Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Fyzická aktivita a kvalita vnitřního prostředí

Datum: 14.1.2019  |  Autor: Bc. Tomáš Kops  |  Recenzent: Ing. Olga Rubinová, Ph.D.

Práce se zabývá měřením produkce oxidu uhličitého osob v interiéru. V dané problematice jsem analyzoval, jaký vliv má fyzická aktivita člověka na produkci CO2 a jaké množství vzduchu je potřebné pro udržení koncentrace oxidu uhličitého na požadované úrovni.


© Fotolia.com

Málokdo si uvědomuje, jak člověk ovlivňuje kvalitu vnitřního prostředí. Cílem článku je ukázat, že fyzická aktivita sice prospívá tělu a zdraví, ale neblaze ovlivňuje vnitřní prostředí. Je zde zhodnoceno provedené měření produkce oxidu uhličitého několika osob v klidu a s fyzickou aktivitou a navrhnutý systém na udržení jeho nízké hladiny ve vnitřním prostředí při proměnlivé obsazenosti lidmi.

Úvod

Cílem článku je čtenáři ukázat, jak je důležité nepodceňovat člověka jako faktor kvality vzduchu při navrhování vnitřního mikroklimatu, a tím i distribuci přiváděného a odváděného vzduchu. Jak vyplývá z Petternkoferovy podmínky pro stanovení množství přiváděného vzduchu, s rostoucí produkcí oxidu uhličitého v místnosti roste i množství nuceného přiváděného vzduchu pro osobu, tak aby byla dosažena stanovená hladina CO2 v místnosti. Součástí článku je i poukázat na systémy řízení vzduchotechnických jednotek podle koncentrace CO2 v objektu.

Kvalita vnitřního vzduchu

Kvalita vzduchu zahrnuje netermické kvality vzduchu, které mají vliv na zdraví a pohodlí člověka. Aby nedocházelo k nárůstu nežádoucích látek nad hygienické podmínky v daném prostoru, jsou prostory vybaveny větracími systémy. Nežádoucí látky mohou být různé povahy, složení látek závisí na způsobu využívání budovy.

Jedny z nejdůležitějších látek, které se mohou vyskytovat a ovlivňovat budovy, jsou oxid uhličitý, oxidy dusíku, oxid uhelnatý, prachové částice, radon a mikroby. Aby byla zjištěna kvalita vzduchu v budově, není nutno měřit koncentraci všech látek, zde budeme považovat za výchozí ukazatel množství oxidu uhličitého.

Pokud dojde k překročení maximální koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním prostoru dané budovy, dochází k negativnímu dopadu na obyvatele, zejména na jejich fyziologii. Projevuje se takzvaný Sickbuilding syndrom (SBS), jenž spočívá ve zhoršení reakcí centrální nervové soustavy, soustředění a reakce.

Zdroje CO2

Oxid uhličitý patří mezi nejvýznamnější plyny na Zemi. V průmyslovém použití se může vyskytovat jako vstupní nebo odpadní produkt. Mezi přirozené zdroje oxidu uhličitého patří živé organismy. K jeho produkci dochází při dýchání. Je to vlastně chemický děj, při kterém se za přítomnosti kyslíku rozkládá glukóza a vzniká energie, voda a odpadní produkt oxid uhličitý.

Množství CO2

Kvůli tomu, že složky vzduchu nemají při daném tlaku a teplotě stejnou hustotu, rozlišujeme hmotnostní a objemovou koncentraci plynných složek. Jednou z nich je i oxid uhličitý. Přestože je těžší než objemová jednotka vzduchu při normálních teplotách, tlacích a koncentracích složek vzduchu, přibližně se jedná o homogenní směs.

