škodlivin ze sousedních prostorů do větrané místnosti;
  • tlakovým vyrovnáním, pokud se nemá měnit vzduch mezi větranou místností a ostatními prostory.

Obr. 1  Infiltrace vzduchu přes otvorovou konstrukci

Obr. 1  Infiltrace vzduchu přes otvorovou konstrukci

Požadavky na kvalitu vnitřního ovzduší

Požadavky na kvalitu vnitřního ovzduší stanovuje v USA a v některých dalších zemích American Standard ASHRAE 62 [3], zatímco ve většině evropských zemí, stejně jako v některých jiných zemích, evropská norma prEN 13779 [4]. Tyto dva dokumenty nejsou totožné. Americká norma stanovuje minimální hodnotu 8 l/s/osobu na požadované množství čerstvého vzduchu ve třídách na základě vnitřní maximální koncentrace CO2 700 ppm. Evropská norma definuje tři úrovně výkonu, IDA1, IDA2 a IDA3, založené na koncentraci CO2 – 800, 1 000 a 1 500 ppm. Je zřejmé, že i ten nejpřísnější evropský požadavek IDA1 je mírnější, než je požadavek ASHRAE.

Ve třídách, kde je zákaz kouření, prEN 13779 umožňuje větrání s rychlostí 4 l/s/osobu pro stupeň IDA3, což je poloviční rychlost výměny vzduchu než v ASHRAE. Existuje i místní izraelská regulace, která je ve fázi přípravy. Záměrem je navrhnout kompromisy mezi oběma uvedenými dokumenty. Toto plánované regulační ustanovení spotřeby čerstvého vzduchu na úrovni přibližně 5 l/s/osobu následně vede k požadavku na výměnu vzduchu 720 m3/h v předpokládané třídě, v níž by se nacházelo čtyřicet žáků. Tento předpoklad stanovuje výměnu vzduchu ve třídě na n = 5 1/h.

Měření in-situ na ZŠ Štrba

Experimentální měření na ZŠ v Tatranské Štrbě se uskutečnilo ve dvou fázích. Nejprve se uskutečnilo přípravné měření, které bylo zaměřeno na pozorování a chování studentů během vyučování a na jejich návyky. Výsledky a poznatky z tohoto měření byly analyzovány a na jejich základě bylo připraveno hlavní měření.

Měření kvality vnitřního prostředí bylo uskutečněno ve třídě 2. ročníku, 5. ročníku, 8. roč­níku a též na komunikační chodbě nacházející se před třídami. Třídy byly rozměrově identické, s touž orientací na světové strany. Do každé třídy je jediný přístup dveřmi, které se vždy nacházejí ve stěně proti oknům a vedou do chodby. Světlá výška místnosti je 3 400 mm. Celkový objem každé třídy je 178,5 m3.

Obr. 2  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během vyučování [10]

Obr. 2  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během vyučování [10]

Obr. 2  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během vyučování [10]

02dJavorcekObr. 2  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během vyučování [10]

Obr. 2  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během vyučování [10]

Obr. 2  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během vyučování [10]

Infiltrace vzduchu

V důsledku tlakového rozdílu vyvolaného gravitační silou a působením větru proudí vzduch do budovy a z ní přes netěsnosti v obalové konstrukci nebo přes otevřené póry použitých stavebních materiálů. Toto nekontrolované proudění vzduchu a jím způsobenou výměnu vzduchu lze považovat za druh přirozeného větrání [7].

Stanovení vzduchové propustnosti třídy, tzv. Blower door test, podle STN EN 13 829 [5] umožňuje určit jeden z parametrů, který vstupuje do numerického simulačního programu EnergyPlus [9]. Tato měření se uskutečnila opakovaně ve všech ověřovaných třídách tak, aby se snížilo riziko nepřesnosti jednoho měření.

Měření vzduchové propustnosti byla vykonána ve všech analyzovaných třídách v tentýž den. Měření podle STN EN 13 829 [5] byla provedena vícenásobně, aby se eliminovalo riziko vzniku chyby jednoho měření. Výsledky měření ve všech analyzovaných třídách byly téměř totožné. Hodnota vzduchové propustnosti, která se uvažovala v simulaci, byla n =1,5 1/h.

