Mikroklima pasivních domů

1. Úvod

Složky vzduchového prostředí budov záměrně vytvářeného pro pobyt člověka v uzavřených prostorách lze podle [1] obecně charakterizovat jako interní mikroklima:

• tepelně-vlhkostní
• mikrobiální
• ionizační
• aerosolové
• odérové
• toxické

Společným znakem všech výše uvedených složek vnitřního prostředí je vzduchové pole jejich existence a vzájemného ovlivnění. Příspěvek se tedy nezabývá speciálními problémy hluku, aerointového režimu, statické elektřiny a elektromagnetických polí.

Pasivní domy jsou dnes zcela specifickou kategorií staveb, z pohledu tradičních staveb až extrémní. Je tedy nezbytné věnovat mikroklimatu těchto staveb podstatně vyšší pozornost než stavbám běžné produkce.

2. Rozbor a obecná charakteristika základních složek mikroklimatu pasivních domů

2.1 Tepelně-vlhkostní mikroklima

Patří k nejdůležitějším složkám pro zajištění vnitřního prostředí z hlediska zdraví a spokojenosti lidí, ale i ve vztahu k životnosti stavebních materiálů, budov, výrobních technologií, atp.

Teplota a vlhkost vzduchu se v budovách úzce vzájemně ovlivňují a podmiňují. Základními veličinami určujícími kvalitu tepelně-vlhkostního mikroklimatu v budovách jsou:

t_a

– teplota vzduchu (ve °C), měřená rtuťovým teploměrem (prakticky nezohledňuje tepelné sálání okolních ploch)

t_g

– výsledná teplota (ve °C), měřená kulovým teploměrem uprostřed místnosti, s registrací tepelného sálání ploch okolních stěn a oken. Je základní veličinou mikroklimatu.

t₀

– operativní teplota (vypočtená hodnota z parametrů t_r; t_g; w_a). Pro w_a < 0,2 ms^-1 lze nahradit pouze hodnotou t_g

w_a

– rychlost proudění vzduchu (v ms^-1)

rh_i

– relativní vlhkost vzduchu v interiéru (uvádí se v procentech a udává stupeň nasycení vzduchu vodní parou)

x

– měrná vlhkost vzduchu, vyjadřuje obsah vodních par suchého vzduchu (g/kg s.v.)

t_r

– teplota rosného bodu (ve °C) udává, kdy na povrchu konstrukce začíná kondenzovat vodní pára. Závisí na t_a, rh_i, t_s.

Zajištěním optimální teploty v místnostech se dosahuje tepelné rovnováhy při odvodu tepla z organismu člověka do okolního prostředí (s korekcí na dané roční období), při konkrétním vývinu metabolického tepla.

V obytných stavbách se doporučuje dodržet hodnoty dle tab. 1:

Pro dosažení pocitu tepelného komfortu platí obecně součtová rovnice:

t₀ + t_s = 38 až 40 °C

kde t_s značí průměrnou teplotu stěn v místnosti.

Pro pasivní domy s dokonalými obvodovými izolacemi je teplota povrchů stěn prakticky shodná s teplotou vzduchu (s rozdílem max. 0,5 K). Při nízkém rozsahu kvalitního zasklení pak není nutné ani zbytečně zvyšovat teplotu vzduchu nad 20 °C, pro jinak nutnou eliminaci negativního sálání u běžných budov.

Zatímco se zajištěním optimálních teplot v budovách obecně nebývají obtíže díky současným kvalitním regulacím pružných otopných soustav a zateplení obvodových stěn budov, často však 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 mohou vést až ke vzniku plísní (např. rodu Alternaria Aspergillus), s nebezpečnými zárodky patogenních spor. Důsledkem pak je zvýšená nemocnost obyvatel, časté nevolnosti, alergie, záněty průdušek, dýchací potíže, bolesti kloubů a nervové potíže. Současně se při vyšších relativních vlhkostech vzduchu nad 60 % zvyšuje až na dvojnásobek procento přežívajících mikroorganismů (např. Staphylococus, Streptococus) vůči výskytu mikroorganismů při rh_i = 30 až 40 %. Při poklesu relativní vlhkosti se naopak snižuje výhodně počet roztočů v textiliích a výskyt následných alergií – astma.

