Hygienické parametre vnútorného prostredia v triede

Na komfort žiakov na základných školách nevplýva len teplota vnútorného vzduchu v triedach, ale aj jeho kvalita. Kvalita vnútorného prostredia sa dá preukázať napríklad koncentráciou CO₂. Reálne výsledky by mal mať k dispozícii správca školských budov, aby mohol vytvárať zdravé vnútorné prostredie škôl.

Meraniami, ktoré sa uskutočnili na vybranej základnej škole v Tatranskej Štrbe, sa podarilo preukázať rozdielnosť medzi požadovanou kvalitou prostredia a skutočnými nameranými hodnotami. Na základe meraní in-situ sa vypracoval matematický model vybranej triedy a stanovila sa potrebná výmena vzduchu.

Hygienické požiadavky na vnútorný vzduch

Budovy základných škôl sú špecifické svojím spôsobom využívania a tiež samotnou prevádzkou. Žiaci trávia približne 30 % svojho života v školách, čo vedie k potrebe dosiahnuť požadovanú úroveň komfortu v triedach v budovách základných škôl. Na komfort žiakov nevplýva len teplota vnútorného vzduchu, ale aj jeho kvalita. Požiadavky na vetranie v triedach základných škôl na Slovensku vyplývajú z vyhlášky MZ SR č. 259/2008 Z. z. o podrobnostiach o požiadavkách na vnútorné prostredie budov, o minimálnych požiadavkách na byty nižšieho štandardu a na ubytovacie zariadenia [2]. Na účely tejto vyhlášky sa podľa § 1 ods. b dlhodobým pobytom rozumie pobyt ľudí, ktorý trvá v priebehu 24 hodín viac ako štyri hodiny a opakuje sa pri dlhodobom užívaní budovy viac ako jedenkrát za týždeň. Všetky vnútorné priestory základnej školy s dlhodobým a krátkodobým pobytom ľudí je potrebné vetrať. Vetranie je potrebné zabezpečiť prirodzeným alebo núteným vetraním. Spôsob vetrania sa určuje podľa počtu osôb, vykonávanej činnosti, tepelnej záťaže a miery znečistenia ovzdušia tak, aby sa splnili požiadavky na množstvo vzduchu na dýchanie, na čistotu vnútorného ovzdušia a aby ľudia neboli obťažovaní pachovými látkami. Podľa § 2 ods. 3 vyhlášky sa výmena vzduchu prirodzeným vetraním používa v priestoroch bez zdroja škodlivín a tepla, v ktorých postačuje jedno- až dvojnásobná intenzita výmeny neupravovaného vzduchu a v ktorých možno polohou a stavebným riešením zabezpečiť požadovanú výmenu vzduchu.

Podľa ods. 4 vyhlášky sa v ostatných budovách zabezpečí výmena vzduchu núteným, mechanickým vetraním, a to:

• podtlakovým, ak vzduch obsahujúci škodliviny nemá z vetranej miestnosti prenikať do susedných priestorov;
• pretlakovým, ak sa zamedzuje prenikaniu škodlivín zo susedných priestorov do vetranej miestnosti;
• tlakovým vyrovnaným, ak sa nemá vymieňať vzduch medzi vetranou miestnosťou a ostatnými priestormi.

