Vydýchaný vzduch v miestnosti a správne vetranie

Kedysi prevládali myšlienky, že vetranie je potrebné hlavne preto, aby v zime v zateplených domoch s tesnými oknami nevlhli steny, netvorila sa pleseň atď. Dnes je hlavným zmysel vetrania to, aby ľudia vo vnútri budov dýchali kvalitný čerstvý vzduch.

Vetranie je dôležitejšie než zateplenie

Uvedená hladina CO₂ na úrovni 400 ppmv je pre človeka vhodná, ak nie ideálna. Sú to cca podmienky, za ktorých kedysi dávno človek vznikol. Zo skúsenosti ďalej vieme, že hladina 700 ppmv CO₂ je zdravotne prijateľná. Avšak od úrovne 1000 ppm CO₂ vyššie už niektoré krajiny, na čele s USA, regulujú dĺžku pobytu.

Slovenský stavebný zákon výslovne uprednostňuje zdravie pred tepelnou ochranou, je na ňom ale vidieť, že ho písali a schvaľovali ľudia, ktorí si neuvedomovali dôležitosť čerstvého vzduchu. Keď sa v budovách s novými oknami a dverami nevetrá, zvyšuje sa tu (vedľa pary) predovšetkým množstvo CO₂. Vydýchaný vzduch býva často stotožňovaný s nedostatkom kyslíka, čo nie je presný popis problému. Kyslíka je aj vo vydýchanom vzduchu dosť, ale naše pľúca ho už nedokážu spracovať.

Množstvo CO2 a informácie o vydýchanom vzduchu na meradle

Príklad: Vydychovaný vzduch obsahuje asi 40 000 ppmv CO₂, teda 40 objemových tisícin. Aj tento vzduch stále obsahuje dosť kyslíka, ale ako bolo uvedené, pre nás nedýchateľného: nadychovanie vzduchu, ktorý sami vydychujeme, vedie k vždy uduseniu.

Pri polovičnom obsahu, asi 20 000 ppmv CO₂, ešte stále dýchame, napriek tomu hrozí smrť udusením - telo pracuje na kyslíkový dlh. To platí v podstate až do koncentrácie asi 5 tis. ppmv CO2, kedy americká zdravotná norma ASHRAE odporúča len obmedzený pobyt do 8 hodín. Akceptovateľná hranica podľa tejto normy je 1000 ppmv CO₂, odporúčaná do 700 ppmv.

A aká je prax? Meranie obsahu CO₂ na našich zateplených ZŠ (písal sa rok 2016, meranie prebehlo na ZŠ v Čechách) ukázalo miestami hodnoty nad 6 tis. ppmv CO₂. Dlhodobý pobyt v takomto prostredí je už celkom vážnym problémom. Telo nespaľuje cukry, pomaly stráca samočistiacu a samoliečebnú schopnosť. To - umocnené zlým pitným a stravovacím režimom a lenivým životom na gauči - vedie k tzv. nevyliečiteľným a civilizačným chorobám.

Pritom zdravotne správna výmena vzduchu vetraním väčšinu ľudí ohromí svojou kvantitou, ktorú si čitateľ môže sám stanoviť pomocou nasledujúceho jedinečného výpočtu:

Výpočet: VETRANIE V BYTE A DOME

V domácich podmienkach, v kanceláriách či v školách možno koncentráciu CO₂ merať napríklad Monitorom CO₂ od spoločnosti Airflow. Na tomto prístroji je súčasne meraná a indikovaná aj hodnota relatívnej vlhkosti a teploty.

Vetranie podľa počtu osôb a ich aktivít

Aby mal človek pocit, že dýcha čerstvý vzduch, obsah oxidu uhličitého musí byť menší než 700 ppmv. K tomu ale musí adekvátne vetrať. Tento článok ukazuje, ako na základe počtu osôb a ich pohybových aktivít počítať stupeň vydýchanosti daného priestoru. Ďalej počíta intenzitu vetrania tak, aby osoby pociťovali čerstvý, svieži vzduch.

V konkrétnej praxi je vetranie samozrejme realizované tak, že reaguje na čidlo obsahu CO₂. Pri návrhu vetracej sústavy je však dobré vopred poznať možné požiadavky na jeho výkon. Preto vznikol tento článok.

