Koncentrácia oxidu uhličitého v panelových domoch po obnove

Obnova bytových domov sa zameriava predovšetkým na zlepšenie tepelnotechnických vlastností, ktoré sa dosahuje zateplením budovy. Vo väčšine prípadov sa však nikto nezaoberá jeho dôsledkami na vnútorné prostredie. Jedným z negatívnych dôsledkov je zvýšená koncentrácia CO₂ v bytoch.

V súčasnosti je približne 35 % všetkých budov v EÚ starších ako 50 rokov [2]. Z toho vyplýva, že najväčší potenciál na znižovanie energetickej náročnosti majú najmä existujúce budovy. Vo väčšine prípadov dôjde pri týchto budovách k významnej obnove, ktorá je založená predovšetkým na zásadnom zlepšení tepelnotechnických vlastností obálky budovy, na kvalitu vnútorného prostredia sa však pri tejto obnove často zabúda. Práve preto sa tento článok venuje problematike kvality vnútorného prostredia v bytových domoch, pričom sa konkrétne zameriava na monitorovanie hladiny koncentrácie CO₂ vo vybraných bytoch.

Samotné monitorovanie vnútorného prostredia však nie je riešením. Ide o informácie, ktoré dokumentujú stav v monitorovaných bytoch bez opatrení. Vnútorné prostredie významne ovplyvňuje naše fyzické zdravie a duševnú pohodu, a keďže v ňom trávime až 90 % času, je dodržanie jeho kvality veľmi dôležité. Kvalitu vnútorného prostredia v budovách ovplyvňuje mnoho vnútorných a vonkajších faktorov, predovšetkým sú to však teplotno-vlhkostné a odorové faktory [3], [4].

Monitorovaním vnútorného prostredia možno odhaliť prípadný problém, ale ide iba o informáciu, ktorá je často užívateľom oznámená až po vyhodnotení, teda nie je známa v čase vzniku. Existujú však moderné technológie, ktoré umožňujú poskytnúť informácie o problémoch v reálnom čase.

Vnútorné prostredie a požiadavky

Požiadavky na kvalitu vnútorného prostredia sú legislatívne upravené v zákonoch [5], [6], [7], normách [8], vyhláškach a nariadeniach vlády [9] a [10]. Ak sa detailnejšie pozrieme na skladbu škodlivých látok, ktoré môžu ovplyvňovať vnútorné prostredie stavieb [11], a na možnosti ich monitorovania [12], ako najjednoduchšie merateľná a dostatočne vypovedajúca veličina na opísanie kvality vnútorného prostredia vychádza koncentrácia CO₂.

Oxid uhličitý je plyn bez farby a zápachu. Vzniká pri procese spaľovania uhľovodíkových palív a takisto pri obyčajnom dýchaní. Najčastejšie sa jeho koncentrácie vyjadrujú v jednotkách ppm (parts per milion). Za hraničnú hodnotu koncentrácie CO₂ sa považuje 1 000 ppm – táto hodnota sa nazýva aj Pettenkoferovo kritérium. Uvádza sa, že pri prekročení koncentrácie 1 000 ppm sa môže objaviť pocit ospalosti a vydýchaného vzduchu, nad 2 000 ppm sa zhoršuje schopnosť koncentrácie a niektoré osoby pociťujú aj bolesť hlavy. Nad 5 000 ppm sa objavuje zrýchlený tep. Koncentrácie presahujúce 45 000 ppm vedú k strate vedomia a k smrti.

Legislatívne požiadavky na koncentráciu CO₂ sú uvedené napríklad vo vyhláške č. 268/2009 Sb. V § 11 ods. 5 sa uvádza, že: „Ako ukazovateľ kvality vnútorného prostredia slúži oxid uhličitý CO₂, ktorého koncentrácia vo vnútornom vzduchu nesmie prekročiť hodnotu 1 500 ppm.” [13]. Na zistenie kvality vnútorného prostredia, najmä koncentrácie CO₂ v pobytových priestoroch, sa používajú rozličné metódy meraní a meracích zariadení [14], [15], [16], [17].