Požiadavky na kvalitu vnútorného ovzdušia

Požiadavky na kvalitu vnútorného ovzdušia stanovuje v USA a v niektorých ďalších krajinách American Standard ASHRAE 62 [3], zatiaľ čo vo väčšine európskych krajín, rovnako ako v niektorých iných krajinách, európska norma prEN 13779 [4]. Tieto dva dokumenty nie sú totožné. Americká norma stanovuje minimálnu hodnotu 8 l/s/osoba na požadované množstvo čerstvého vzduchu v triedach na základe vnútornej maximálnej koncentrácie CO₂ 700 ppm. Európska norma definuje tri úrovne výkonu, IDA1, IDA2 a IDA3, založené na koncentrácii CO₂ – 800, 1 000 a 1 500 ppm. Je zrejmé, že aj tá najprísnejšia európska požiadavka IDA1 je miernejšia, ako je požiadavka ASHRAE. V triedach, kde je zákaz fajčenia, prEN 13779 umožňuje vetranie s rýchlosťou 4 l/s/osoba pre stupeň IDA3, čo je polovičná rýchlosť výmeny vzduchu ako v ASHRAE. Existuje aj miestna izraelská regulácia, ktorá je vo fáze prípravy. Zámerom je navrhnúť kompromisy medzi oboma uvedenými dokumentmi. Toto plánované regulačné ustanovenie spotreby čerstvého vzduchu na úrovni približne 5 l/s/osoba následne vedie k požiadavke na výmenu vzduchu 720 m3/h v predpokladanej triede, v ktorej by sa nachádzalo 40 žiakov. Tento predpoklad stanovuje výmenu vzduchu v triede na n =5 1/h.

Obr. 1 Infiltrácia vzduchu cez otvorovú konštrukciu

Meranie in-situ na ZŠ Štrba

Experimentálne meranie na ZŠ v Tatranskej Štrbe sa uskutočnilo v dvoch fázach. Najskôr sa uskutočnilo prípravné meranie, ktoré sa zameralo na pozorovanie a správanie študentov počas vyučovania a na ich návyky. Výsledky a poznatky z tohto merania sa analyzovali a na základe nich sa pripravilo hlavné meranie. Meranie kvality vnútorného prostredia sa uskutočnilo v triede 2. ročníka, 5. ročníka, 8. ročníka a tiež na komunikačnej chodbe nachádzajúcej sa pred triedami. Triedy boli rozmerovo identické, s rovnakou orientáciou na svetové strany. Do každej triedy je jediný prístup cez dvere, ktoré sa vždy nachádzajú v stene oproti oknám a vedú do chodby. Svetlá výška miestnosti je 3 400 mm. Celkový objem každej triedy je 178,5 m³.

Infiltrácia vzduchu

V dôsledku tlakového rozdielu vyvolaného gravitačnou silou a pôsobením vetra prúdi vzduch do budovy a z nej cez netesnosti v obalovej konštrukcii alebo cez otvorené póry použitých stavebných materiálov. Takéto nekontrolované prúdenie vzduchu a ním spôsobená výmena vzduchu sa môžu považovať za druh prirodzeného vetrania [7]. Stanovenie vzduchovej priepustnosti triedy, tzv. Blower door test, podľa STN EN 13 829 [5] umožňuje určiť jeden z parametrov, ktorý vstupuje do numerického simulačného programu EnergyPlus [9]. Tieto merania sa uskutočnili opakovane vo všetkých overovaných triedach tak, aby sa znížilo riziko nepresnosti jedného merania. Merania vzduchovej priepustnosti sa vykonali vo všetkých analyzovaných triedach v ten istý deň. Merania podľa STN EN 13 829 [5] sa vykonali viacnásobne, aby sa eliminovalo riziko vzniku chyby jedného merania. Výsledky meraní vo všetkých analyzovaných triedach boli takmer totožné. Hodnota vzduchovej priepustnosti,  ktorá sa uvažovala v simulácii, bola n =1,5 1/h.

Vnútorné prostredie v triede

Koncentrácia CO₂ v triede je dynamická veličina. Mení sa v čase, keď je trieda prázdna, a oveľa výraznejšie sa mení, keď sú v triede žiaci. Koncentrácia CO₂ vo vonkajšom ovzduší mala priemernú hodnotu 380 ppm počas celého merania. Túto hodnotu sa v triede nepodarilo dosiahnuť ani cez vyučovanie, keď boli okná otvorené, ani v období, keď boli triedy prázdne a výmena vzduchu sa uskutočňovala infiltráciou a exfiltráciou. Nárast koncentrácie sa začína hneď, ako prichádzajú do triedy žiaci. Tento nárast sa začínal štandardne po 7:20 h. Rýchlosť nárastu, ako aj pokles koncentrácie CO₂, sa nedajú presne stanoviť. Nie je možné stanoviť, aký budú mať priebeh. Ako vidieť na grafoch dokumentujúcich merania, priebehy teploty vzduchu v triede a koncentrácia CO₂ sú pri výrazných a náhlych zmenách navzájom podobné. Táto podobnosť ovplyvňuje množstvo otvorených okien v triede.

