Kvalita vnútorného prostredia a intenzita vetrania v knižnici SvF STU

Mimoriadne navštevované centrum si vyžaduje aj udržanie vysokej kvality vnútorného prostredia. V decembri, keď sú priestory Knižničného a informačného centra (KIC) počas roka najviac vyťažené, sa uskutočnili merania parametrov kvality vnútorného prostredia, ktoré zahŕňali okrem dlhodobých objektívnych meraní aj subjektívne hodnotenie kvality vnútorného prostredia, hodnotenie rizika prievanu pri prevádzke núteného vetrania a merania intenzity vetrania pomocou stopovacieho plynu.

V súčasnosti študuje v bakalárskych, inžinierskych a doktorandských programoch Stavebnej fakulty STU v Bratislave niekoľko tisíc študentov. Knižničné a informačné centrum (KIC), ktoré funguje v priestoroch fakulty, poskytuje tomuto množstvu študentov voľný prístup k odbornej literatúre, publikáciám, technickým normám a predpisom a priestor na individuálne štúdium a prípravu. KIC je teda obľúbeným a mimoriadne vyťaženým pracoviskom, ktoré mesačne zaznamená v priemere viac ako 2 500 vstupov. Počas dvoch týždňov v decembri 2014, keď sa uskutočnili merania prezentované v tomto príspevku, sa zaznamenalo dokonca viac ako 5 200 vstupov.

Pri vysokom počte návštevníkov a charaktere činnosti vykonávanej v KIC vzniká prirodzene aj silná požiadavka na dosiahnutie a udržanie vysokej kvality vnútorného prostredia, čo však môže byť – najmä pri takmer 100-percentnej celodennej obsadenosti – náročné. Na zdokumentovanie stavu vnútorného prostredia sa v decembri, keď sú priestory KIC počas roka najviac vyťažené, uskutočnili merania parametrov kvality vnútorného prostredia, ktoré zahŕňali okrem dlhodobých objektívnych meraní aj subjektívne hodnotenie kvality vnútorného prostredia pomocou dotazníkov, hodnotenie rizika prievanu pri prevádzke núteného vetrania – vzduchotechniky a merania intenzity vetrania pomocou stopovacieho plynu. Merania môžu slúžiť ako podklad na ďalšie skvalitňovanie prostredia pre študentov, ako aj personál KIC.

Knižničné a informačné centrum

KIC sa nachádza v bloku B Stavebnej fakulty STU na treťom nadzemnom podlaží (obr. 1). Koncipované je v dvoch výškových úrovniach, poskytuje až 190 miest na sedenie a ročne ho navštívi až okolo 35 000 študentov. Priestor sa vykuruje konvekčnými vykurovacími telesami, ktoré sú umiestnené pod oknami na 1. podlaží. Vetrá sa prevažne prirodzeným spôsobom, infiltráciou cez netesnosti v obvodovom plášti, resp. otvorením okien, je tu však inštalované aj vzduchotechnické zariadenie, ktoré možno potenciálne využiť na vetranie, resp. chladenie priestorov.

Obr. 1 Priestory Knižničného a informačného centra

Dlhodobé merania kvality vnútorného prostredia

V období od 2. 12. do 18. 12. 2014 prebiehali dlhodobé merania parametrov kvality vnútorného prostredia. Toto obdobie je v KIC z dôvodu končiaceho zimného semestra jedným z najvyťaženejších v roku a kapacita KIC je takmer po celý deň naplnená. Monitorovanými parametrami boli relatívna vlhkosť RH (%), teplota vnútorného vzduchu (°C) a koncentrácia CO₂ (ppm), ktoré sa zaznamenávali pomocou šiestich snímačov – päť z nich bolo rozmiestnených v priestoroch KIC a jeden na parapete v exteriéri.