Monitorovaná lokalita a budovy

Merania prebiehali v lokalite mestskej časti Brno-Nový Lískovec (obr. 1). Lokalita je zaradená do kategórie s intenzívnymi vetrami, s výpočtovou teplotou -12 °C, umiestnenie meraných budov v lokalite je nechránené. V mestskej časti sa nachádza predovšetkým typová bytová výstavba panelových domov v sústave T06B a 70 R/K zo 60. až 80. rokov 20. storočia, ktorá prechádza od začiatku nového tisícročia postupnou revitalizáciou.

Monitorovanie kvality vnútorného prostredia sa sústredilo iba na vybrané revitalizované panelové domy, pri ktorých sa realizovalo zateplenie obálky budovy a vymenili sa výplňové otvory. Klasifikačný ukazovateľ energetickej hospodárnosti budov spadá pri všetkých monitorovaných bytových domoch do energetickej triedy C. Vetranie všetkých sledovaných bytov je riešené prirodzene (pomocou otvárania okien).

Obr. 1 Mestská časť Brno-Lískovec [21]

Mestská časť Brno-Nový Lískovec je zaradená ako pilotná lokalita v projekte Inteligentné regióny [18] pod záštitou Technologickej agentúry ČR (TAČR). Z tohto dôvodu tu prebiehajú dlhodobé merania a implementujú sa nové technológie a trendy v rámci koncepcie Smart City.

Meranie v bytoch sa realizuje od roku 2015 a v súčasnosti sa monitoruje päť bytov v piatich bytových domoch, kde sa sledujú parametre vnútorného prostredia, ako je koncentrácia oxidu uhličitého, teplota, vlhkosť a ďalšie.

Monitorovanie CO₂

Cieľom monitorovania bolo poukázať na prekračované koncentrácie CO₂ v bytovej výstavbe. Okrem iných parametrov sa merala teplota a relatívna vlhkosť. Meranie prebieha od januára 2015, pričom časový krok meraných hodnôt bol nastavený na 15 minút. Prístroje na meranie veličín boli umiestnené podľa odporúčaní [19] tak, aby boli namerané hodnoty čo najmenej ovplyvňované okolím.

V článku sú uvedené výsledky meraní, ktoré prebiehali v referenčnom byte 1. Byt 1 má dispozíciu 4 + 1 a býva v ňom šesť osôb, z toho dvaja dospelí a štyri deti.

Výsledok monitorovania

Výsledky meraní poukazujú na problémy s presahujúcimi koncentráciami CO₂. V grafe na obr. 2 vidieť, ako sa koncentrácie oxidu uhličitého pohybovali počas jedného týždňa v obývacej izbe v referenčnom byte 1.

Obr. 2 Koncentrácia CO₂ v priebehu týždňa v byte

Z týchto výsledkov je zrejmé každodenné prekračovanie hraničnej koncentrácie oxidu uhličitého 1 500 ppm (podľa vyhlášky č. 268/2009 Sb.). Hodnoty koncentrácií CO₂ dosahujú v niektorých intervaloch až 3 500 ppm. Koncentrácie sú vyhovujúce pri nízkej obsadenosti izieb, keď začne koncentrácia klesať vďaka infiltrácii čerstvého vzduchu.

Treba si uvedomiť, že problém nastáva v určitých časových intervaloch, keď sú byty obsadené obyvateľmi. Koncentrácie CO₂ nás zaujímajú predovšetkým v čase obsadenia bytu osobami, ktorých prítomnosť má vplyv na kvalitu vnútorného prostredia, a teda aj na kvalitu bývania. Dospelý človek vyprodukuje v priemere 35 000 až 50 000 ppm CO₂ (100-krát viac, než je CO₂ vo vonkajšom vzduchu). Bez dostatočného prísunu čerstvého vzduchu potrebného na zriedenie koncentrácie CO₂ nastáva jeho hromadenie. Graf na obr. 3 zobrazuje typický deň pracovného týždňa a víkendu vo vybranom byte.