Obr. 2 Grafy koncentrácie CO₂ a teploty vzduchu v triede 2. ročníka počas vyučovania [10]

Z celkových priebehov teploty vzduchu, ako aj koncentrácie CO₂ v triede, nie je možné jednoznačne stanoviť závislosť. Vo vybraných analyzovaných úsekoch však možno pozorovať vzájomný pokles oboch parametrov. Tento jav nastáva v čase vybraných prestávok počas vyučovania, keď sú triedy prázdne a výmena vzduchu v triede postačuje nato, aby bol pokles koncentrácie výrazne vyšší. V čase, keď sú triedy prázdne, sa dá pozorovať postupný pokles koncentrácie CO₂ zapríčinený infiltráciou a exfiltráciou vzduchu. Priemerná koncentrácia CO₂ pri príchode prvých žiakov 2. ročníka je 525 ppm. Táto priemerná hodnota je o 145 ppm vyššia, ako je priemerná koncentrácia CO₂ vo vonkajšom ovzduší počas celého merania. Z týchto poznatkov sa dá poukázať aj na skutočnosť, že samotnou infiltráciou vzduchu nie je možné zabezpečiť vetranie tried na úroveň koncentrácie CO₂ v exteriéri. Tento poznatok preukazujú aj výsledky meraní realizovaných počas celého týždňa, pričom vidieť jasnú tendenciu nárastu počas každého nasledujúceho dňa v priebehu celého týždňa.

Vetranie tried

Z analýz vetrania 2. triedy jasne vidieť vysokú mieru variability otvárania okien. Tento fakt  je na základe osobného poznania, ako aj veku študentov pripisovaný subjektívnemu hodnoteniu vyučujúceho, ktorý bral na zreteľ kvalitu parametrov vnútorného prostredia počas vyučovania. Z výsledkov možno preukázať aj najviac vyrovnaný priebeh sledovaných parametrov počas všetkých dní. Z analýzy vyplýva, že otvorenie troch okien zabezpečuje výmenu vzduchu postačujúcu nato, aby koncentrácia CO₂ nemala stúpajúci charakter, ale zachovala si hodnotu, ktorá bola v tom čase. Nepostačuje to však nato, aby sa koncentrácia dostala pod normou prípustnú hodnotu 1 000 ppm. Otvorenie štyroch okien zabezpečuje výmenu vzduchu, ktorá spôsobí klesajúci charakter koncentrácie CO₂ v triede. Tieto poznatky sa vzťahujú iba na analyzované obdobie. Z analýzy vetrania je možné preukázať, že priemerný počet otvorených okien sa počas vyučovania v jednotlivých triedach rovnako menil.

Priemerná hodnota počtu otvorených okien v čase, keď prebieha vyučovanie, je:

• v triede 2. ročníka – 2,65
• v tirede 5. ročníka – 3,64
• v triede 8. ročníka – 3,42

Dynamická simulácia tried

V programe SketchUp sa vymodeloval počítačový model [8]. Išlo o vybranú triedu s typickými rozmermi. Všetky analyzované triedy boli totožné vrátane okien. Tento model sa použil na všetky triedy. Variabilita modelu spočívala v obsadenosti triedy žiakmi, produkcii CO₂ žiakmi a frekvencii vetrania. Klimatické údaje zadávané do programu EnergyPlus [9] v rámci jedného týždňa simulácie boli totožné pre každú triedu a vychádzali z nameraných a analyzovaných údajov z meteorologickej stanice umiestnenej pred fasádou triedy na neďalekom ihrisku vzdialenom približne 50 m od priečelia budovy.
Parametrické simulácie sa vypracovali pre charakteristickú triedu v ZŠ Tatranská Štrba s analyzovanou obsadenosťou triedy žiakmi v rôznom veku, presným rozvrhom vetrania, analyzovanými klimatickými údajmi a vzduchovou priepustnosťou triedy.

