Modelování vlhkosti programem Contam 2.4

1. ÚVOD

Neustálé zvyšování cen energií nás nutí k tomu, abychom se zamysleli, kde, jak a kolik energie můžeme uspořit. Ve snaze o maximální úspory energie se v současnosti používají těsná okna a neprůvzdušné stavební konstrukce (např. sádrokarton). Utěsněná okna však mají nedostatečnou infiltraci a bez použití jiného systému větrání jsou z hygienického hlediska naprosto nevyhovující. Oproti minulosti se tedy silně snižuje přívod vzduchu do objektu, ale chování a aktivity obyvatel zůstávají stejné (vaření, koupání, sušení prádla v bytě, odpar z květin, používání plynových spotřebičů). Pokud není vyřešeno větrání interiéru, vzniká tak dokonalé prostředí pro nárůst vlhkosti, hromadění odérů a ostatních zdraví neprospívajících látek. Dostatečné větrání je samozřejmě důležité i pro samotnou stavbu. Následkem vysoké relativní vlhkosti může být povrchová kondenzace a vznik plísní na chladném povrchu obvodových stěn a následně degradace stavební konstrukce. V těsných objektech není možné spoléhat pouze na otevírání oken - znamenalo by to např., že v zimním období v noci by bylo nutné vstávat cca každou 1,5 hod. a dokonale provětrat celou místnost. Spotřeba energie na větrání budov je s ohledem na zajištění kvality vnitřního vzduchu a při postupném snižování potřeby energie na vytápění stále výraznější položkou v celkové energetické bilanci. Je nutné najít kompromis mezi dodržením hygienických požadavků na větrání při optimalizaci vynaložené energie. V žádném případě nesmí snižování potřeby energie ohrozit vnitřní klima. Je potřeba dosáhnout toho, aby energeticky úsporná budova byla současně i budovou zdravou.

2. VLHKOST VZDUCHU

Vlhkost vzduchu ve vnitřním prostředí je závislá na venkovní vlhkosti a zdrojích vodní páry v interiéru. Je nutno ji v obytném prostředí sledovat a upravovat - nejjednodušší cestou je výměna vzduchu větráním. Vlhkost vnitřního vzduchu může negativně ovlivnit zdraví uživatelů budov, jak přímo aktuální nízkou či vysokou relativní vlhkostí nebo nepřímo vytvořením podmínek pro bujení mikroorganismu a plísní. Doporučené hodnoty se pohybují v rozmezí 30 - 70 % relativní vlhkosti. V otopném období je často nízká relativní vlhkost pod 20 %, což může mít nepříznivé zdravotní následky. Při této vlhkosti se vytváří pro člověka značně nefyziologické prostředí, dochází k vysychání sliznic a ztrátě jejich obranyschopnosti. Je tak otevřena cesta ke snažšímu onemocnění horních a dolních cest dýchacích. Při nižší relativní vlhkosti se ale výrazně snižuje počet roztočů v textiliích a výskyt, následních alergií a astma. Škodlivinou se stává vysoká relativní vlhkost (dlouhodobě nad 60 %). Dojde-li na chladnějších plochách vnitřních konstrukcí ke kondenzaci vzdušné vlhkosti, dochází na vlhkém zdivu k růstu plísní. Ve srovnání s relativní vlhkostí 30 - 40 % se při této relativní vlhkosti až dvojnásobně množí počet přežívajících mikroorganismů (Staphylococus, Streptococus). Důsledkem je pak zvýšená nemocnost obyvatel, časté nevolnosti, alergie, záněty průdušek, aj. [5] Vodní zisky v obytných budovách tvoří produkce páry člověka, odpařování z teplých jídel a vodních hladin. Obýváním prostor a lidskou činností se do vzduchu podle odhadů dostává v průměru ve čtyřčlenné domácnosti 12,5 kg vodní páry denně [6].

3. MODELOVÁNÍ VLHKOSTI

Předmětem je modelování měrné vlhkosti v obytném prostředí vzhledem k množství větracího vzduchu. Pro modelování a simulaci byl použit nástroj CONTAM 2.4, který umožňuje multizónové modelování. Měrná vlhkost je modelována v kuchyni, koupelně a v ložnici, která je obsazena dvěma osobami. V ložnici jsou porovnány dvě odlišné varianty - varianta osob v klidu a varianta při práci (fyzické aktivitě). Porovnání větrání koupelny a kuchyně je podle českých a německých norem, větrání ložnice podle české normy a prováděcí vyhlášky k novému stavebnímu zákonu.

3.1. Okrajové podmínky výpočtu

Vnitřní teplota v ložnici je 20 °C, podlahová plocha je 12 m², objem místnosti je 30 m³. Produkce vlhkosti je 40 g.h^-1 na osobu při pobytu obyvatel v klidu, 200 g.h^-1 na osobu při lehké práci. Větrání místnosti je uvažováno 0,3 až 0,6 h^-1 dle ČSN 730540-2, dále 1 h^-1 dle vyhlášky 137/1998 Sb. ve znění vyhlášky 502/2006 Sb., tj. množství vzduchu 9 m³.h^-1, 18 m³.h^-1, 30 m³.h^-1.