Obr. 3 Koncentrácia CO₂ v priebehu vybraného pracovného dňa a víkendu v byte 1

Sledovanou miestnosťou je obývacia izba v byte 1. Ide o spoločenskú miestnosť, pre ktorú je charakteristické zhromažďovanie osôb v určitých častiach dňa. Charakter užívania sa premieta aj do koncentrácií CO₂ – z grafu na obr. 3 sú zrejmé vyššie koncentrácie CO₂ v popoludňajších a večerných hodinách, keď prekračujú hraničnú hodnotu 1 000 ppm.

V tab. 1 je ukázaný vzťah medzi koncentráciami oxidu uhličitého a prísunom čerstvého vzduchu potrebného na zriedenie koncentrácie CO₂ na určitú hranicu. Hodnoty CO₂ v tab. 1 sú približné – sú založené na zjednodušení, pri ktorom sa počíta s dospelou osobu produkujúcou konštantné množstvo CO₂, s konštantnou rýchlosťou odvetrávania, koncentráciou CO₂ vo vonkajšom vzduchu 380 ppm a s ideálnym miešaním vzduchu. Samozrejme, že reálne podmienky sú výrazne iné a nepredvídateľné.

Tab. 1 Množstvo privádzaného vzduchu na udržanie hladiny koncentrácie CO₂ [20]

V reálnych podmienkach existuje veľa premenných hodnôt, ako je obsadenosť, vydychovaná koncentrácia CO₂, poveternostné podmienky, rýchlosť privádzaného vzduchu, ktoré ovplyvňujú miešanie vzduchu a množstvo ďalších faktorov. Pre túto premenlivosť je najvhodnejšie merať aktuálne koncentrácie CO₂ priamo v miestnosti a vetranie prispôsobiť aktuálnym podmienkam, či už ide o prirodzené, alebo nútené vetranie. Prirodzené vetranie oknami by sa malo realizovať celým prierezom okna na krátky čas (5 až 10 minút). Otázkou však je, ako donútiť ľudí vetrať. V množstve bytov nie sú ukazovatele koncentrácie CO₂ a ľudia často nie sú informovaní o problémoch s kvalitou ovzdušia vo vnútri budovy.

Základným opatrením je informovanie a vzdelávanie užívateľov. Ďalšou úrovňou opatrení je senzor monitorujúci oxid uhličitý. Najvyššou úrovňou opatrení je systém núteného vetrania, ktorý rieši problém automaticky. Tento systém je však veľmi často problematické v existujúcich budovách realizovať. A to tak z technického hľadiska, ako aj z hľadiska finančnej dostupnosti.

Obr. 4 Senzor s užívateľskou interakciou

Mnohokrát postačuje inteligentné riešenie v podobe senzora s užívateľskou interakciou (obr. 4). Môže ísť o automatický systém, ktorý vyhodnocuje úroveň koncentrácie CO₂ a informuje užívateľov bytu, kedy a ako dlho majú vetrať. Môže ísť napr. aj o externú aplikáciu v smartfóne, aplikáciu na webe alebo inteligentný merač s vyhodnocovacím procesom a indikátorom koncentrácie, ktorý komunikuje s užívateľmi.

Viditeľnosť meraných hodnôt

Ako však zhromažďovať dáta zo zariadení, ako sú snímače a merače, a ako tieto údaje vizualizovať? Nový prístup predstavuje tzv. internet vecí. Internet vecí umožňuje zvýšenie viditeľnosti a povedomia dát z monitorovania vďaka inteligentným senzorom a inteligentným meracím prístrojom. Vďaka tomu sa môžu údaje zo senzorov v reálnom čase ľahko zhromažďovať a analyzovať tak, aby sa zlepšilo rozhodovanie a informovanie užívateľa.