Vnitřní prostředí ve třídě

Koncentrace CO2 ve třídě je dynamická veličina. Mění se v době, kdy je třída prázdná, a mnohem výrazněji se mění, když jsou ve třídě žáci. Koncentrace CO2 ve vnějším ovzduší měla průměrnou hodnotu 380 ppm během celého měření. Této hodnoty se ve třídě nepodařilo dosáhnout ani během vyučování, kdy byla okna otevřena, ani v období, kdy byly třídy prázdné a výměna vzduchu se uskutečňovala infiltrací a exfiltrací. Nárůst koncentrace začíná hned, když přicházejí do třídy žáci. Tento nárůst začínal standardně po 7:20 h.

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Obr. 3  Grafy koncentrace CO2 a teploty vzduchu ve třídě 2. ročníku během sedmi dnů [10]

Rychlost nárůstu, jakož i pokles koncentrace CO2, se nedají přesně stanovit. Není možné stanovit, jaký budou mít průběh. Jak vidíme na grafech dokumentujících měření, průběhy teploty vzduchu ve třídě a koncentrace CO2 jsou při výrazných a náhlých změnách navzájem podobné. Tato podobnost ovlivňuje množství otevřených oken ve třídě. Z celkových průběhů teploty vzduchu, jakož i koncentrace CO2 ve třídě, není možné jednoznačně stanovit závislost. Ve vybraných analyzovaných úsecích však lze pozorovat vzájemný pokles obou parametrů. Tento jev nastává v době vybraných přestávek během vyučování, kdy jsou třídy prázdné a výměna vzduchu ve třídě postačuje na to, aby byl pokles koncentrace výrazně vyšší.

V době, kdy jsou třídy prázdné, se dá pozorovat postupný pokles koncentrace CO2 zapříčiněný infiltrací a exfiltrací vzduchu. Průměrná koncentrace CO2 při příchodu prvních žáků 2. ročníku je 525 ppm. Tato průměrná hodnota je o 145 ppm vyšší, než je průměrná koncentrace CO2 ve venkovním ovzduší během celého měření. Z těchto poznatků se dá poukázat i na skutečnost, že samotnou infiltrací vzduchu není možné zabezpečit větrání tříd na úroveň koncentrace CO2 v exteriéru. Tento poznatek prokazují i výsledky měření realizovaných během celého týdne, přičemž vidíme jasnou tendenci nárůstu během každého následujícího dne v průběhu celého týdne.

Větrání tříd

Z analýz větrání 2. třídy jasně vidíme vysokou míru variability otevírání oken. Tento fakt je na základě osobního poznání, jakož i věku studentů připisován subjektivnímu hodnocení vyučujícího, který bral na zřetel kvalitu parametrů vnitřního prostředí během vyučování. Z výsledků lze prokázat i nejvíce vyrovnaný průběh sledovaných parametrů během všech dnů. Z analýzy vyplývá, že otevření tří oken zabezpečuje výměnu vzduchu postačující na to, aby koncentrace CO2 neměla stoupající charakter, ale zachovala si hodnotu, která byla v té době.

Nepostačuje to však na to, aby se koncentrace dostala pod normou přípustnou hodnotu 1 000 ppm. Otevření čtyř oken zabezpečuje výměnu vzduchu, která způsobí klesající charakter koncentrace CO2 ve třídě. Tyto poznatky se vztahují jen na analyzované období. Z analýzy větrání je možné prokázat, že průměrný počet otevřených oken se během vyučování v jednotlivých třídách stejně měnil.

Průměrná hodnota počtu otevřených oken v době, kdy probíhá vyučování, je

  • ve třídě 2. ročníku – 2,65,
  • ve třídě 5. ročníku – 3,64,
  • ve třídě 8. ročníku – 3,42.