Tab. Složení vzduchu v blízkosti zemského povrchu
PlynObjemová koncentrace
Dusík78,084 %
Kyslík20,946 %
Argon0,934 %
Oxid uhličitý0,04 %
Ostatní složky< 1 %
Vliv CO2 na lidi

I přes to, že je oxid uhličitý bez zápachu a nelze ho spatřit, jeho zvýšená koncentrace je zřejmá. Při jeho vysoké úrovni dochází k únavě a poklesu koncentrace, a to především v prostorách se zvýšenou koncentrací lidí jako jsou školy, divadla a kina.

Pro lidské zdraví nepředstavuje vážné nebezpečí koncentrace CO2 do 5000 ppm, ovšem dochází k únavě, ospalosti a k pocitu vydýchaného vzduchu. Doporučená koncentrace CO2 ve vzduchu by měla být udržována na nebo spíše pod hodnotou 1000 ppm. [1]

Příklady koncentrace CO2:

cca 350 ppmúroveň venkovního prostředí
do 1000 ppmdoporučená úroveň CO2 ve vnitřních prostorách
1200–1500 ppmdoporučená maximální úroveň CO2 ve vnitřních prostorách
1000–2000 ppmnastávají příznaky únavy a snižování koncentrace
2000–5000 ppmnastávají možné bolesti hlavy
5000 ppmmaximální bezpečná koncentrace bez zdravotních rizik
35 000–50 000 ppmvydechovaný vzduch dospělého člověka

Měření CO2

Obrázek 1: Spirometr SPR – BTA
Obrázek 1: Spirometr SPR – BTA
Obrázek 2: Čidlo CO₂
Obrázek 2: Čidlo CO2

Měření bylo prováděno za účelem zjištění množství vdechovaného a vydechovaného vzduchu a množství vyprodukovaného oxidu uhličitého za různých fyzických zatížení. Měření bylo prováděno na osobách rozdílného věku, s různými zdravotními stavy a fyzickou kondicí.

Osoby byly měřeny během klidové fáze a další dvě měření byla prováděna za fyzické námahy, která byla zajištěna pomocí rotopedu. Aby byla zajištěna podobnost mezi měřeními u všech osob, byla fyzická aktivita podmíněna rychlostí tepové frekvence, která se zvyšovala o 20 tepů za minutu. Množství vzduchu bylo měřeno Spirometr SPR – BTA a množství oxidu uhličitého pomocí čidla CO2-BTA a uzavřené nádoby.

Postup měření

Před samotným měřením se zjistila tepová frekvence určující počáteční – klidový stav. Po té se dané osobě zajistil nos kolíčkem, aby nedocházelo k odchylce způsobené ztrátou vzduchu nosní dutinou. Poté si osoba vzala náustek spojený s pneumotachogramem (spirometr) připojeným k počítači, který za pomoci programu Logger Pro vykresluje křivky zaznamenaných hodnot. Nejprve se na začátku klidově dýchá. Poté následuje sekvence, kdy se zjišťují vitální kapacity plic. Jedná se o přechod z maximálního nádechu do maximálního výdechu.

Po naměření hodnot pomocí spirometru se připojí k počítači čidlo CO2-BTA. Jím se nejprve zaznamenalo množství oxidu uhličitého v místnosti, kde probíhá měření. Čidlo je poté umístěno do uzavřené nádoby a po ustálení hodnoty do ní měřená osoba klidně vydechuje. Toto měření už probíhá bez kolíčku, aby nebyl vdechován vzduch o větší koncentraci CO2. Po určité době (cca 5 min), co se oxid uhličitý ustálí, je jeho nejvyšší naměřená hodnota zapsána.

Tato měření jsou prováděna i za fyzické aktivity zajištěné rotopedem, jen se už nejedná o klidové dýchání, ale o přirozené dýchání každé osoby.