Internet vecí

Internet vecí (IoT) prvýkrát použil v roku 1999 Kevin Ashton [22]. Tento trend sa stal novou technologickou revolúciou. Túto skutočnosť potvrdzujú miliardy pripojených zariadení, v roku 2008 bol počet prístrojov rovný počtu ľudí na Zemi. Očakáva sa, že bude mať rovnaký alebo väčší dosah ako samotný internet. Odhaduje sa, že v roku 2020 bude na internet vecí pripojených 26 miliárd objektov. Internet vecí je definovaný ako vzájomná prepojenosť vecí, služieb a užívateľov. Je to súhra inteligentných zariadení a inteligentných komunikačných technológií. Tok informácií a udalostí generovaných zariadením možno využiť na zjednodušenie procesov riadenia, sledovania a koordinácie.

Pre internet vecí je kľúčová komunikácia, a to so zariadeniami, užívateľmi a službami. Komunikačné technológie ovplyvňujú použiteľnosť zariadenia. V súčasnosti sa objavujú nové komunikačné siete, ktoré sú určené na zariadenie internetu vecí. Medzi ne patria predovšetkým siete na prenos menšieho dátového toku, ktorý je pre snímače a senzory typický, do príslušneho zariadenia. Úspech týchto sietí závisí od dostupnosti, nízkych nákladov, nízkej spotreby energie, dlhého dosahu a jednoduchosti použitia.

V literatúre existuje množstvo komunikačných technológií, ktoré sú vhodné na rozličné účely použitia [23], [24]. Jednou z nových komunikačných sietí s dlhým dosahom je sieť Sigfox. Ide o rádiovú technológiu, ktorá je založená na technológii Ultra Narrow Band (UNB) na komunikačné účely [25]. Sieť využíva pásmo bez licencie, v Európe 88 MHz a v USA 902 MHz.(v súlade s národnými predpismi) [25]. Prenos signálu je možný až do vzdialenosti 120 km v otvorenom teréne. Potreba elektrickej energie v tejto sieti je extrémne malá v porovnaní s celulárnymi sieťami, napr. 50 mikrowattov v porovnaní s 5 000 mikrowattmi v celulárnej sieti [15].

Na jednej strane ide o sieť s nízkymi energetickými nárokmi, na druhej strane však existuje dátový limit, ktorý môže byť len 100 bps. Táto nevýhoda pre veľký počet zariadení IoT (ako sú aj senzory CO₂) nie je prekážkou. Zariadenia IoT pripojené cez sieť Sigfox používajú sieť len vtedy, keď reálne prenášajú dáta, vďaka tomuto postupu je spotreba energie výrazne znížená [26]. Sieť Sigfox je novinkou v Českej republike. Obchodné aktivity sa začali len v roku 2017.

Ako zlepšiť kvalitu vnútorného prostredia v byte?

Monitorovanie v byte, v ktorom sa nainštaloval inteligentný snímač IoT (obr. 5), poukázalo na problém s prekračovaním koncentrácie oxidu uhličitého. Tieto prístroje poskytujú prístup k dátam v reálnom čase prostredníctvom webovej aplikácie. Aplikácia bola vytvorená špeciálne pre prípadovú štúdiu prezentovanú v tomto článku. Snímače využívali konektivitu prostredníctvom digitálneho signálu odosielaného sieťou internetu vecí do cloudového úložiska. Snímač je vybavený rádiovým vysielačom pre sieť IoT, ktorý možno použiť na odosielanie informácií z inteligentných zariadení do cloudového úložiska. Cloudové úložisko slúži ako databáza údajov.

Obr. 5 Smart senzor

Na vizualizáciu bola vytvorená webová aplikácia dostupná cez internetovú sieť (obr. 6). Táto aplikácia umožňuje zobrazenie nameraných dát zo snímačov umiestnených v byte. Aplikácia vyhodnocuje parametre vnútorného prostredia, napr. keď sa koncentrácia CO₂ zvýši nad 1 500 ppm, aplikácia nahlási prekročenie limitu. Vďaka tomu môžu užívatelia reagovať na aktuálne hodnoty a zlepšiť tak kvalitu vnútorného prostredia. Aplikácia podáva aj ďalšie aktuálne informácie o vnútornej klíme, ktoré prispievajú k vzdelávaniu užívateľov a vzájomnej interakcii. V porovnaní s núteným vetraním ide o jednoduchšie realizovateľný systém za dostupné peniaze predovšetkým do starých budov.