Obsazení místnosti je uvažováno ve dvou variantách, podle aktivity obyvatel (obr. 1):

• varianta - obyvatelé v klidu v době od 22:00 do 8:00
• varianta - obyvatelé při úklidu či lehké práci od 22:00 do 23:00, v klidu od 23:00 do 8:00.

Obr. 1) Produkce vlhkosti v ložnici

V kuchyni je T_i = 20°C, podlahová plocha 8 m², objem místnosti 20 m³. V koupelně je T_i = 24°C, podlahová plocha 3,7 m², objem místnosti 9,25 m³. Množství přiváděného resp. odsávaného vzduchu je podle české normy ČSN 74 7110 - Bytová jádra a DIN 1946 - 6. Pro kuchyň je množství vzduchu 100 m³.h^-1 a 150 m³.h^-1 podle české normy a 200 m³.h^-1 podle německé, pro koupelnu pak 75 m³.h^-1 a 60 m³.h^-1. Vlhkost vzniká činností člověka a v malé míře také pobytem lidí. Produkce vlhkosti je pro koupání 2000 g.h^-1, vaření 1000 g.h^-1. Časové určení jednotlivých zdrojů vlhkosti (obr. 2):

• Kuchyň (vaření) 8:00 - 8:30, 11:30 - 13:00, 19:00 - 20:00
• Koupelna (sprchování) 7:00 - 7:40, 20:00 -20:20, 22:00 - 22:30

Obr. 2) Produkce vlhkosti v kuchyni a koupelně

Modelování měrné vlhkosti v interiéru je provedeno pro různá období během roku - zimní období, přechodné období a letní období. Jejich parametry a požadované parametry vzduchu jsou uvedeny v tab. 1. Jako kriteriální hodnota pro hodnocení vnitřního prostředí je množství měrné vlhkosti ve vzduchu:

• v koupelně je maximální relativní vlhkost 90 %, to odpovídá měrné vlhkosti 17,2 g.kg^-1
• v kuchyni je maximální relativní vlhkost 70 %, tj. měrná vlhkost v létě 12,5 g.kg^-1 a v zimě a přechodném období 10,4 g.kg^-1
• v ložnici je uvažována maximální relativní vlhkost 70 % a 80 %, což odpovídá měrné vlhkosti v létě 12,5 g.kg^-1, v zimě a přechodném období 10,4 g.kg^-1 a dále měrné vlhkosti v létě 14,3 g.kg^-1 a v zimě a přechodném období 11,9 g.kg^-1

Tab. 1) Teplota vzduchu, relativní a měrná vlhkost vzduchu v různých obdobích - průměrné hodnoty pro Českou republiku [7]

3.2. Popis modelu

Model kuchyně, koupelny i ložnice je vždy zadán jako jednozónový model, ve kterém je zadána teplota a objem zóny, dále zdroj škodliviny - vlhkosti a jejím časovým určením, kdy je produkována a jaké množství.

a)

b)

Obr. 3) a) schematické znázornění zóny, b) zadání doby obsazení ložnice

V kuchyni je zadán zdroj vlhkosti vaření a v koupelně sprchování. V ložnici ve variantě č. 1 je zadán zdroj vlhkosti o produkci 40 g.h^-1 a ve variantě č. 2, kde je produkce proměnlivá v čase, jsou zadány dva zdroje vlhkosti. V prvním se uvažuje stálá produkce 40 g.h^-1 a k tomu navíc druhý zdroj vlhkosti v době vyšší produkce 160 g.h^-1. Oba zdroje vlhkosti jsou zadány s počtem dva - v ložnici jsou vždy dvě osoby.

Obr. 4) Grafické znázornění obsazenosti ložnice ve variantě č. 1 programem CONTAM 2.4

a)

b)

Obr. 5 Definice a) škodliviny - vlhkosti, b) větrání - odtah vzduchu, jeho objemový průtok

Dále je zadáno větrání pomocí přívodů a odvodů vzduchu a objemovém proudu vzduchu. U ložnice, kde se porovnává různá intenzita výměny vzduchu, je vypočteno množství vzduchu odpovídající této výměně a zadáno do programu jako přívod a odvod. Simulace je uvažována u ložnice jako steady - cyclic a pro koupelnu a kuchyň, kde je potřeba jemnější časový krok pro výpočet, jako steady - transient.

