Aktuální vydání

celé číslo

05

2021

Perspektivy automatizace, umělá inteligence v automatizaci; prostředky automatizace v době lockdownu
celé číslo

Kvalita prostředí v interiérech budov

Článek popisuje charakter vnitřního prostředí a jeho ovlivňování pobytem člověka. Dále se zabývá kvalitou vzduchu ve venkovním prostředí, včetně souvisejících problémů s emisemi a imisemi. Pro pobyt člověka v interiéru je z hygienických důvodů důležité větrání. Budovy ve standardu A (s nulovou spotřebou energie) a ve standardu B (nízkoenergetické budovy) vyžadují řízené větrání s rekuperací, aby byla zajištěna malá spotřeba tepelné energie při větrání. Řízené větrání s rekuperací se stává standardem i pro nové a rekonstruované domy, obzvláště pro inteligentní budovy. Řízené větrání minimalizuje spotřebu energie, ale současně zajišťuje správné funkce větrání. Vyžaduje ovšem řídicí systém s odpovídajícími snímači koncentrace emisí a imisí, výpočetní jednotkou a ovládacími prvky. Článek obsahuje moderní pohled na řešení této problematiky včetně propojení s jinými subsystémy inteligentních budov.

Klíčová slova: kvalita vzduchu interiéru, snímač koncentrace CO2, snímač VOC, systém řízení nuceného větrání, emise, imise 

The paper describes quality of indoor environment and human-staying influence of it. It deals with quality of air in outdoor environment, including questions of emission and pollutants. From hygienic reasons, an important technology for indoor human-staying is ventilation. Buildings according to standard A (with zero energy consumption) and according to standard B (with low energy consumption) need controlled air-ventilation with recovery to ensure low heat energy consumption during ventilation. Controlled air-ventilation with recovery becomes a standard for new buildings as well as for reconstructed houses, particularly for smart buildings. Controlled air-ventilation systems minimise energy consumption and ensure right operation of air-ventilation. However, they need control systems with appropriate sensors of emission and pollutant concentrations, processor unit and control elements. The article brings innovative view on solution of these challenges, including connection with other subsystems of smart buildings.

Keywords: quality of air indoor, sensor of concentration CO2, VOC sensor, forced air-ventilation control system, emissions, pollutants

1. Úvod

Příspěvek navazuje na článek [12] otištěný v čísle 4/2013 časopisu Automa. Rovněž se zabývá technikou prostředí v domech a lze jej považovat za volné pokračování seriálu o inteligentních budovách. Pojednává o kvalitě prostředí interiéru, tj. o kvalitě vzduchu a o jejím zajištění s minimálními ztrátami energie. 

2. Vnitřní prostředí interiérů

Inteligentní (chytré) domy lze z pohledu určení rozdělit na kategorie: rodinný dům, bytový dům, víceúčelová budova, výrobní budova. Charakter užívání může ovlivnit definice vnitřního prostředí a přístup k jeho ovlivňování. Požadavky na vnitřní prostředí jsou pro prostředí pobytové a pracovní dány ve vyhlášce č. 6/2003 Sb., kterou se stanovují hygienické limity chemických, fyzikálních a bio­logických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb, dále v tzv. stavební vyhlášce (vyhláš­ka č. 20/2012 Sb., kterou se mění vyhláška č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby), popř. v nařízení vlády 93/2012 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 361/2007 Sb., jímž se stanovují podmínky ochrany zdraví při práci, ve znění nařízení vlády č. 68/2010 Sb. Pro obytná prostředí není vydána žádná závazná právní úprava. Je jen vydána směrnice č. 1/2005 Odborné skupiny 04 (obytné prostředí) při Společnosti pro techniku prostředí s názvem Optimální a přípustné mikroklimatické podmínky pro obytné prostředí, popř. lze čerpat z [12] a [13]. Dále je pro obytné domy vydána norma ČSN EN 15 665/Z1 Větrání budov – Stanovení výkonových kritérií pro větrací systémy obytných budov, aktualizovaná změnou Z1 z roku 2011, která se však týká jen větrání.  

