Možnosti celoročního větrání okny

Článek prezentuje vhodné způsoby přirozeného větrání okny tak, aby byla zachována kvalita vnitřního vzduchu v interiéru větrané místnosti. V rámci projektu Zdravé okno ve spolupráci s partnerem Window Holding, a.s., se v UCEEB zabýváme komplexním vlivem zabudovaného okna na zdraví osob podle různých parametrů: tepelnětechnických, světelných, akustických a v neposlední řádě také efektivitou přirozeného větrání okny. Cílem výzkumu bylo vytvořit doporučení při přirozeném větrání okny v podmínkách ČR. Výzkum, respektive sběr dat byl založen na experimentálních měřeních ve třech různých rodinných domech. Udržování kvalitního vnitřního prostředí v otopném období je energeticky náročné. S ohledem na energetické úspory mají lidé tendenci málo větrat, což může mít za následek řadu negativních dopadů, zejména na jejich zdraví. Hlavním ukazatelem kvality vzduchu je koncentrace CO². Negativní vliv vysoké koncentrace CO² v interiéru na výkon a zdraví osob popsal již v 19. století profesor Max von Pettenkofer. Přípustné limity ve stávajících právních předpisech vycházejí z jeho tehdejší práce.

Podle vyhlášky č. 20/2012 Sb., o technických požadavcích na stavby [1], nesmí koncentrace CO² v pobytových místnostech překročit limitní hodnotu 1 500 ppm. Z mnoha zdravotních studií je známo, že již koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním prostoru vyšší než 1 000 ppm může způsobovat únavu, nesoustředěnost a tím snižovat výkon osob. V České republice se obecně doporučuje úroveň vnitřní koncentrace CO2 v rozmezí 800 až 1 000 ppm. Při hodnotách koncentrace nad 2 000 ppm nastávají nepříznivé stavy jako např. bolest hlavy, koncentrace nad 5 000 ppm při dlouhodobé expozici není považována za bezpečnou. Při nedostatečném větrání se kromě vysoké koncentrace CO² v interiéru zvyšují také koncentrace dalších škodlivých látek, které negativně ovlivňují zdraví. Jedná se o tzv. VOC (těkavé organické sloučeniny), prachové částice, radon, kladné ionty apod. V souvislosti s pandemií covidu se prokázal význam a důležitost větrání [2]. Nedostatečné větrání může být příčinou vysoké koncentrace viru ve vnitřním prostředí. Z toho důvodu je doporučeno v nevětraných prostorách nepobývat. Například studie provedená na Tchaj-wanu prokázala, že zvýšení koncentrace CO² nad 1 000 ppm znamená významný rizikový faktor pro nové případy nakažení tuberkulózou [3].

Význam kvalitního větrání se taktéž prokazuje při omezení nadměrné vlhkosti v interiéru budov (koupelny, kuchyně). Při nedostatečném větrání v budovách hrozí tvorba plísní, které jsou samy o sobě škodlivé a mohou být také příčinou degradace stavebních konstrukcí. V neposlední řadě větráme také z důvodu eliminace nepříjemnému odéru. V objektech pro bydlení jsou pro větrání nejčastěji využívány systémy přirozeného větrání, případně i v kombinaci s podtlakovými systémy nuceného větrání (ventilátory na WC, v koupelnách, digestoře v kuchyních apod.), stále v menšině jsou využívány systémy nuceného větrání. Současná moderní těsná okna prakticky vykazují nulové hodnoty spárové průvzdušnosti, proto je v případech starších nebo rekonstruovaných budov bez systémů nuceného větrání nutné tyto prostory větrat přirozeně otvíráním oken [4].