3.3. Výsledné průběhy měrné vlhkosti v ložnici

a)

b)

Obr. 6) Měrná vlhkost v letním období a) ve variantě č. 1, b) ve variantě č. 2

a)

b)

Obr. 7) Měrná vlhkost v přechodném období a) ve variantě č. 1, b) ve variantě č. 2

a)

b)

Obr. 8) Měrná vlhkost v zimním období a) ve variantě č. 1, b) ve variantě č. 2

Legenda k obrázkům

3.4. Výsledné průběhy měrné vlhkosti v kuchyni a koupelně

a)

b)

Obr. 9) Hodnoty měrné vlhkosti v letním období a) v kuchyni, b) v koupelně

a)

b)

Obr. 10) Hodnoty měrné vlhkosti v přechodném období a) v kuchyni, b) v koupelně

a)

b)

Obr. 11) Hodnoty měrné vlhkosti v zimním období a) v kuchyni, b) v koupelně

Legenda k obrázkům

Pozn. k grafům:

• Program CONTAM 2.4. vypočítal a vykreslil průběhy měrné vlhkosti v čase, ale bohužel neuvažuje, že při zadané teplotě a jisté měrné vlhkosti dojde k plnému nasycení vzduchu vodními parami a měrná vlhkost tak už více nemůže růst. Tudíž jsou na grafech koupelny znázorněny měrné vlhkosti i nad hranicí 100% relativní vlhkosti.
• Dále program neuvažuje kondenzaci vodních par a jejich následné odpaření do interiéru.

4. SHRNUTÍ A ZÁVĚR

Výsledné hodnoty a průběhy měrné vlhkosti v ložnici během dne jsou patrné z obr. 6 až 8. Čím je intenzita výměny vzduchu vyšší, tím rychleji se množství měrné vlhkosti ustálí na určité hodnotě. Ve všech obdobích se u obou variant v době, kdy není vlhkost produkována, měrná vlhkost pohybuje na hodnotě venkovního vzduchu. Naopak při produkci vlhkosti, měrná vlhkost ve vzduchu rychle stoupá.

Množství měrné vlhkosti ve vzduchu přesně odpovídá obsazení ložnice osobami. Ve všech obdobích (letním, přechodném a zimním) u obou variant se při pobytu osob měrná vlhkost pohybuje okolo optimální hodnoty při intenzitě výměny vzduchu mezi 0,6 - 1,0 h^-1. Ani při nejmenší intenzitě výměny vzduchu není nikdy u varianty č. 1. (s nižší produkcí vlhkosti) dosaženo 80% měrné vlhkosti, ale dosáhne vždy nad 70 %. Oproti tomu, ve variantě č. 2. (s vyšší produkcí vlhkosti) je v přechodném období při intenzitě výměny vzduchu 0,3 - 0,6 h^-1 vlhkost taková, že je překročena relativní vlhkost 80 %, při 0,3 h^-1 výměně vzduchu vlhkost ve všech obdobích vzroste nad 80 %. Při intenzitě výměny vzduchu 1,0 h^-1 nestoupne relativní vlhkost nad 70 % v žádném období ani v první ani v druhé variantě.

V koupelně (obr. 9b, 10b a 11b) v našem případě dochází k překročení 90% vlhkosti při větrání podle obou norem.

V kuchyni (obr. 9a, 10a a 11a) dochází v našem případě k překročení 70% vlhkosti při větrání dle nižší hodnoty ČSN 74 7110, tj. při množství 100 m³.h^-1 větracího vzduchu. Větrání podle DIN 1946-6 je postačující.

Literatura

[1] ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky. 2002.
[2] ČSN 74 7110 Bytová jádra. 1988.
[3] DIN 1946-6 Větrání bytů - požadavky, provedení, kolaudace
[4] DOLEŽÍLKOVÁ, H. Rezidenční mikroprostředí. Disertační práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební. Praha, červenec 2007.
[5] LAJČÍKOVÁ, A. Jak kvalita vnitřního prostředí ovlivňuje zdraví a výkonnost. Vytápění, větrání, instalace, číslo 2, 2003. 68-69 s. ISSN 1210-1389.
[6] MAŠATOVÁ, J. Význam dostatečného větrání budov. [online]. Informační portál TZB-info. 21.11.2005. Dostupný z WWW (http://www.tzb-info.cz)
[7] MORÁVEK, P. Nový systém řízeného větrání obytných budov a jeho výpočtový model. Seminář Společnosti pro techniku prostředí: Výměna vzduchu v interiéru budov v našich a mezinárodních předpisech. Praha, 2003. 30-43s.
[8] Oficiální www stránky Ústavu biomedicínckého inženýrství [online]. Ústav biomedicínckého inženýrství. Praha: 2003. Dostupný z WWW: (http://www.ubmi.cvut.cz/)
[9] Ventilation, Good Indoor Air Quality and Rational Use of Energy. European Communities. Luxemburg 2003. 92s. ISBN 92-894-5664-7.
[10] VILČEKOVÁ S., BURDOVÁ E.: Indoor environmental quality in assessment system of buildings. Indoor Air 2008, The 11th International Conference on Indoor Air Quality and Climate, 17-22 August 2008, Copenhagen, Denmark, p. 8, ISBN 9788778772701.
[11] Vyhláška č. 137/1998 sb. Ministerstva pro místní rozvoj o obecných technických požadavcích na výstavbu