Obr. 6 Vizualizačná webová aplikácia

Čo dodať na záver…

V článku je poukázané na problém s kvalitou vnútorného prostredia v starších obnovených budovách, kde bolo hlavným cieľom obnovy zlepšenie tepelnotechnických vlastností budovy, pričom sa neprihliadalo na to, ako tieto opatrenia ovplyvnia kvalitu vnútorného prostredia. Problém sa demonštroval na vybranom byte 1, v ktorom sa zistilo časté prekračovanie limitov koncentrácie oxidu uhličitého. Vysoká úroveň CO₂ priamo súvisí s prítomnosťou ľudí v sledovanom vnútornom priestore. Keďže jednoznačne existuje vzájomná súvislosť medzi obyvateľmi bytu a kvalitou ovzdušia vo vnútri budovy, vzdelávanie a poskytovanie informácií užívateľom je veľmi dôležité.

V praxi existuje nové opatrenie, ako informovať užívateľov tak, aby mohli zmeniť svoje správanie, predovšetkým z hľadiska vetrania priestorov. Uvedený prístup využíva behaviorizmus, ktorého cieľom je predvídať správanie ľudí [1]. Na zavedenie tohto opatrenia sú základom technológie internetu vecí. Tieto technológie umožňujú vyšší stupeň interoperability užívateľov s vnútorným prostredím vďaka vyššej informovanosti a hodnotenia vnútorného prostredia v reálnom čase. Vďaka týmto technológiám môžu byť užívatelia nepriamo ovplyvňovaní.

Článok vznikol v rámci riešenia projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavebné materiály, konštrukcie a technológie“ podporovaného Ministerstvom školstva, mládeže a telovýchovy ČR v rámci účelovej podpory programu „Národný program udržateľnosti I“ a projektu Špecifický výskum VUT Brno FAST-S-17-4054 Analýza účinnosti, metodika riadenia a energetická náročnosť systému techniky prostredia.

Text | Ing. Petr Komínek, Ing. Robert Wawerka, autori pôsobia na FS VUT v Brne – v Centre AdMaS.
FOTO + OBRÁZKY | archív autorov