Hlavní zdroje vlhkostí v budovách jsou uvedeny v tab. 2:

Pro průměrný byt tak dosáhne celková produkce vodní páry 10 až 15 kg/den, kdy nárazová množství vlhkosti jsou pohlcena sorbcí omítek, a postupně odvětrána s větším, či menším efektem vzduchotechnickým systémem, případně větráním okny.

V dokonale tepelně izolovaných pasivních domech tvoří podstatnou vnitřní zátěž teplo produkované osobami. Rozlišujeme tzv. bazální metabolické teplo, které se s věkem osob snižuje a lze uvažovat s hodnotou 45 W/m² povrchu těla, což při 1,9 m² povrchu těla činí asi 80 W/osobu.

Další složkou je tzv. metabolické teplo netto, závislé na fyzické aktivitě. Ve spánku je nulová hodnota, při odpočinku asi 35 W/os, u domácích prací však při energetickém výdeji člověka 70–150 W/m² dosahuje až 130–280 W/osobu.

2.2 Mikrobiální mikroklima

Je vytvářeno mikroorganismy bakterií, virů, plísní a spor, pylů, které se vyskytují v interiéru budov, s přímými účinky na člověka. Vážným problémem se dnes stávají alergické syndromy způsobené sporami různých druhů, plísněmi a pylovými částicemi. Hlavními nositeli mikroorganismů jsou kapalné aerosoly a pevné aerosoly (prachy). Zvlášť nebezpečné jsou pak bakterie tyčinkové – legionelly, vázané na kapalné aerosoly, způsobující až smrtelná zánětová onemocnění plic. Ve všech typech filtrů se zachycují především prachové částice, ale i všechny druhy mikroorganismů, které se při silném zašpinění, případně i vlhnutí filtrů intenzivně rozmnožují a pronikají zpětně do větracího vzduchu. Je proto velmi důležitá pravidelná kontrola a výměna filtrů v závislosti na druhu prostředí. Obdobně je nutné zabránit zvlhnutí usazeného prachu v uzavřených a těžko přístupných vzduchovodech (pomocí zpětných klapek, garantovaného přetlaku atd.) neboť zde hrozí výskyt virů i plísní s neomezenou životností. Kvalita mikrobiálního mikroklimatu se hodnotí podle únosné koncentrace mikrobů – pro obytná prostředí činí max. 200 až 500 mikrobů/m³, ve venkovním prostředí měst jsou koncentrace až 1500 mikrobů/m³. Dosud nejúčinnějším způsobem, jak snížit mikrobiální koncentrace v budovách je dokonalé větrání, s přívodem kvalitního venkovního vzduchu, dále lze výhodně použít i deodorací vzduchu proti hmyzu jako přenašeči mikrobů rozprašováním slabého roztoku oleje z himálajského cedru. Použití chemické a fyzikální sterilizace vzduchu (trietylenglykolem, těkavými rostlinnými fytoncidy, germicidními výbojkami, ionizací) je již speciálním úkolem instalovaných vzduchotechnických zařízení.

2.3 Ionizační mikroklima

Je charakterizováno toky ionizujícího záření z přírodních radionuklidů, případně umělých zdrojů. V běžných podmínkách bytových a občanských staveb se jedná převážně o zdroje ionizujícího záření ze stavebních hmot, např. radioaktivních popílků s obsahem radia (Gama záření udávané v jednotkách mikrosievert/hod) a emanaci radioaktivních plynů z podloží, případně ze stavebních hmot do interiérů budov. Hlavním představitelem je: radon 222 Rn, a následně rozpadem radiové nebo thoronové řady vzniklé dceřinné produkty 218 Po (RaA), 214 Pb (RaB), 214 Bi (RaC), 214 Po (RaC) a 220 (Rn). Samotný radon je inertní plyn, ale závažné jsou jeho dceřinné produkty vdechované spolu s nosnými pevnými či kapalnými aerosoly do plic, kde se usazují a zářením alfa ozařují plicní epitel, čímž vytváří potenciální riziko pro vznik plicního karcinomu. Jednotkou pro objemovou aktivitu radioaktivních látek je 1 Bq/m³, což udává jeden průměrný rozpad za sekundu v 1 m³ látky, obdobně se udává měrná aktivita pro 1 kg látky. Jako přípustné se u nás uvádějí hodnoty EOAR (ekvivalentní objemové aktivity radonu) v interiéru:
– pro stávající budovy: 200 Bq/m³ vzduchu
– pro nové budovy: 100 Bq/m³ vzduchu
Obecně se udává i hodnota podle USA normy ASHRAE 1981 tj. 74 Bq/m³. Ve venkovním ovzduší je hodnota EOAR 7 až 12 Bq/m³.