Analýza stavu vnútorného prostredia v triedach sa vykonala v časovom období od 10. 12. 2013 do 16. 12. 2013. Pri variovaní spomínaných parametrov v triedach sa analyzovala miera vplyvu na kvalitu vnútorného prostredia v triedach. Z vyhodnotenia výsledkov parametrických simulácií vyplynulo niekoľko poznatkov:

• prirodzené vetranie pri intenzite výmeny vzduchu 3,5 až 4,0 1/h počas dňa, keď sú triedy obsadené, pomáha udržiavať teplotu vnútorného vzduchu v analyzovanej zóne na úrovni 20 až 24 °C v súlade s vyhláškou MZ SR č. 259/2008 Z. z. pri analyzovaných klimatických údajoch. Akumulačná schopnosť stavebných konštrukcií a vnútorné tepelné zisky predovšetkým od ľudí (žiakov) sa výrazne podieľajú na udržiavaní vnútornej teploty počas intenzívneho prirodzeného vetrania, keď je výmena vzduchu nad 4,5 1/h;
• vplyv vzduchovej priepustnosti nie je nezanedbateľný ani pri budove školy, na ktorej sa vykonala významná obnova. Výmena vzduchu, ako sa preukázalo metódou Blower door test v súlade s STN EN 13829 a aj na základe výsledkov parametrických simulácii, nie je postačujúca nato, aby sa nasledujúci vyučovací deň v triede nezvyšovala koncentrácia CO₂ v porovnaní s koncentráciou CO₂ v exteriéri. Namerané hodnoty koncentrácie CO₂ boli vždy pod úrovňou 1 000 ppm, ale rýchly nárast koncentrácie CO₂ pri príchode žiakov do triedy bol jasne detegovaný už počas prvej vyučovacej hodiny.
• Analyzovaná hodnota sa preto považuje za nepostačujúcu; výnimkou z nameraných hodnôt bol prvý vyučovací deň, t. j. pondelok, keď sa analyzovala hodnota koncentrácie CO₂ v porovnaní s priemernou koncentráciou CO₂ počas analyzovaného týždňa 380 ppm. Každý ďalší vyučovací deň sa priemerná hodnota koncentrácie CO₂ v čase príchodu žiakov do tried zvyšovala. Z výsledkov meraní in-situ sa stanovila vzduchová priepustnosť podľa metódy Blower door test 1,51 1/h. Na základe výsledkov parametrických simulácií bola priemerná hodnota výmeny vzduchu v čase, keď neboli triedy obsadené žiakmi, a za podmienky zatvorenia všetkých okien 1,83 1/h;
• z analýzy stavu vnútorného prostredia na komunikačnej chodbe pred triedami vyplýva, že kvalita vnútorného prostredia preukázaná hodnotenými parametrami je výrazne lepšia ako vo všetkých triedach. Tieto hodnoty sa potvrdili počas celého vyučovacieho dňa;
• vo všetkých analyzovaných triedach sa výmena vzduchu zabezpečovala prirodzeným vetraním. Výmena vzduchu mala premenlivú hodnotu, ktorú ovplyvňoval počet otvorených okien v jednotlivých triedach. Z vyhodnotenia parametrických simulácií sa detegoval stúpajúci trend výmeny vzduchu v závislosti od veku žiakov.