2.1 Ovlivňování vnitřního prostředí

Člověk, a vlastně všichni živočichové, potřebuje ke svému životu kyslík ze vzduchu bez škodlivých plynů nebo látek. V současnosti se ale lidskou činností (průmyslem, dopravou, energetikou) dostává do ovzduší mnoho emisí. Vnitřní prostředí v domech ovlivňuje člověk svou přítomností a charakterem své činnosti. Rozhodujícími faktory jsou počet přítomných osob, kouření, intenzita a frekvence vaření, úklidu, vytápění a dalších činností, ale i množství a druh rostlin či zvířat v domě. Mikroklima v budově závisí na teplotě vzduchu, jeho vlhkosti, ra­diační teplotě, proudění vzduchu v místnosti a výškovém gradientu teploty. Teplota vzduchu je ovlivňována především vytápěním (obvykle nastavením požadované teploty na panelu regulátoru vytápění), popř. klimatizací.

K vyjádření množství vodních par ve vzduchu je využíváno několik veličin: parciální tlak vodní páry, absolutní vlhkost vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, rosný bod a měrná vlhkost vzduchu ([8], [9]). Opti­mální hodnota relativní vlhkosti vzduchu je doporučena v rozsahu 35 až 50 %. Nad 55 % již mohou vznikat plísně. Vlhkost vnitřního prostředí závisí na vlhkosti vnějšího prostředí, kterou člověk nemůže ovlivnit (podle počasí je od 20 do 100 %), a dále na provozu domácnosti. Člověk dýcháním vydává 50 až 70 g/h vody, sušení 1 kg prádla produkuje 400 g/h vody, žehlení stejného množství prádla asi 200 g/h, vařením se obvykle uvolňuje 500 g/h, sprchováním 600 g/h, rostliny mohou do interiéru přispívat 50 g/h. Vlhkost lze regulovat klimatizací s řízením vlhkosti, vysušováním nebo vlhčením vzduchu.

Kvalitu vnitřního vzduchu dále negativně ovlivňuje např. koncentrace radonu nebo používání reaktivních látek z mycích a úklidových prostředků a tzv. osvěžovačů vzduchu. Výpočetní a kancelářská technika (kopírky a laserové tiskárny) generují ozon.  

3. Vnější prostředí

Kvalita vnějšího prostředí je ovlivněna především emisemi z průmyslu, energetiky, dopravy, topných systémů budov apod. Nejvýše přípustné hmotnostní koncentrace znečisťující látky obsažené v ovzduší se nazývají imisní limity. Jejich hodnoty uvádí zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší. Aktuální koncentrace se stanovují pro SO2, NO2, CO, O3, polétavý prach PM10, PM25 a benzen (BZN) a jsou přístupné na [6]. Hodnoty imisních limitů uvádí odkaz [7].

Vnější prostředí je infiltrací a větráním propojeno s pobytovým prostředím v budovách. Infiltrace je nekontrolovaný přestup plynů a je závislá na mnoha podmínkách. Ukazatelem prostupu vzduchu u dveří v budovách je součinitel spárové průvzdušnosti, který vyjadřuje objemový tok vzduchu v metrech krychlových za sekundu, který proudí délkou jednoho metru spárami oken a dveří při tlakovém rozdílu mezi oběma stranami konstrukce 1 Pa. Má rozměr m3·m–1·s–1·Pa–0,67, tj. po vykrácení m2·s–1·Pa–0,67. U netěsného dřevěného jednoduchého okna je průvzdušnost i = 1,9·10–4 m2·s–1·Pa–0,67, u těsných oken její hodnota klesá na i = 0,1·10–4 m2·s–1·Pa–0,67. Dalším prvkem vstupujícím do těchto procesů je vzduchotěsnost stavby, tzv. celková průvzdušnost obvodového pláště budovy. Stanovuje ji norma jako hodnotu n50 (h–1) celkové intenzity výměny vzduchu při tlakovém rozdílu 50 Pa. Čím menší je tato hodnota, tím je větší vzduchotěsnost stavby. Pro pasivní dům s nuceným větráním s rekuperací tepla je hraniční hodnota n50 = 0,6 h–1. Za jednu hodinu se tedy v budově nesmí vyměnit více vzduchu než 60 % celkového objemu budovy. 