Hodnotiace kritériá

Vnútorné prostredie sa hodnotilo na základe požiadaviek uvedených vo vyhláške MZSR č. 259/2008 Z. z. a v STN EN 15251. Podľa vyhlášky MZSR č. 259/2008 Z. z. je prípustný rozsah operatívnej teploty v chladnom období 18 až 26 °C, prípustný rozsah relatívnej vlhkosti 30 až 70 %. Prípustná úroveň koncentrácie CO₂ sa v tejto vyhláške neuvádza, uvádza sa len požiadavka na násobnosť výmeny vzduchu v priestore.

Pri hodnotení podľa STN EN 15251 sa počítalo s kategóriou II vnútorného prostredia, ktorá predstavuje normálnu úroveň očakávania kvality vnútorného prostredia  pri nových a rekonštruovaných budovách. Požiadavky na  operatívnu  teplotu v miestnosti, úroveň koncentrácie CO₂ a relatívnu vlhkosť sú uvedené v tab. 1. Odporúča sa relatívna vlhkosť medzi 30 až 70 %, pričom nad úrovňou 70 % možno očakávať zvýšené riziko rastu mikroorganizmov a plesní a, naopak, pod hranicou 30 % možno predpokladať zvýšené riziko podráždenia očí a slizníc.   

Hodnotenie vnútorného prostredia

Na účel hodnotenia sa použili len filtrované údaje namerané počas pracovných dní a otváracích hodín Knižničného a informačného centra. Časový priebeh teploty vzduchu (ktorú možno v tomto prípade zjednodušene považovať za operatívnu teplotu) je v grafe na obr. 2. Teplota vonkajšieho vzduchu sa počas celého času merania pohybovala medzi 0 a 10 °C. Teplota vzduchu, ako aj relatívna vlhkosť v KIC vyhovovali počas sledovaného obdobia požiadavkám vyhlášky MZSR č. 259/2008 Z. z., hoci treba poznamenať, že spodná hranica 18 °C je veľmi nízka a vzduch s takouto nízkou teplotou by pravdepodobne viedol k tepelnej nepohode.

Časový priebeh koncentrácie CO₂ počas sledovaného obdobia je v grafe na obr. 3.

Na základe nameraných údajov možno určiť, koľko percent času zo sledovaného časového obdobia zodpovedalo kvalite vzduchu podľa požiadaviek jednotlivých kategórií vnútorného prostredia uvedených v STN EN 15251 (graf na obr. 4). Stĺpce v zelenom rámiku ukazujú percento času, počas ktorého zodpovedali parametre vnútorného prostredia kategórii II alebo vyššej.

Merania preukázali, že z hľadiska teploty vzduchu vnútorné prostredie vyhovovalo 93,5 % času, lokálne sa však zhoršené výsledky zistili v oblasti vnútorného parapetu okien na prízemí KIC,  kde bola teplota oproti zvyšným snímačom nižšia (graf na obr. 2). Relatívna vlhkosť spĺňala dokonca nadštandardné parametre kategórie I takmer 100 % času. Na druhej strane, prejavila sa znížená kvalita vzduchu v dôsledku vysokej obsadenosti priestoru reprezentovaná vysokou koncentráciou CO₂, ktorá bola počas 84 % sledovaného časového obdobia horšia, ako požaduje norma. Treba poznamenať, že táto situácia sa vzťahuje na obdobie, keď je KIC naplno vyťažené, a tento výsledok neodráža typický stav počas školského roka, keď je situácia priaznivejšia.

Riziko prievanu

Na základe meraní vykazujúcich riziko zvýšenej koncentrácie CO₂ pri plnom obsadení sa pristúpilo k prevereniu možnosti využitia núteného vetrania pomocou vzduchotechniky. Po uvedení vzduchotechniky do prevádzky sa testovalo najmä to, či pri jej činnosti nedochádza k zvýšeniu rizika lokálnej nepohody v dôsledku prievanu. Meranie sa uskutočnilo 28. 1. 2015 v dopoludňajších hodinách a  vyhodnotenie sa vykonalo podľa metodiky uvedenej v STN EN ISO 7730 s použitím tohto vzťahu:

DR = (34 – ta,i) (va,i – 0,05)0,62(0,37 . va,i . Tu + 3,14)    (%)
    (1)

kde    DR    je    riziko lokálnej tepelnej nepohody v dôsledku prievanu (%),
    ta,i    –    lokálna teplota vzduchu (°C),
    va,i    –    lokálna rýchlosť prúdenia vzduchu (m/s),
    Tu    –    lokálna veľkosť turbulencie pri prúdení vzduchu (%).