Obr. 3 Grafy koncentrácie CO₂ a teploty vzduchu v triede 2. ročníka počas siedmich dní [10]

Priemerná výmena vzduchu v čase obsadenosti triedy bola:

• trieda 2. ročníka – n = 5,1 1/h,
• trieda 5. ročníka – n = 5,6 1/h,
• trieda 8. ročníka – n = 6,2 1/h;
• na základe parametrických simulácií jednotlivých zón vyhotovených v programe EnergyPlus [9] sa dá jednoznačne preukázať, že hodnota výmeny vzduchu n = 0,5 1/h uvažovaná vo výpočtoch energetickej hospodárnosti podľa STN 73 0540-2: 2012 je nepostačujúca na zabezpečenie vyhovujúceho vnútorného prostredia vo vzťahu ku koncentrácii CO₂. Vo vyhláške MZ SR č. 259/2008 Z. z. je uvedený príklad parametrov tepelno-vlhkostnej mikroklímy v priestoroch s osobitnými požiadavkami, kde je hodnota výmeny vzduchu v školách a predškolských zariadeniach (učebne) stanovená n = 3 až 8 1/h. Výsledky parametrických simulácií preukázali, že hodnota výmeny vzduchu n = 3 1/h je tiež nepostačujúca.

Obr. 4 Koncentrácia CO₂, počet a dĺžka otvorenia okien počas vyučovania v triede 2. ročníka [10]

Čo preukázalo meranie in-situ?

Úroveň výmeny vzduchu, ktorá vstupuje do výpočtu energetickej hospodárnosti budov základných škôl, je stanovená na základe STN 73 0540-2: 2012 [6]. Výpočtové metódy energetickej hospodárnosti budov zohľadňujú hodnotu výmeny vzduchu v triedach aspoň n = 0,5 1/h. Táto hodnota, ako sa preukázalo meraním in-situ vo všetkých triedach a ich následnou analýzou a aplikáciou v parametrických simuláciách v programe EnergyPlus, je nepostačujúca.

Preukázala sa potreba variability výmeny vzduchu v závislosti od obsadenosti triedy a produkcie CO₂ ako hlavného indikátora kvality vzduchu. Výmenu vzduchu postačujúcu na zabezpečenie požadovanej kvality vnútorného prostredia je možné dosiahnuť aj intenzívnym prirodzeným vetraním. Tento spôsob vetrania je náročný na potrebu tepla na vykurovanie budov predovšetkým v zimnom období, čo je v rozpore s trendom znižovania potreby/spotreby energie na vykurovanie.

Literatúra

1. STN EN 15251: 2008: Vstupné údaje o vnútornom prostredí budov na navrhovanie a hodnotenie energetickej hospodárnosti budov – kvalita vzduchu, tepelný stav prostredia, osvetlenie a akustik, SÚTN.
2. Vyhláška č. 259/2008 Z. z. Ministerstva zdravotníctva Slovenskej republiky z 18. júna 2008 o podrobnostiach o požiadavkách na vnútorné prostredie budov a o minimálnych požiadavkách na byty nižšieho štandardu a na ubytovacie zariadenia.
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: Tepelnotechnické vlastnosti budov. Stanovenie vzduchovej priepustnosti budov. Metóda pretlaku pomocou ventilátora, SÚTN.
6. STN 73 0540-2: 2012: Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky, SÚTN.
7. STN EN 15242: 2007: Vetranie budov. Výpočtové metódy na stanovenie prietoku vzduchu v budovách vrátane infiltrácie, SÚTN.
8. SketchUp, Last Software z Boulder, Colorado, Bradom Schellom a Joem Eschom, 1999.
9. EnergyPlus simulačný program, US Department of Energy.
10. Javorček, M.: Analýza výmeny vzduchu v triedach budov základných škôl. Bratislava: STU v Bratislave, Stavebná fakulta, 2016. Dizertačná práca.

Text | IIng. Miroslav Javorček, prof. Ing. Zuzana Sternová, PhD., riaditeľka Technického a skúšobného ústavu stavebného, n. o.
OBRÁZKY | archív autorov

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.