Výstupy měření

Za určující faktor pro měření byla tepová frekvence. Při měření byly zaznamenány hodnoty jako Δt – doba mezi dvěma nádechy (od jednoho maxima k sousednímu maximu), dechový objem, který se zjišťuje od minima nádechu po jeho maximum. Vitální kapacitu (VC) zjistíme změřením od absolutního minima k absolutnímu maximu křivky při maximálním nádechu a výdechu. Hodnotu dechové frekvence, což je kolikrát za minutu se nadechneme, zjistíme výpočtem: f = 60/Δt. Průtok vzduchu značí, kolik litrů vzduchu spotřebujeme za 1 hodinu (zjištěno výpočtem: dechový objem × dechová frekvence × 60 min).

CO2 nádech ukazuje množství oxidu uhličitého v měřené místnosti.
CO2 výdech je maximální hodnota oxidu uhličitého nadýchaná do uzavřené nádoby.
Produkce CO2 udává, kolik litrů oxidu uhličitého jedinec vyprodukuje za 1 hodinu.



Vybrané jsou výstupy z vysoké aktivity.

Graf zaznamenaných hodnot dechového objemu v čase
Graf zaznamenaných hodnot dechového objemu v čase
Graf nárůstu oxidu uhličitého
Graf nárůstu oxidu uhličitého

Pro jednotlivé typy fyzické aktivity byly tyto hodnoty vloženy do jednotlivých grafů. Grafy byly sestaveny pro zjištění jednotlivých závislostí mezi hodnotami.

Graf závislosti tepu na produkci oxidu uhličitého
Graf závislosti tepu na produkci oxidu uhličitého

Zde je možno dobře vidět jednotlivé shluky bodů pro různé aktivity. V klidovém stavu je vidět, že rozdíl mezi jednotlivými měřenými osobami není tak znatelný jako u mírné aktivity, kde je již vidět větší rozptyl. Ovšem opravdu znatelný rozptyl je vidět u vysoké aktivity. Je zde vidět, že i když máme poměrně shodnou produkci CO2 v klidovém stavu, při větší aktivitě jsou produkce díky našim fyzickým a zdravotním rozdílům znatelnější.

 
Graf závislosti vydechovaného CO₂ na průtoku
Graf závislosti vydechovaného CO2 na průtoku

Na tomto grafu už nejsou patrné shluky bodů pro jednotlivé aktivity. Je zde vidět, jak při stoupajícím průtoku (množství vzduchu vydechovaného za hodinu) rovnoměrně stoupá množství vydechovaného CO2. Je zde vidět i znatelné vychýlení při nízkém průtoku extrémního množství vydechovaného oxidu uhličitého.

 

Aplikace výsledků

Na stanovení potřebné dávky čerstvého vzduchu pro osoby, je použita Max von Pettenkoferova podmínka. S přihlédnutím na vyšší koncentraci oxidu uhličitého ve venkovním prostředí v dnešní době, než v době vzniku této podmínky (tj. v roce 1877), je změněna maximální koncentraci CO2 v interiéru z 0,1 % objemu (1000 ppm) na 0,13 % objemu (1300 ppm) a venkovní hodnotu z 350 ppm na 500 ppm.

Dávka vzduchu pro klidový stav

vzorec 1
 

kde je

mCO2
průměrná hodnota produkce CO2 v klidovém stavu
ki,max
maximální koncentrace CO2 v interiéru
ke
koncentrace CO2 ve venkovním vzduchu
 

Dávka vzduchu pro střední aktivitu

vzorec 2
 

Dávka vzduchu pro vyšší aktivitu

vzorec 3
 

Větrání podle koncentrace oxidu uhličitého

Obrázek 3: KNX datové body [2]
Obrázek 3: KNX datové body [2]

Rozvod vzduchotechnického potrubí pro každou zónu je rozdělen do jednotlivých větví, jež zajišťují přívod a odvod vzduchu pro jednotlivé její části. Tyto větvě byly zřízeny z důvodu nerovnoměrného rozložení a počtu osob v dané zóně s ohledem na množství vyprodukovaného oxidu uhličitého. Jednotlivé větve jsou opatřeny regulátorem průtoku vzduchu, které jsou opatřeny servopohonem, jenž ovládá regulační klapku, a tím i přívodní a odvodní vzduch.