Jako ochrana nových i modernizovaných staveb před účinky radonu se používá plynotěsná fólie pod základovou deskou, s dimenzí dle oblasti radonového rizika a použití certifikovaných stavebních hmot.

2.4 Aerosolové mikroklima

Aerosoly se v ovzduší vyskytují ve formě buď pevných částic (prachů), nebo kapalných částic (mlhy). Pevné aerosoly jsou původu organického, anorganického, popř. smíšeného, s elektrickým nábojem kladným či záporným, s velikostí 0,1 až 100 mikrometrů, která zároveň limituje rychlost jejich gravitačního usazování v ovzduší v rozsahu 30 dnů až 4 sec. Velikost částic menší než 10 mikrometrů je hranicí jejich respirability. Ve venkovním ovzduší velkoměst se spad prachu pohybuje v hodnotách až 1100 t/km²/rok, při běžné koncentraci 1 až 3 mg/m³. V čistém horském prostředí se vyskytují koncentrace od 0,05 do 0,5 mg/m³. Domovní prach, zvláště biologické částice pod 1 mikrometr jsou hlavní příčinou postižení astmatem. Jako přípustná hodnota v běžných budovách se uvádí koncentrace inertních pevných aerosolů 10 mg/m³.

2.5 Odérové mikroklima

Obecně jsou odéry plynné složky ovzduší, vnímané jako vůně, nebo zápachy, produkované člověkem nebo jeho činností. Mimo běžné odéry (kouření, příprava jídel) se v interiéru dnes vyskytují i styreny, formaldehydy, odpary z nátěrů, dříve neznámé. Z venkovního ovzduší do budov infiltruje řada dalších odérů, ve vnitřním prostředí pak vzniká při pobytu lidí hlavně CO₂ a tělesné pachy – antropotoxiny, které jsou obecně indikátorem kvality vnitřního vzduchu. Jako kriteriální a exaktně měřitelná hodnota se všeobecně udává koncentrace 0,10 % CO₂, pro odstranění pocitu vydýchaného vzduchu z produkce tělesných odérů pak 0,07 % CO₂, přičemž i podle standardu ASHRAE se připouští 20 % nespokojených respondentů s kvalitou interního ovzduší (1000 ppm = 0,1 % = 1,8 mg/m³). Zásadním způsobem lze kvalitu odérového mikroklimatu v budovách ovlivnit pouze dostatečným přívodem čerstvého vzduchu, kdy jako základní a ve světě uznávaná hodnota intenzity větrání se udává 25 m³/hod. čerstvého venkovního vzduchu na jednu osobu pro odvedení běžných tělesných odérů.

Produkce CO₂ je zásadně závislá na fyzické aktivitě osob, v klidu (při produkci 40 Wm^-2) činí 16 l CO₂/h/os, při běžné činnosti až 20 l CO₂/h/os. Vychází se z frekvence 12–16 vdechů/min při kapacitě 500 ml/vdech, tj. 360–480 l vzduchu/h/os. Při obsahu CO₂ ve vydechovaném vzduchu 3,5 % je produkce: p₁ = 480 × 0,035 = 16 l CO₂/h/os.

V grafu č. 1 je uveden průběh hladin CO₂ v průběhu dne v pasivním rodinném domě s obytným prostorem 350 m³, obývaném čtyřčlennou rodinou. Cirkulační teplovzdušné vytápění je doplněno nárazovým mechanickým větráním s rekuperací, automaticky spínaným při používání sociálních zařízení, vaření a cyklicky v noci. Při započítatelné produkci vlhkosti 7,8 kg/24 hod do interiéru přitom neklesá celoročně relativní vlhkost v interiéru pod hodnotu rh_i = 35 %. Pro dodržení limitních koncentrací CO₂ v hodnotě 1200 ppm postačuje souhrnná (bilanční) výměna vzduchu pouze n = 0,18 h^-1!