Množství vzduchu na osobu v ČR

V České republice na rozdíl od západní ­Evropy jsou podlahové plochy v obytných prostorách na jednu osobu v průměru nižší. Podle statistiky Evropské unie z roku 2010 se v západní Evropě pohybují byty mezi 33 m²/osobu (Španělsko) až 66 m²/osobu v případě Lucemburska (tab. 1). Ve východní Evropě je průměrná podlahová plocha bytů na osobu mezi 15 m²/osobu (Rumunsko) a 31 m²/­osobu. Z tab. 1 je vidět, že v České republice mají byty podlahovou plochu průměrně 29 m²/osobu. Dá se odhadnout, že tedy mají přibližné 1,5krát menší objem vzduchu na osobu než např. v Německu, kde je průměrná velikost bytu na osobu 43 m². Doporučení vzniklá v zahraničí nemusí být proto u nás dobře aplikovatelná. Doba, po které se zvýší koncentrace CO² ve vzduchu na 1 000 ppm, závisí mimo jiné na objemu vzduchu v bytě. Z podlahové plochy bytu a předpokládané světlé výšky můžeme stanovit objem vzduchu, který je v bytě k dispozici.

Jak je vidět, velká část obyvatel v České republice žije vzhledem k podlahové ploše v malých bytech, a tím pádem mají také ve většině případů relativně málo obestavěného prostoru na osobu. Týká se jich proto doporučení velmi často větrat, pokud jsou doma. Jakmile se sníží počet osob v prostoru nebo jejich aktivita, může se snížit intenzita větrání v průběhu dne. Je nutné myslet také na to, že je vhodné využívat veškerý objem vzduchu v bytě, a pokud to jde, nechávat otevřené interiérové dveře. V tab. 2 jsou uvedeny předpokládané maximální přípustné doby zavřeného okna v místnosti. Pro výpočet byla uvažována průměrná výška místnosti 2,6 m a lehká akti­vita osob s vydechovaným množstvím CO² 13 l/h/os. Hodnota průměrné venkovní koncentrace CO² byla pro výpočet uvažována 420 ppm.

Obr. Různé způsoby otevření okna (mikroventilace)

Jak je patrné z předchozích tabulek, v podmínkách ČR, pokud lidé pobývají celý den doma, nestačí vyvětrat jednou denně, ale okno je nutné otevírat častěji. Pro podlahovou plochu 10 m² na osobu vychází, že by se okno mělo otevřít vícekrát než každou hodinu. Příkladem takového bytu může být garsoniéra 1+kk o ploše 20 m² pro dvě osoby. Případ, do kterého pravděpodobně spadá většina bytů v ČR, může být byt 3+kk o ploše 60 m² pro tři osoby. V takovém případě je nutné vyvětrat každé 2,3 h. Pokud v bytě o výměře 70 m² budou bydlet jen dvě osoby, bude dostatečné vyvětrat jednou za 4,1 h. Pokud bychom chtěli najít příklad, kdy je možné vyvětrat jen 1–2× denně, byl by to případ velkého bytu nebo rodinného domu o ploše 100 m², kde bude osamoceně pobývat jedna osoba.

Výsledek měření v pracovně

Pro zhodnocení různých způsobů větrání okny byly vybrány tři rodinné domy, kde probíhala měření koncentrace CO², teplot, vlhkostí, prachových částic a dalších veličin. Měření probíhala v různých obdobích roku: na konci zimy, na jaře a v létě. Měření byla zaměřena na místnosti pracovny v denních hodinách a na místnost ložnice v noci. V tab. 3 a na obr. 1 je z výsledků měření zřejmé, jaký by byl průběh nárůstu koncentrace oxidu uhličitého při lehké aktivitě sedícího člověka v uzavřené malé pracovně (20 m², 48 m³), pokud bychom chtěli udržet kvalitu vzduchu do maximální hodnoty 1 000 ppm. Měření probíhalo během jednoho dne při venkovních teplotách 10 až 15 °C. Je zobrazena také obsazenost místnosti, kdy během větrání plně otevřeným střešním oknem v místnosti nebyly přítomny žádné osoby. Z výsledků jasně vyplývá, že délka větrání značně ovlivňuje pokles koncentrace CO². Větrání střešním oknem po dobu 13 až 15 min. snížilo koncentraci CO² průměrně o 455 ppm. V případě prodloužení doby větrání na 21 min. byl pokles koncentrace o 548 ppm. Při tomto stavu větrání hodnota koncentrace CO² poklesla pod úroveň venkovní koncentrace, která dosahovala průměrných hodnot 492 ppm. V tomto případě je však nutné zmínit přesnost senzorů CO², která dosahuje ±30 ppm a ± 3 % z měřené hodnoty. Hodnota koncentrace CO² je však dále ovlivněna konstrukcí čidla a způsobem stanovení měření koncentrace CO², kde vliv na přesnost měření může mít i změna proudění vzduchu a teploty.