4. Řízení kvality vzduchu v interiéru

Kvalita vzduchu ve vnitřním prostředí je v běžných podmínkách zajišťována větráním, tj. výměnou vnitřního vzduchu za venkovní. Větrání budov může být přirozené nebo nucené. Cílem větrání je zajistit vhodné složení vzduchu s koncentracemi škodlivých komponent pod limity danými hygienickými předpisy. Přirozeně se větrá otevíráním (ručním nebo automatickým) výplní otvorů (oken, dveří) na určitou dobu. Větrání je ovlivňováno subjektivními pocity a zvyklostmi lidí v interiéru. Tento způsob je nekontrolovatelný z pohledu kvality vzduchu a spotřeby energie (v zimním i letním období). Nucená výměna vzduchu v interiéru je zajišťována vzduchotechnickými zařízeními ([10], [11]). Je to moderní řešení nezbytné pro nízkoenergetické a pasivní domy. Také v nových domech, zejména v inteligentních, se stává běžným vybavením. Vzduch se vyměňuje v nastavených časových intervalech nebo podle změřených hodnot vlhkosti, koncentrace CO2, VOC (Volatile Organic Compound) nebo jiných měřených veličin (např. kouře). Algoritmus pro sekvenční řízení podle času zajišťuje např. minimálně výměnu 50 % objemu větraného prostoru každou hodinu nebo 25 m3/h pro každou osobu. Při tomto nuceném větrání je dodržována také maximální rychlost odsávání (velikost průvanu). Obvyklé maximum je 0,2 m/s v zimě a 0,25 m/s v letních měsících. Při nucené výměně může být přicházející vzduch upravován, např. ohříván, ochlazován, zvlhčován nebo vysoušen. Výhodné je zpětné získávání tepla či chladu z výstupního vzduchu a jeho předávání vstupnímu vzduchu – rekuperace. 

4.1 Měření kvality vzduchu

Pro to, aby bylo možné kvalitu vzduchu ovlivňovat, je nutné ji měřit – stanovit koncentrace základních a nebezpečných plynů ve vzduchu. Při běžném užívání interiéru roste koncentrace CO2, směsí těkavých uhlovodíků VOC, popř. i vlhkost vzduchu. Užíváním interiéru mohou vznikat také imise plynů, které mohou způsobovat závažné zdravotní problémy (např. přítomnost CO) nebo i velkou havárii či výbuch (únik zemního plynu).

Koncentrace CO2 ve směsi vzduchu v interiéru se nejpřesněji měří senzory na principu absorpce infračerveného (IR) elektromagnetického záření. K měření těkavých uhlovodíků VOC se používají senzory na principu ultrafialové (UV) fotoionizace, popř. polovodičové senzory. Ultrafialová fotoionizace je moderní a rozvíjející se měřicí princip. Smrtelně jedovatý CO může vznikat při nedokonalém spalování biomasy či zemního plynu nebo jiných fosilních paliv v budově. Základním senzorem signalizujícím přítomnost CO je senzor na principu katalytického spalování, nazývaný pelistor. Koncentrace hořlavých a výbušných plynů, v bytových prostorách rostoucí nejčastěji při úniku zemního plynu, se také měří senzory na principu katalytického spalování nebo absorpce IR záření. Kritická hodnota koncentrace je uváděna jako údaj meze výbušnosti. 