Päť meracích stanovíšť bolo rovnomerne rozložených v priestore KIC so zameraním najmä na potenciálne rizikové pozície (obr. 5). Na každom stanovišti sa v úrovni členkov vo výške 0,1 m a vo výške 1,1 m merala teplota vzduchu, rýchlosť prúdenia  vzduchu a jej štandardná odchýlka.
Celkovo prebehlo 10 meraní, pričom v 3 prípadoch sa zistilo zvýšené riziko lokálnej nepohody spôsobenej prievanom. Všetky prípady súviseli s blízkosťou vetracej výustky.

Možno teda konštatovať, že zvýšené riziko prievanu môže hroziť v prípade, ak sa osoba nachádza priamo pod vetracou výustkou, prípadne v niektorých prípadoch v blízkosti výustky. Na ďalších miestach v KIC bolo riziko prievanu v norme. Ak sa namerané rýchlosti prúdenia vzduchu porovnajú s hodnotou 0,2 m/s odporúčanou vo vyhláške MZSR č. 259/2008 Z. z., možno za rizikové považovať len stanovište 4, kde sa v oblasti členkov namerala rýchlosť 0,33 m/s. Riziko prievanu by sa dalo zmierniť zvýšením teploty vzduchu privádzaného do miestnosti, resp. znížením prietoku vzduchu z výustiek a tým aj rýchlosti prúdenia vzduchu.

Subjektívne hodnotenie kvality vnútorného prostredia

V období meraní prebiehajúcich od 3. 12. do 17. 12. 2014 sa návštevníkom KIC rozdávali dotazníky, v ktorých boli študenti požiadaní o subjektívne hodnotenie spokojnosti s vnútorným prostredím. Priestor KIC bol na tento účel rozčlenený na 5 funkčných zón a respondenti mali odpovedať na otázky týkajúce sa pocitu spokojnosti s faktormi vnútorného prostredia – tepelnou pohodou, osvetlením, hlukom, lokálnou tepelnou nepohodou predstavujúcou pocit prievanu a kvalitou vzduchu v priestore (obr. 6). Celkovo sa zozbieralo 1 473 vyplnených dotazníkov.

Z celkového vyhodnotenia všetkých zozbieraných dotazníkov bola na otázku „Ako ste vnímali teplotu v miestnosti?“ a „Ako ste vnímali kvalitu vzduchu?“ pri hodnotení v rozmedzí od 0 do 100 (0 najhoršie, 100 najlepšie) mediánová hodnota na úrovni 70  (tzn. 50 % odpovedí bolo nižších alebo rovnakých ako táto hodnota a 50 % odpovedí bolo vyšších). Výsledky zobrazuje graf na obr. 7.

Pri otázkach s jasne formulovanými odpoveďami sa vyhodnotil percentuálny podiel jednotlivých odpovedí na každú otázku (tab. 2). Z výsledkov vyplýva, že približne štvrtina študentov zapojených do prieskumu by si teplotu v KIC želala zvýšiť a rovnako takmer štvrtina respondentov cítila počas svojho pobytu v KIC prievan. Tieto problémy možno pravdepodobne z veľkej časti prisúdiť otváraniu okien v dôsledku zníženej kvality vzduchu v čase najväčšieho náporu študentov. Výsledky ohľadne osvetlenia možno vnímať pozitívne. Pomerná hlučnosť je logickým dôsledkom pobytu v plne obsadenom otvorenom priestore a je typickým znakom všetkých otvorených priestorov tohto typu, no nemusí byť vnímaná striktne negatívne, pretože vyjadruje potrebu a slobodnú možnosť konzultácií študentov so svojimi kolegami.