Kvalitu vnímaného vzduchu však mohou negativně ovlivnit i další škodliviny, produkované vybavením interiérů budov, které jsou označovány jako těkavé organické látky (TVOC). Jedná se hlavně o karcinogenní formaldehyd, organická rozpouštědla, izokyanáty, acrolein, benzeny, ftaláty a z tělesných pachů, např. aceton a izoprén.

Je proto velmi žádoucí zcela eliminovat již při výběru vybavení interiéru případné zdroje těchto škodlivin, např. z koberců, apretury čalounění nábytku, atd. (v zahraničí již existuje kategorizace těchto výrobků dle intenzity produkce odérů do ovzduší interiéru). Jako limitní hodnota koncentrací TVOC v bytech se udává podle EUR 14449 EN 360 mikrogramů/m³ (580 mikrogramů/m³ pro adaptované osoby). Některé okrasné, trvale rostoucí, pokojové rostliny mohou významně snížit hladinu odérů v interiérech od acetonu, benzenu, formaldehydu, atd. Jedná se především o filodendron, azalku, lilie, diefenbachie, atd.

2.6 Toxické mikroklima

Je vytvářeno podle toxickými plyny s patologickým účinky. Charakteristickými jsou zejména oxidy síry SO_x, oxidy dusíku NO_x, oxid uhelnatý CO, ozón O₃, smog, formaldehyd atd.

V interiéru budov je zdravotně nejzávažnějším plynem CO vznikající hlavně nedokonalým spalováním fosilních paliv při nevyhovujícím přívodu vzduchu, nebo špatném odtahu, únikem svítiplynu a kouřením. Při dlouhodobé expozici může dojít až k chronické otravě s poruchami paměti a psychiky.

Obdobně vzniká ve špatně nebo cirkulačně větraných kuchyních s plynovými sporáky koncentrace oxidu dusíku NO₂ až 60 mikrogramů/m³, zatímco v jiných místnostech max. 30 mikrogramů/m³. Oxid dusičitý má přitom prokazatelně karcinogenní účinky. Z tohoto důvodu nelze pro pasivní domy doporučit instalaci plynových spotřebičů s otevřeným spalováním.

Formaldehyd způsobuje ve vyšších koncentracích dráždění očí a sliznic, současně je i alergenem a potenciálním karcinogenem. Zarážející je skutečnost, že ještě po 15 letech převyšují koncentrace formaldehydu v objektech typu OKAL několikanásobně přípustné dlouhodobé limitní hodnoty NPK–P, podle doporučení WHO, tj. 60 mikrogramů/m³.

Ekonomicky i technicky nejpřijatelnějším řešením pro odstranění toxických plynů zůstává stále větrání, případně obtížná filtrace aktivním uhlím, nebo ionizace vzduchu.

3. Legislativa vnitřního prostředí

Je důležité si uvědomit, že v celém světě jsou normy týkající se vnitřního prostředí nezávazné [2]. Týká se to i dříve citovaných norem ASHRAE, DIN, atd. Striktní nařízení a limity, pokud nejsou zákonnými normami, jsou považovány za porušení demokratických práv osobnosti.

Je však pravdou, že dodržování těchto „nezávazných“ předpisů ze strany projektantů silně omezuje případné hrubé chyby při projektování systému pro zajištění vnitřního mikroklimatu budov.

Podle evropské direktivy [3], která bude základem pro směrnice o vnitřním prostředí v zemích EU se za hlavní zdravotní rizika obecně považují (dle závažnosti):

• nadměrná vlhkost
• toxické plyny
• pevné částice a vlákna
• radiace

Přestože pro obytné prostředí neexistuje exaktní zákonné přípustné limity toxických látek, doporučují se hodnoty NPK (nejvyšší přípustné koncentrace) v návaznosti na zákonné hodnoty na pracovištích (např. 10 % NPK_max).