Tab. 1, ktorej hodnoty boli prevzaté z [2], uvádza energetický výdaj vybraných pohybových činností. Aj v čase odpočinku, napr. pri sledovaní televízie, je náš energetický výdaj E = 0,090 kJ za minútu na každý kilogram našej hmotnosti. Pri váhe 80 kg je to 432 kJ za hodinu.

Táto energia vzniká spálením glukózy v tele. Z každej jednej molekuly pritom vznikne 6 molekúl oxidu uhličitého CO₂. Zo spalného tepla glukózy 2 815 800 kJ/kmol [3] je možné vypočítať, že uvedených 432 kJ/h znamená, že v tele dochádza k spalovaniu s rýchlosťou 27,6 g/h glukózy, pričom sa uvoľní 40,5 g CO₂ za hodinu, ktorý vydýchame.

Ak sedíme pritom v nevetranej miestnosti o objeme 60 m³, potom každú hodinu v každom m3 pribudne 675 mg CO₂ (tzn. 374 ppmv – objemových miliontín za hodinu). K týmto hodnotám sa dostaneme dosadením do nasledujúcich vzťahov, pritom počítame s teplotou 20 °C:

resp.

kde:

Δ_C je prírastok CO₂ dýchaním v kg/(m³·s),
Δ_X je prírastok CO₂ dýchaním v ppmv/s,
E je energetický výdaj v J/(kg.s)z tab. 1,
∑M_k je hmotnosť všetkých osôb
R = 8314 J/kmol je plynová konštanta,
μ = 44 kg/kmol je molárna hmotnosť oxidu uhličitého CO₂,
H_sp = 2,8158·109 J/kmol je spalné teplo glukózy,
p = 105 Pa je normálny tlak,
T je termodynamická teplota v K a
V je objem miestnosti.

Z dôvodov rozmerovej jednoty sa do vzťahov (1) a (2) dosadzujú veličiny vyjadrené v jednotkách sústavy SI. V našom prípade to sú m, s, kg, K, J, kmol a Pa a z nich odvodené jednotky. V ďalšom texte budeme používať aj nasledujúce názornejšie jednotky:

• pre prírastok Δ_C jednotku mg/(m³·h); 1 kg/(m³·s) = 3,6·109 mg/(m³·h)
• pre prírastok Δ_X jednotku ppmv/(m³·h); 1 ppmv/(m³·s) = 3600 ppmv/(m³·h)
• pre hmotn. koncentráciu C jednotku mg/(m³); 1 kg/m³ = 106 mg/m³.

Otázka znie, ako dlho môžu ľudia pobývať v nevetranej miestnosti, bez toho aby riskovali o svoje zdravie?

Výpočet: Spočítajte si veľkosť vetrania v miestnosti.

Vzdušný obsah CO₂ z pohľadu zdravia

Vo vydychovanom vzduchu je CO₂ zastúpený približne podieľom 40 000 ppmv. Vo vonkajšom, čerstvom vzduchu je ho okolo 400 ppmv, to znamená približne 723 mg CO₂/m³. To je zároveň normálna, zdravá hladina CO₂ vo vzduchu pre dlhodobý pobyt podľa ASHRAE (American Society of Heating, Refridgerating and Air). Ďalšie stupne pre dlhodobý pobyt sú:

• do 1000 ppmv je zdravotne akceptovateľná koncentrácia CO₂. Odporúča sa pobývať v prostredí do 700 ppmv, pri vyššom CO₂ bývajú sťažnosti na pocit ťažkosti alebo je cítiť štipľavý zápach,
• od 1 000 ppmv sa začína dostavovať celková ospalosť,
• od 2 500 ppmv vznikajú trvalé zdravotné problémy,
• nad 5 000 ppmv (prípustný expozičný limit, PEL) predpisuje ASHRAE časovo obmedzený poby (< 8 hod.), ktorý sa kráti s rastúcou koncentráciou CO₂, a
• nad 25 000 ppmv (najvyššia prípustná koncentrácia, NPK) hrozí smrť udusením.