Intenzita vetrania

Intenzita vetrania udáva, koľkokrát sa vnútorný vzduch v priestore vymení za čerstvý vonkajší vzduch, má teda jednotku 1/h. Ak je napríklad intenzita vetrania 2 1/h, znamená to, že počas jednej hodiny sa vzduch v priestore vymení 2-krát. Intenzita vetrania v KIC sa zistila nepriamo pomocou metódy klesajúcej koncentrácie CO₂ počas večera a noci, keď bolo KIC zatvorené. Výsledky intenzity vetrania sa teda vzťahujú na situáciu, keď sú všetky dvere aj okná zatvorené.

Metodika výpočtu

Násobnosť výmeny vzduchu sa zistila pomocou vyhodnotenia priebehu koncentrácie CO₂, pričom hladina CO₂ sa počas dňa zvýšila vplyvom metabolickej aktivity návštevníkov a po zatvorení KIC počas noci postupne klesala. Pri tomto výpočte sa sledoval pokles koncentrácie stopovacieho plynu (CO₂) v čase od 19:00 do 6:00 nasledujúceho rána (graf na obr. 8), keď sa predpokladala neprítomnosť vnútorných zdrojov CO₂. Dvere do okolitých miestností boli zavreté a prípadná výmena vzduchu medzi týmito priestormi bola zanedbateľná, predpokladala sa len výmena medzi vonkajším prostredím netesnosťami v konštrukcii.

Výpočet intenzity vetrania vychádza z rovnice rovnováhy hmoty stopovacieho plynu (CO₂). Vhodnou úpravou možno základnú rovnicu upraviť na tvar:

C(t) = (C0 – Ca) . e(-λ . t) + Ca     (2)

kde    C(t)    je    koncentrácia stopovacieho plynu (CO₂) v čase t (kg/m³),
    Co    –    koncentrácia stopovacieho plynu (CO₂) na začiatku merania (kg/m³),
    Ca    –    koncentrácia stopovacieho plynu (CO₂) v exteriéri (kg/m³),
    λ    –    intenzita vetrania (1/h),
    t    –    čas (h).
Pri tomto spôsobe výpočtu sa vypočíta krivka predpokladaného priebehu koncentrácie CO₂, pričom intenzita vetrania λ sa určí iteratívne tak, aby vypočítaná krivka čo najlepšie zodpovedala nameranej krivke (graf na obr. 9).

Rovnicu (2) možno upraviť do logaritmického tvaru:

ln (C(t) – Ca) = ln (C0 – Ca) – λ . t    (3)

Pri tomto spôsobe je priebeh nameranej koncentrácie CO₂ lineárny a pomocou metódy najmenších štvorcov sa nameranými údajmi preloží krivka. Na základe rovnice tejto krivky možno priamo vypočítať intenzitu vetrania. Na výpočet nižšie uvedených hodnôt intenzity vetrania sa použil logaritmický tvar, teda rovnica 3.

Hodnotiace kritériá

Kritériá na intenzitu vetrania sa výrazne líšia v závislosti od zvoleného spôsobu hodnotenia. Vyhláška MZSR č. 259/2008 Z. z. určuje pre študovne 3- až 6-násobnú výmenu vzduchu za hodinu, pričom sa nezohľadňuje obsadenosť priestoru. Norma STN EN 15251-2 vychádza z dávky vzduchu na osobu, resp. na m² podlahovej plochy priestoru. Požadovaná výmena vzduchu vypočítaná z dávky vzduchu na osobu je 0,8-krát za hodinu pri obsadenosti 30 %, 1,6-krát za hodinu pri obsadenosti 60 % a 2,6-krát za hodinu pri obsadenosti 100 %.