4.2 Systém řízení kvality vzduchu

Schéma možného provedení systému řízení kvality vzduchu je na obr. 1. Systém obsahuje jednotku s rekuperací, popř. s úpravou vzduchu, odsávací potrubí z prostředí, vstupní potrubí nového vzduchu do interiéru, vnější výstupní a vstupní otvory a systém řízení kvality se snímači, centrální jednotkou a ovládacími prvky. Vstupem do centrální jednotky jsou signály ze snímačů – počet instalovaných snímačů odpovídá stupni automatizace. Obecně jsou to snímače pro měření teploty: Ta – teplota vstupujícího vzduchu v přiváděcím potrubí z jednotky rekuperace, Ti – teplota vzduchu interiéru, Te – teplota vnějšího prostředí, Td – rozdíl teploty odsávaného a přiváděného vzduchu, dále snímače pro měření koncentrace těkavých plynů (VOC), CO2 a CO, pro měření rozdílu tlaku v potrubí rekuperátoru (snímač pd), časovací jednotka K apod. Výstupem centrální jednotky jsou řídicí signály pro ovládání elektrického ohřevu, otáček motorů ventilátorů a čerpadel, průtoku topné nebo chladicí vody v potrubí, pohybu žaluzií a úpravu vlhkosti. Centrální jednotka obsahuje komunikační rozhraní pro sériovou sběrnici a lokální komunikaci (LAN). Její součástí je i aplikační programové vybavení.

Celý systém řízení kvality vzduchu v interiéru obsahuje velké množství prvků, a proto je jeho významnou částí propojení centrální jednotky a vstupních a výstupních přístrojů. Možné je paralelní připojení, kdy je každé periferní zařízení individuálně připojeno k vstupní nebo výstupní svorce centrální jednotky, ale výhodnější je sériové připojení vhodnou sběrnicí (např. USB, KNX/EIB, LonWorks nebo jinou standardní či proprietární sběrnicí), popř. bezdrátově rádiovým přenosem. Měřené údaje mohou být navíc využívány pro signalizaci nebo pro vyhlášení výstrahy. Schéma možného řešení je na obr. 2. V první řadě je to přenos dat nižší úrovně, obvykle sériovou komunikací prostřednictvím vhodné sběrnice nebo bezdrátově. Toto propojení je místní, v rámci budovy, mezi centrálními jednotkami (A01, A02, A03) subsystémů, např. pro vytápění či zabezpečení. Výhodné je použít lokální propojení ethernetovým kabelem nebo bezdrátově sítí WLAN, protože potom je možné tutéž síť použít i pro připojení výpočetní techniky v domě (A21, A22). Data jsou mimo budovu (např. k pultu centrální ochrany) přenášena prostřednictvím sítě Internet nebo GSM. Významným prvkem je výpočetní jednotka, tzv. hlavní server inteligentní budovy (A11). Tato jednotka může být napojena na směrovač (router) (A12) a jeho prostřednictvím do internetu, přes bránu GSM (A13) na síť mobilních telefonů nebo proprietární komunikační bránou (A14) na pult centralizované ochrany PCO.  

5. Technologie nuceného větrání, rekuperace a úpravy vzduchu

Technologie systému nuceného větrání je soubor zařízení pro výstup a vstup vzduchu, pro rekuperaci tepla nebo chladu, popř. pro úpravu vlhkosti a prašnosti vstupního vzduchu. Zařízení rekuperace tepla je zpravidla tvořeno protiproudým kanálovým výměníkem, který umožňuje předávání tepla mezi protisměrnými proudy vzduchu. Stykové plochy výměníku potřebné velikosti jsou z materiálu, který zaručuje maximální přenos tepla. Rekuperační výměníky dosahují účinnosti přibližně 70 %, existují i výměníky s účinností až 90 %. Rekuperace výrazně spoří teplo a je základem moderních budov třídy B nebo A. Současně je tak splněna i hygienická podmínka na kvalitu vzduchu v interiéru.

Do kategorie řízení kvality vzduchu v interiérech se řadí také systémy centrálního vysávání. Hlavní částí takového systému je sací jednotka s odlučovačem prachu, která je umístěna mimo obytnou část domu, dále potrubní systém rozvedený po celém domě a ukončený ve vhodných místech pobytového prostoru. Výfukové potrubí směřuje z budovy. Předností systému je výrazné snížení nebezpečné prašnosti a udržování koncentrace prachu pod limitními hodnotami. 