Na obr. 2 je zobrazen průběh změny teploty vzduchu v místnosti v závislosti na stavu zavřeného, či otevřeného okna. Během měření poklesla teplota v místnosti na konci každého každého větracího cyklu v rozmezí od 0,3 do 0,8 °C. Nejvyšší pokles teploty byl zaznamenán při nejnižších venkovních teplotách v čase 9.30–10.30 hod. Samotná délka větrání se vlivem rostoucí venkovní teploty neprojevila jako stěžejní. Po zavření okna byla teplota vzduchu v místnosti vlivem vnitřních tepelných zisků i akumulačních schopností svislých a vodorovných konstrukcí (keramické zdivo, keramický vložkový strop, dlažba) opětovně vyrovnána. Rychlost nárůstu koncentrace CO², a tedy průměrná doba zavřeného okna, se lišila podle stupně obsazenosti místnosti. Dále byla ovlivněna i přesným typem prováděné aktivity (např. práce na počítači vs. on-line schůzka apod.). Za přítomnosti jedné dospělé osoby mohlo být okno v místnosti zavřeno po dobu 93 min., což se projevilo jako uživatelsky příjemné, neboť byla umožněna plynulá práce po dobu 1,5 hodiny bez nutnosti starosti o aktuální podmínky prostředí. V případě jedné dospělé osoby a jednoho dítěte se doba zavřeného okna zkrátila na průměrně 72 min. a v případě dvou dospělých osob a jednoho dítěte bylo nutné větrat mnohem častěji. V tomto případě koncentrace CO² dosáhla hodnoty 1 000 ppm průměrně už po 39 min. z důvodu rychlejšího nárůstu koncentrace CO² v místnosti. Při podobných teplotách se časté větrání o délce nejméně 15 min. negativně projeví nejen na soustředěnosti pracujících osob a jejich produktivitě, ale také na zvýšení spotřeby energie pro zajištění požadovaných teplotních podmínek otopným systémem.

Ještě častěji by bylo nutné pro zajištění požadované koncentrace CO² větrat v případě např. fyzického cvičení, při kterém je rychlost zvyšování koncentrace CO² významně vyšší. Jednoduchým řešením pro provětrání celého prostoru může být propojení celého prostoru bytu/domu otevřením dveří z pracovny, ale také otevřením dalšího okna či venkovních dveří. V ideálním případě by se mělo dosáhnout příčného provětrání, které však z důvodu ­aktuálního dispozičního řešení prostoru nemusí být vždy možné. Na obr. 3 je zobrazena doba zavření okna (bez větrání) pro rozdílný nárůst koncentrace CO², jehož hodnota je ovlivněna výchozí koncentrací CO². Rychlost zvýšení koncentrace je dána obsazeností místnosti a prováděnou aktivitou. Z výsledků je vidět důležitost vyvětrání vyvětrání prostoru na co nejnižší koncentraci v místnosti, což následně prodlouží dobu, během které není nutné okno v místnosti otevírat. Větrání střešním oknem např. pouze po dobu 10 min. neumožní plné homogenní vyvětrání celého prostoru na koncentraci blížící se stavu venkovního prostředí a prostor je tak nutné větrat mnohem častěji.

Z předchozích grafů je patrné, že nutnost větrání v objektech s novými těsnými okny je opravdu extrémně častá. Z provedených experimentů a jejich výsledků tedy jednoznačně vyplývá doporučení nepobývat v bytě celý den bez větrání. Obr. 5 zobrazuje porovnání účinnosti různých způsobů otevření francouzského okna v místnosti ložnice (25,5 m², 49 m³) bez přítomnosti osob. Měření probíhalo ráno v po sobě jdoucích dnech, kdy se venkovní teplota vzduchu pohybovala kolem 8 °C a rychlost větru nepřesahovala 2 m/s. V případě větrání plně otevřeným oknem byla počáteční koncentrace CO² v místnosti během 10 min. snížena na úroveň koncentrace CO² ve venkovním prostoru. Tento způsob otevření okna je nejúčinnější možností, jak efektivně vyvětrat celý prostor, a přispívá tak k udržení zdravých vnitřních podmínek prostředí po delší dobu.