Intenzita vetrania v KIC

Intenzita vetrania pri zatvorených oknách je pomerne nízka v dôsledku relatívne veľkého objemu priestoru a pomerne tesných otvorových konštrukcií, cez ktoré sa infiltruje vzduch do priestoru (graf na obr. 10). Chybové úsečky v tomto grafe predstavujú neistotu merania vplyvom rozptylu nameraných údajov, zároveň sa bralo do úvahy aj nedokonalé premiešanie vzduchu v KIC, čo mohlo viesť k miernemu skresleniu údajov. Priemerná intenzita vetrania počas celého hodnoteného obdobia od 1. 12. do 18. 12. 2014 bola 0,112 ± 0,04 1/h, čo je menej, ako sa odporúča vo vyhláške MZSR č. 259/2008 Z. z. či v STN EN 15251-2. Tento výsledok zodpovedá podmienkam pri zatvorených oknách a dverách, počas dňa však možno intenzitu vetrania zvýšiť otvorením okien a dverí. Pri vyššej obsadenosti by mohlo byť vhodnejším riešením nútené vetranie.  

Záver

Pre študentov Stavebnej fakulty STU je dnes KIC neodmysliteľnou súčasťou ich štúdia. Dotazníkový prieskum ukázal, že ho vo veľkej miere využívajú a vážia si možnosti, ktoré ponúka, čo bolo jasne badateľné najmä z mnohých pozitívnych komentárov na adresu KIC a jeho ochotného personálu. Práve pre svoju obľúbenosť a časté využívanie jeho kapacity sa najmä v kritických týždňoch končiaceho zimného semestra môže prejaviť zníženie kvality vzduchu v dôsledku vysokej obsadenosti. Vzhľadom na to, že intenzita vetrania je pri zatvorených oknách pomerne nízka, riešia študenti problém so zníženou kvalitou vzduchu obvykle otvorením okien, čo však najmä v zime môže viesť k lokálnemu zníženiu teploty vzduchu a k lokálnej tepelnej nepohode v dôsledku prievanu. Pomôcť by mohlo častejšie využívanie systému vzduchotechniky, avšak za predpokladu, že sa tento systém nastaví tak, aby sa na všetkých študijných miestach predišlo riziku nepohody.

Článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt: Kompetenčné centrum inteligentných technológií pre elektronizáciu a informatizáciu systémov a služieb, ITMS: 26240220072 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra
1.    Vyhláška Ministerstva zdravotníctva SR č. 259/2008 Z. z. o podrobnostiach o požiadavkách na vnútorné prostredie budov a o minimálnych požiadavkách na byty nižšieho štandardu a na ubytovacie zariadenia.
2.    STN EN 15251 Vstupné údaje o vnútornom prostredí budov na navrhovanie a hodnotenie energetickej hospodárnosti budov – kvalita vzduchu, tepelný stav prostredia, osvetlenie a akustika.
3.    STN EN ISO 7730 Ergonómia tepelného prostredia. Analytické určovanie a interpretácia tepelnej pohody pomocou výpočtu ukazovateľov PMV a PPD a kritérií miestnej tepelnej pohody.
4.    KRAJČÍK, M. – PETRÁŠ, D.: Systém monitorovania a riadenia vnútorného prostredia pre optimalizáciu spotreby energie. In: Transfer. Roč. 6, č. 1 (2014), s. 13 – 15.
5.    KRAJČÍK, M. – PETRÁŠ, D. – BEZÁK, J.: System to monitor and control indoor environment for energy consumption optimization – a pilot study in a school building. In: INDOOR AIR 2014: proceedings of the 13th International Conference on Indoor Air Quality and Climate, Hong Kong, China, 7. – 12. 7. 2014. The University of Hong Kong, 2014, p. 205 – 212.
6.    KRAJČÍK, M. – PETRÁŠ, D.: Indoor Environment in Spaces with Radiant / Convective Heating System and Natural Ventilation. In: E-NOVA 2014: Internationaler Kongress. Nachhaltige Gebäude. Leykam Buchverlagsgesellschaft m.b.H. Nfg. & Co KG, 2014, s. 55 – 61.

Foto a obrázky: autori

Bc. Lucia Hrčková, Ing. Michal Krajčík, PhD.
Autori pôsobia na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.
Recenzovala: Ing. Jana Šabíková, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.