6. Závěr

Účinné větrání je prostředkem k zajištění kvalitního prostředí, které je pro pobyt člověka v interiéru zásadní z hygienických důvodů, ale i pro zajištění potřebného komfortu obývání nebo pracovní výkonnosti. Je požíváno zejména v moderně řešených a inteligentně řízených budovách. V úsporných budovách standardu A (s nulovou spotřebou energie) a standardu B (nízkoenergetických budovách) je nezbytností. Pro minimalizaci tepelných ztrát je nutné používat řízené větrání s rekuperací. Řízené větrání je vhodné začlenit do integrovaného systému řízení budovy – jedině tak může správně plnit své funkce při minimální spotřebě energie. Významné místo v systému řízení větrání mají snímače koncentrace emisí a imisí. Řídicí systém budovy realizuje i komunikační propojení s jinými subsystémy inteligentních budov a s okolím. 

Literatura:

[1]   VALEŠ, M.: Inteligentní dům. 2. vydání. Era, Brno, 2008, 123 s., ISBN 978-80-7366-137-3.

[2]   –: Futuristic Smart House by Sekisui House. Diginfonews, 2011. Dostupné z <www.youtube.com/watch?v=JfdzBHfL9UU> [cit. 2011-03-02].

[3]   Stakohome Network: Inteligentní byt – výhody. Webová prezentace firmy, 2011. Dostupné z <www.inteligentni-byt.cz/vyhody> [cit. 2011-03-02].

[4]   Siemens: Bezplatná aplikace společnosti Siemens – sledování zabezpečovacích systémů odkudkoliv. Tisková zpráva, 2012. Dostupné z <www.siemens.cz/siemjetstorage/files/62685_120504$TZ_SPC­anywhere$Apple_CZ.doc> [cit. 2011-03-02].

[5]   ECF elektrocentrum fabrik: IQ Inteligentní domy. Webová prezentace firmy. Datum vzniku dokumentu neuveden. Dostupné z <www.inteligentni-domy.cz> [cit. 2011-03-02].

[6]   Český hydrometeorologický ústav: Aktuál­ní situace – stav ovzduší. Dostupné z <www.chmi.cz/portal/dt?portal_lang=cs&menu=JSPTabContainer/P10_0_Aktualni_situace/P10_3_Ovzdusi&last=false> [cit. 2011-03-02].

[7]   Imisní limity podle zákona 201/2012 Sb. Dostupné <www.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/isko/info/limity_CZ.html> [cit. 2011-03-02].

[8]   KLÁNOVÁ, K.: Výskyt plísní v nedostatečně větraných místnostech domů s novými okny. Tepelná ochrana budov, 2009, roč. 12, č. 6, s. 34–36, ISSN 1213-0907.

[9]   HRUŠKA, F. Zařízení pro indikaci vzniku plísní v interiérech. Užitný vzor č. CZ 23421 U1, 20. 2. 2012.

[10] MERZ, H. – HANSEMANN, Th. – HÜBNER, Ch.: Automatizované systémy budov: sdělovací systémy KNX/EIB, LON a BACnet /. 1. vydání. Grada, Praha, 2008, 261 s., ISBN 978-80-247-2367-9.

[11] HRUŠKA, F.: Technické prostředky integrované automatizace. Učební texty. UTB ve Zlíně, 2012, 345 s., ISBN 978-80-7454-234-3.

[12] HRUŠKA F.: Tepelná pohoda a inteligentní dům. Automa, 2013, roč. 19, s. 14–16, ISSN 1210-9592.

[13] kol.: Vnitřní prostředí budov. ČKAIT, Praha, 2001, ISBN 80-7293-023-0.

 

doc. Ing. František Hruška, Ph.D., Fakulta aplikované informatiky,

Univerzita Tomáše Bati Zlín (hruska@fai.utb.cz)

Lektoroval: Ing. Ladislav Šmejkal, CSc.


Obr. 1. Technologické schéma systému úpravy kvality vzduchu v budově

Obr. 2. Schéma informačního systému inteligentní budovy