Dynamická simulace tříd

V programu SketchUp byl vymodelován počítačový model [8]. Šlo o vybranou třídu s typickými rozměry. Všechny analyzované třídy byly totožné, včetně oken. Tento model byl použit pro všechny třídy. Variabilita modelu spočívala v obsazenosti třídy žáky, produkci CO2 žáky a frekvenci větrání. Klimatické údaje zadávané do programu EnergyPlus [9] v rámci jednoho týdne simulace byly totožné pro každou třídu a vycházely z naměřených a analyzovaných údajů z meteorologické stanice umístěné před fasádou třídy na nedalekém hřišti vzdáleném přibližně 50 m od průčelí budovy. Parametrické simulace byly vypracovány pro charakteristickou třídu v ZŠ Tatranská Štrba s analyzovanou obsazeností třídy žáky s různým věkem, přesným rozvrhem větrání, analyzovanými klimatickými údaji a vzduchovou propustností třídy.

Analýza stavu vnitřního prostředí ve třídách byla prováděna v časovém období od 10. 12. 2013 do 16. 12. 2013. Při variování zmíněných parametrů ve třídách se analyzovala míra vlivu na kvalitu vnitřního prostředí ve třídách.

Z vyhodnocení výsledků parametrických simulací vyplynulo několik poznatků:

  • přirozené větrání při intenzitě výměny vzduchu 3,5 až 4,0 1/h během dne, kdy jsou třídy obsazeny, pomáhá udržovat teplotu vnitřního vzduchu v analyzované zóně na úrovni 20 až 24 °C v souladu s vyhláškou MZ SR č. 259/2008 Z. z. při analyzovaných klimatických údajích; akumulační schopnost stavebních konstrukcí a vnitřní tepelné zisky především od lidí (žáků) se výrazně podílejí na udržování vnitřní teploty během intenzivního přirozeného větrání, kdy je výměna vzduchu nad 4,5 1/h;
  • •    vliv vzduchové propustnosti není nezanedbatelný ani u budovy školy, na níž byla vykonána významná obnova; výměna vzduchu, jak bylo prokázáno metodou Blower door test v souladu s STN EN 13829 a rovněž na základě výsledků parametrických simulaci, není postačující na to, aby se následující vyučovací den ve třídě nezvyšovala koncentrace CO2 v porovnání s koncentrací CO2 v exteriéru; naměřené hodnoty koncentrace CO2 byly vždy pod úrovní 1 000 ppm, ale rychlý nárůst koncentrace CO2 při příchodu žáků do třídy byl jasně detekovaný už během první vyučovací hodiny; analyzovaná hodnota se proto považuje za nepostačující; výjimkou z naměřených hodnot byl první vyučovací den, tj. pondělí, kdy se analyzovala hodnota koncentrace CO2 v porovnání s průměrnou koncentrací CO2 během analyzovaného týdne 380 ppm; každý další vyučovací den se průměrná hodnota koncentrace CO2 v době příchodu žáků do tříd zvyšovala; z výsledků měření in-situ se stanovila vzduchová propustnost podle metody Blower door test 1,51 1/h; na základě výsledků parametrických simulací byla průměrná hodnota výměny vzduchu v době, kdy nebyly třídy obsazené žáky a za podmínky zavření všech oken, 1,83 1/h;
  • •    z analýzy stavu vnitřního prostředí na komunikační chodbě před třídami vyplývá, že kvalita vnitřního prostředí prokázaná hodnocenými parametry je výrazně lepší než ve všech třídách; tyto hodnoty se potvrdily během celého vyučovacího dne;
  • •    ve všech analyzovaných třídách se výměna vzduchu zabezpečovala přirozeným větráním; výměna vzduchu měla proměnlivou hodnotu, kterou ovlivňoval počet otevřených oken v jednotlivých třídách; z vyhodnocení parametrických simulací se detekoval stoupající trend výměny vzduchu v závislosti na věku žáků;

průměrná výměna vzduchu v čase obsazenosti třídy byla:

  • třída 2. ročníku – n = 5,1 1/h,
  • třída 5. ročníku – n = 5,6 1/h,
  • třída 8. ročníku – n = 6,2 1/h;
  • na základě parametrických simulací jednotlivých zón vyhotovených v programu EnergyPlus [9] se dá jednoznačně prokázat, že hodnota výměny vzduchu n = 0,5 1/h uvažovaná ve výpočtech energetické hospodárnosti podle STN 73 0540-2: 2012 je nepostačující na zabezpečení vyhovujícího vnitřního prostředí ve vztahu ke koncentraci CO2; ve vyhlášce MZ SR č. 259/2008 Sb. z. je uveden příklad parametrů tepelně-vlhkostního mikroklimatu v prostorách se specifickými požadavky, kde je hodnota výměny vzduchu ve školách a předškolních zařízeních (učebny) stanovena n = 3 až 8 1/h; výsledky parametrických simulací prokázaly, že hodnota výměny vzduchu n = 3 1/h je též nepostačující.

Obr. 4  Koncentrace CO2, počet a délka otevření oken během vyučování ve třídě 2. ročníku [10]

Obr. 4  Koncentrace CO2, počet a délka otevření oken během vyučování ve třídě 2. ročníku [10]

Co prokázalo měření in-situ?

Úroveň výměny vzduchu, která vstupuje do výpočtu energetické hospodárnosti budov základních škol, je stanovena na základě STN 73 0540-2: 2012 [6]. Výpočtové metody energetické hospodárnosti budov zohledňují hodnotu výměny vzduchu ve třídách alespoň n = 0,5 1/h. Tato hodnota, jak se prokázalo měřením in-situ ve všech třídách a jejich následnou analýzou a aplikací v parametrických simulacích v programu EnergyPlus, je nepostačující.
Prokázala se potřeba variability výměny vzduchu v závislosti na obsazenosti třídy a produkce CO2 jako hlavní indikátor kvality vzduchu. Výměnu vzduchu postačující na zabezpečení požadované kvality vnitřního prostředí je možné dosáhnout i intenzivním přirozeným větráním. Tento způsob větrání je náročný na potřebu tepla na vytápění budov především v zimním období, což je v rozporu s trendem snižování potřeby/spotřeby energie na vytápění.

TEXT: Ing. Miroslav Javorček, prof. Ing. Zuzana Sternová, Ph.D.
OBRÁZKY: archiv autorů

Autorka je ředitelka Technického a zkušebního ústavu stavebního, n. o.

Literatura

  1. STN EN 15251: 2008: Vstupní údaje o vnitřním prostředí budov na navrhování a hodnocení energetické hospodárnosti budov – kvalita vzduchu, tepelný stav prostředí, osvětlení a akustik, SÚTN.
  2. Vyhláška č. 259/2008 Sb. z. Ministerstva zdravotnictví Slovenské republiky z 18. června 2008 o podrobnostech o požadavcích na vnitřní prostředí budov a o minimálních požadavcích na byty nižšího standardu a na ubytovací zařízení.
  3. ANSI/ASHRAE 62-1999. Ventilation for acceptable indoor air quality. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
  4. CEN, prEn13779: 1999: E. Ventilation for buildings performance requirements for ventilation and air-conditioning systems. CEN, European committee for standardization, Brussels.
  5. STN EN 13829: 2001: Tepelnětechnické vlastnosti budov. Stanovení vzduchové propustnosti budov. Metoda přetlaku pomocí ventilátoru, SÚTN.
  6. STN 73 0540-2: 2012: Tepelná ochrana budov. Tepelnětechnické vlastnosti stavebních konstrukcí a budov. Část 2: Funkční požadavky, SÚTN.
  7. STN EN 15242: 2007: Větrání budov. Výpočtové metody na stanovení průtoku vzduchu v budovách včetně infiltrace, SÚTN.
  8. SketchUp, Last Software z Boulder, Colorado, Bradom Schellom a Joem Eschom, 1999.
  9. EnergyPlus simulační program, US Department of Energy.
  10. Javorček, M.: Analýza výmeny vzduchu v triedach budov základných škôl. Bratislava: STU v Bratislavě, Stavební fakulta, 2016. Dizertační práce.