Detailný pohľad na stupnicu ASHRAE na CO₂ metre

Jediný človek (s váhou cca 80 kg, ktorý v kľude sedí alebo píše) vydýcha nevetranú miestnosť 60 m³ cca za hodinu. Tým sa myslí, že za hodinu stúpne obsah CO₂o 374 ppmv na hodnotu prevyšujúcu 1 000 ppmv, kedy podľa ASHRAE začínajú vznikať problémy. Pokiaľ by sa v nevetranej miestnosti trávil celý deň, prekročil by PEL (5 000 ppmv), aj keby celý ten čas spal. Keby tento človek denne dve hodiny cvičil na rotopede a zvyšný čas odpočíval, za dva dni by prekročil NPK a mohol by sa teoreticky udusiť.

Človek väčšinou vydýchaný vzduch moc nevníma a aj keď sa cíti unavený, príčinu hľadá inde. Preto tiež zle odhaduje intenzitu vetrania. Tu je možné vypočítať podľa vzorca

kde v je rýchlosť výmeny vzduchu miestnosti v h^–1, Δ_X, resp. Δ_C sú prírastky CO₂ dýcháním v ppmv/h resp. mg/(h·m³), X_P, resp. C_P je požadovaný obsah CO₂, např. 1000 ppmv resp. 1800 mg/m³, X₀, resp. C₀ je vonkajší obsah CO₂, teda podľa ASHRAE 400 ppmv resp. 723 mg/m³.

Niektoré modelové príklady činností a im zodpovedajúce intenzity vetrania sme spočítali. Pritom sme uvažovali o miestnosti, ktorej objem je 60 m³ a požadovali sme, aby obsah CO₂ neprekročil hodnotu 1000 ppmv, ktorá je podľa ASHRAE ešte akceptovateľná. Obsah CO₂ u vonkajšieho, teda čerstvého vzduchu je 400 ppmv. Výsledky ukazuje tab. 2.

Čitateľ si môže sám zrátať intenzitu vetrania pre rôzne domáce činnosti, rôznu obsadenosť vetraného priestoru osobami s rôznou váhou na stránke viď [4].

Lokálna rekuperačná jednotka (foto TERMO KOMFORT, s.r.o.)

Záver

Intenzity vetrania pre udržanie zdravého vzduchu v miestnosti rozhodne nie sú zanedbateľné. V noci, kedy v miestnosti spí jedna osoba, to znamená vymeniť 49 % objemu vzduchu miestnosti za hodinu. Pokiaľ nocujú v izbe 3 osoby, povedzme rodičia a dieťa, je požadované, aby sa vymenil celý objem vzduchu už za 55 minút. A pokiaľ sa napr. v miestnosti varí, tepuje a dieťa, povedzme cvičí na rotopede, je potrebné vymeniť všetok vzduch v miestnosti za cca 13 minút atď.

Jedno z bezpečných riešení je zveriť výmenu vzduchu samočinnej technike.

Výpočet: Spočítajte si veľkosť vetrania v miestnosti.

Poznámky

1. Energetické nároky vybraných pohybových činností boli prepočítané na vydychovaný oxid uhličitý CO₂ pomocou spalného tepla glukózy o veľkosti 2 816 000 kJ/kmol pri 25 °C, viď [3], pri ktorej oxidácií vzniká 6 kmol CO₂ na jeden kilomol glukózy. Korekciu uvedeného spalného tepla glukózy na teplotu ľudského tela nepovažujeme pre účely článku za podstatnú.

2. Výpočet zanedbáva zmeny tlaku a objemu v dôsledku zmien obsahu CO₂. Pri obvyklých izbových teplotách a tlaku okolo 1000 hPa vedie toto zanedbanie k chybe pod 1 % vo výsledkoch.

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek Jiří: Aktivní domy, CO₂ neutrální. Jaké jiné?, Stavebnictví a interiér č, 7/2009.

[2] Provazník Kamil a kol.: Manuál prevence v lékařské praxi – Tabulky energetických nároků pohybové činnosti. V rámci programu Národní program zdraví vydal Státní zdravotní ústav, 1998. Viz také internetový portál www.zdravcentra.cz od společnosti Zentiva, k.s.

[3] Julák Alois, Štulík Karel, Vohlídal Jiří: Chemické a analytické tabulky, Graga Publishing 1999.

[4] Kolektiv redakce: Větrání v bytě a domě, www.stavebnictvi3000.cz.