4. Větrání a vytápění pasivních domů ve vztahu k optimální relativní vlhkosti

4.1 Současný stav

V podmínkách teplovzdušně vytápěných a větraných domů v ČR se v řadě případů vyskytly problémy s udržením interiérové relativní vlhkosti v hygienicky doporučovaných hodnotách tj. rh_i = 30–50 % v topném a přechodném období. Při intenzivním nuceném větrání zde docházelo k poklesu těchto hodnot i pod 18 %, což je již hygienicky zcela nepřípustné, vznikaly zdravotní problémy a došlo i k rozesychání nábytku a dřevěných podlah.

Průběh relativní vlhkosti rh_i v interiéru budov je závislý především na:

• celkové intenzitě větrání n(h^-1), tj. nucené a infiltrační výměně venkovního vzduchu
• absolutní vlhkosti venkovního větracího vzduchu x_e (g/kg s.v.)
• teplotě vzduchu v budově (°C)
• započitatelné produkci vlhkosti do interiéru budovy (g/h; g/24 h)
• sorpční a desorpční charakteristice povrchů interiéru

Vzájemný vztah těchto veličin a jejich časový průběh lze vyjádřit pouze exponencionálními rovnicemi, ovšem za určitých zjednodušujících předpokladů (např. quasistacionární průběh sorpce a desorpce vlhkosti vnitřními povrchy místností).

4.2 Matematický model

Pro demonstraci konkrétních časových průběhů rh_i jsou dále uvedeny v časových grafech modelové varianty větrání rodinného domu V_O = 350 m³, s konstantní t_i = +20 °C, pro různé intenzity větrání n, různé venkovní teploty (a tím průměrné hodnoty x_e), a různou produkci vlhkosti, s konstantní výchozí hodnotou rh_i = 50 %:

4.3 Diskuze výsledků

1. Pro zadané parametry velikosti domu a produkce vlhkosti se jako optimální pro udržení rh_i jeví varianta podle 1.6, tj. s intenzitou větrání n = 0,25 /h^-1/, tj. V = 87,5 m³/h.
2. Varianty 1.1 až 1.5 vedou k výraznému snižování rh_i v interiéru pod hygienicky přípustné hodnoty.
3. Varianta 1.8 vede již k nepřípustnému zvyšování rh_i a bude nutně docházet ke kondenzaci par a vlhkostnímu diskomfortu.
4. Varianta 1.6 s výkonem větrání V = 87,5 m³/h však již neodpovídá hygienickým požadavkům na množství čerstvého vzduchu pro čtyřčlennou rodinu, tj. 100 až 120 m³/h.
5. Varianta 1.6 je schopná přinést při klasickém rovnotlakém větracím (tj. zároveň i vytápěcím režimu) v pasivním domě topný výkon pouze 730 W (!), tedy zcela nedostatečný pro zadaný dům v topném období, navíc nelze zajistit náběh teplot po otopné přestávce dle požadavku ČSN 730560-2, a je nutno řešit dodatečný zdroj tepla.

RODINNÝ DŮM (teplovzdušné cirkulační vytápění)

Větraný prostor	350 m3
Nárazové nucené větrání	160 m3 h-1
Infiltrace (teoreticky konstantní)	20,3 m3 h-1
Venkovní koncentrace CO2	370 ppm
Hustota CO2	1,8 kg m-3
Celková doba provozu nárazového nuceného větrání	7,18 den-1

C	koncentrace škodliviny [ppm]
Ce	koncentrace škodliviny v atmosférickém vzduchu [mg m-3]
C(t=0)	koncentrace škodliviny v interiéru v startovacím čase t = 0 [mg m-3]
M	zdrojový tok škodliviny [mg s-1]
Vp	objemový průtok větracího vzduchu [m3 s-1]
Vo	objem větraného prostoru [m3]
t	čas [s]
p	měrná hmotnost škodliviny [kg m-3]

Graf č. 1: Průběh hladiny CO₂ v pasivním rodinném domě V_O = 350 m³, obývaném čtyřčlennou rodinou s teplovzdušným cirkulačním vytápěním a nárazovým nuceným větráním s rekuperací tepla

Literatura

• [1] JOKL, M.: Teorie vnitřního prostředí budov, Praha 1991
• [2] DRAHOŇOVSKÁ: Požadavky hygieniků na kvalitu vnitřního prostředí, Praha 1995
• [3] EUROPEAN DIRECTIVE ON CONSTRUCTION PRODUCTS