Ovládací panel slouží pro snímání aktuální polohy listů na jednotlivých regulátorech průtoku vzduchu, řízení změny množství vzduchu a nastavení minimálních otáček u přívodního a odvodního ventilátoru. Ovladač slouží pro nastavení systému a pro snímání parametrů na regulátorech.

Nástěnné čidlo zajišťuje změnu množství vzduchu v jednotlivých místnostech. Změna průtoku je provedena na základě sledované veličiny, jako je teplota, CO2 nebo vlhkost.

Závěr

V provedeném měření produkce CO2 v různých fyzických aktivitách jednotlivých osob jsem pomocí měření se Spirometrem SPR – BTA, čidla CO2 při zvolených vnitřních hodnotách vypočítal množství vzduchu při klidové činnosti 26 m3/h. Tato hodnota se blíží hodnotě přiváděného množství vzduchu, jež podle nařízení vlády č. 361/2007 pro osobu vykonávající práci v sedě s mírnou aktivitou činí 25 m3/h.

Potřebné množství přiváděného vzduchu není tak závislé na počtu osob v místnosti, jako na jejich fyzické aktivitě. I čtvrtinová kapacita osob v místnosti provozující vyšší fyzickou aktivitu dokáže dosáhnout stejné potřebné hodnoty přiváděného vzduchu, jako plná kapacita osob v místnosti s nízkou aktivitou.

Literatura

  1. Protronix s.r.o.vetrani.tzb-info.cz [cit. 2018-11-15]. Dostupné z:
    https://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/5827-pracujete-ve-zdravem-prostredi
  2. Copyright © Smay, Nawiewinki vír NS9 – SMAY – zařízení a ventilační systémy, [cit. 2018-11-15]. Dostupné z: https://www.smay.pl/pl/product/nawiewinki-wirowe-ns9/
 
Komentář recenzenta
Ing. Olga Rubinová, Ph.D.
Chceme-li v budovách udržovat kvalitu vzduchu, která bývá reprezentována koncentrací oxidu uhličitého, je nutnou podmínkou znát produkci tohoto plynu člověkem za různých okolností. Výchozí hodnota za mírné aktivity je s určitou přesností známa, a jak se mění s fyzickou aktivitou, je možné zjistit spirometrickým měřením. Článek popisuje, jak měření dechové činnosti probíhá a uvádí zajímavé výsledky závislosti produkce oxidu uhličitého na dechové a tepové frekvenci. Tyto závislosti umožňují názorně dokumentovat, jak je nutné upravit dávky vzduchu pro větrání s ohledem na činnost, kterou člověk v daném prostoru vykonává. Článek také poukazuje na technické možnosti, jak řízení kvality vzduchu v prostoru obsluhovaném vzduchotechnikou realizovat.
Článek doporučuji k publikování.
English Synopsis
Physical activity and inner environment´s quality

If we want to maintain air quality in buildings, which is represented by carbon dioxide concentration, it is necessary to know the production of this gas by humans in different conditions. The baseline for mild activity is known, and as it varies with physical activity, it can be determined by spirometric measurements. The article describes how to measure breathing activity and shows interesting results of carbon dioxide production on respiratory and heart rate. These dependencies make it possible to illustrate the need to adjust the air vents for ventilation with respect to the activity that man performs in the space. The article also highlights the technical possibilities to implement the air quality control in the space served by the air-conditioning system.
I recommend this article for publishing.

 

Hodnotit:  

Datum: 14.1.2019
Autor: Bc. Tomáš Kops   všechny články autora
Recenzent: Ing. Olga Rubinová, Ph.D.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona TwitterTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Témata 2019

Partneři - Vnitřní prostředí

technická podpora výrobců

Partneři - Větrání a klimatizace