Literatúra

1. WATSON, John Broadus. Behaviorism. 6th printing. New Brunswick, N. J.: Transaction Publishers, 2007. xxi, 251 s. ISBN 1-56000-994-2.
2. EUROPEAN COMMISSION. Dostupné z: https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/buildings.
3. JELÍNEK, V. – LINHARTOVÁ, V.: Interní mikroklima v bytových domech. TZB-info [online]. 2014. [cit. 2015-11-02]. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/11888-interni-mikroklima-v-bytovych-domech.
4. RUBINA, A. – RUBINOVÁ, O.: Vnitřní prostředí a tepelná pohoda člověka. TZB-info [online]. 2005. [cit. 2015-11-01]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/2650-vnitrni-prostredi-budov-a-tepelna-pohoda-cloveka.
5. Zákon č. 258/2000 Sb. o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů.
6. Zákon č. 20/1966 Sb., o zdraví lidu v platném znění.
7. Zákon č. 183/2006 Sb. o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon).
8. ČSN 73 0540-2. Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. 
9. Nařízení vlády č. 148/2006 Sb., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací (prováděcí předpis k zákonu č. 258/2000 Sb.).
10. Nařízení vlády č. 1/2008 Sb., o ochraně zdraví před neionizujícím zářením (prováděcí předpis k zákonu č. 258/2000 Sb.).
11. HAVEL, M.: Vnitřní prostředí staveb a chemické látky. TZB-info [online]. 2005. [cit. 2015-11-01]. Dostupné z: http://stavba.tzb-info.cz/podlahy-pricky-povrchy/11134-vnitrni-prostredi-staveb-a-chemicke-latky.
12. CALÌ, D. – MATTHES, P. – HUCHTEMANN, K. – STREBLOW, R. a MÜLLER, D.: CO2 based occupancy detection algorithm: Experimental analysis and validation for office and residential buildings. Building and Environment [online]. 2015, 86: 39-49 [cit. 2015-11-04]. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360132314004223. 
13. Vyhláška č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby se změnami: 20/2012 Sb.
14. ŠUBRT, R. – CHARVÁTOVÁ, P.: Větrání budov v minulosti a současnosti. TZB-info [online]. 2014. [cit. 2015-11-02]. ISSN 1801-4399. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/11506-vetrani-budov-v-minulosti-a-soucasnosti.
15. GAO, J. – WARGOCKI, P. – WANG, Y.: Indoor Air Quality and Thermal Environment in Classrooms with Different Ventilation Systems. REHVA European HVAC Journal [online]. 2014, vol. 51, p. 10-14. [cit. 2015-11-02]. ISSN 1307-3729. Dostupné z: http://www.airtradecentre.com/downloads/AA/Rehva/rehva-newsletter-4-2014.pdf.
16. KREJSOVÁ, J.: Pilotní měření CO2, relativní vlhkosti a dalších veličin v učebnách VOŠ Volyně. TZB-info [online]. 2014. [cit. 2015-11-02]. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/10184-pilotni-mereni-co2-relativni-vlhkosti-a-dalsich-velicin-v-ucebnach-vos-volyne.
17. DU, L. – PRASAUSKAS, T. – LEIVO, V. – TURUNEN, M. – PEKKONEN, M. –KIVISTE, M. – AALTONEN, A. – MARTUZEVICIUS, D. a HAVERINEN-SHAUGHNESSY, U.: Assessment of indoor environmental quality in existing multi-family buildings in North–East Europe: Experimental analysis and validation for office and residential buildings. Environment International [online]. 2015, 79: 74-84 [cit. 2015-11-04]. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0160412015000513.
18. RADA PRO VÝZKUMU, VÝVOJE A INOVACÍ. TE02000077 – Inteligentní Regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj (2014-2019, TA0/TE) [online]. [cit. 2015-11-10]. Dostupné z: https://www.isvav.cz/projectDetail.do;jsessionid=17BCAED1731F2C38B97569EEB6018862?.
19. Protronix s. r. o. Doporučení pro umístění čidel kvality vzduchu [online]. [cit. 2015-11-10]. Dostupné z: http://www.cidla.cz/cz/cidla-co2/?novinka=doporuceni-pro-umisteni-cidel-kvality-vzduchu.
20. PRILL, R.: Why Measure Carbon Dioxide Inside Buildings? [online]. [cit. 2015-11-10]. Dostupné z: http://www.energy.wsu.edu/Documents/CO2inbuildings.pdf.
21. Český úřad zeměměřický a katastrální. ČÚZK: Nahlížení do katastru nemovitostí [online]. [cit. 2015-11-10]. Dostupné z: http://nahlizenidokn.cuzk.cz/.
22. Atzori, L. – Iera, A. – Morabito, G.: The Internet of Things: A survey. Computer Networks, 54(1), 2010, 52787—52805.
23. Li, Geoffrey Y: et al. „Energy-efficient wireless communications: tutorial, survey, and open issues.“ IEEE Wireless Communications 18.6, 2011, ss 28-35.
24. NAIT-SIDI-MOH, Ahmed a Marcelo Dias de AMORIN: Geopositioning and mobility. Hoboken, N.J.: John Wiley and Sons Inc., 2013. Networks and telecommunications series. ISBN 978-1-84821-567-2.
25. DAR, Kashif: et al. Wireless communication technologies for ITS applications [Topics in Automotive Networking]. IEEE Communications Magazine, 2010, 48.5: 156-162.
26. ALI, Anum, Ghalib A. SHAH a Junaid ARSHAD: Energy efficient techniques for M2M communication: A survey. DOI: 10.1016/j.jnca.2016.04.002. ISBN 10.1016/j.jnca.2016.04.002. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1084804516300467

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 3/2017.