V případě větrání vyklopeným oknem dojde po 10 min. ke snížení vnitřní koncentrace CO² na hodnotu pouze 800 ppm. Je zřejmé, že v případě pobytu osob v této místnosti bude nutné větrat prostor vyklopením okna častěji než v případě jeho otevření, četnost větrání bude vyšší. Větrání mikroventilací se ukázalo pro běžné vyvětrání místnosti jako nevyužitelné. Tento způsob otevření okna na tzv. 4. pozici kování nepřinesl významný pokles koncentrace CO2, naopak může vyústit ve značnou tepelnou ztrátu prostoru větráním. Po 10 min. větrání poklesla průměrná teplota v místnosti o 0,4 °C při vyklopení okna, o 0,1 °C při mikroventilaci a o 3,2 °C při větrání celým křídlem francouzského okna. Rychlost poklesu koncentrace CO² v místnosti je ovlivněna průtokem venkovního vzduchu závislým na rozdílu vnitřní a venkovní teploty, ale také rychlostí proudění vzduchu, zejména potom nárazy větru. Příklad vlivu venkovní teploty na rychlost poklesu koncentrace CO² v místnosti ložnice (25,5 m², 49 m³) o teplotě 20 °C je na obr. 6. Teplota vzduchu v místnosti poklesla po 20 min. otevření okna vyklopením o 0,6 °C a 0,7 °C.

Obr. Různé způsoby otevření okna (vyklopení okna – ventilace)

Z energetického hlediska je vhodné zavřít okna ve chvíli, kdy se koncentrace CO² venku a uvnitř vyrovnají. Určení okamžiku, kdy okna zavřít, však není jednoduché. Hodnota venkovní koncentrace CO², rozdílné teploty, vlhkosti, vítr, obsazenost prostor a způsob otevření okna dobu větrání významně ovlivňují. Pro rozpoznání znehodnoceného vzduchu má lidské tělo velmi omezené možnosti. Z toho důvodu doporučujeme zjišťovat koncentraci měřidly CO². Tato měřidla nejsou dokonalá, ale při toleranci chyby měření 30 až 100 ppm zajišťují dostatečnou přesnost. Pro udržení přesnosti je vhodné je pravidelně vystavovat venkovní koncentraci, čímž se zajistí jednoduchá kalibrace senzoru. Obecně lze tvrdit, že větrání prostřednictvím vyklopeného okenního křídla při dočasném větrání ve většině případů trvá příliš dlouho, výsledek není zaručený a způsob větrání je neefektivní. Výjimkou budou stavy při vyšší rychlosti větru v exteriéru, ve vyšších patrech budov, při extrémních rozdílech teplot ve venkovním a vnitřním prostředí nebo při příčném provětrání. Při využití mikroventilace je účinek větrání ještě mnohem nižší.

U malých bytů bez nuceného větrání existuje jediný způsob, jak v noci zajistit kvalitní vnitřní prostředí bez nuceného větrání, a to je otevřené okno po celou noc. Pak je možné využít vyklopeného křídla. Je zřejmé, že tato varianta není energeticky výhodná, proto by vytápění místnosti mělo být vypnuté, potrubí otopného systému zaizolované, dveře zavřené a izolace stěn a stropů do okolních vytápěných místností na co nejvyšší úrovni. I přes tato negativa se jedná z hlediska lidského zdraví o smysluplné řešení. Z obr. 7 je patrné, že využití větrání v nočních hodinách pomocí mikroventilace umožňuje eliminovat vyšší koncentrace oxidu uhličitého v malém prostoru, např. ložnice či dětského pokoje. Měření probíhalo v ložnici a dětském pokoji s otevřenými dveřmi s celkovou podlahovou plochou 22,5 m², takže celkový objem vzduchu prostoru činil 63 m³. Přítomny byly tři osoby. Teplotní rozdíl mezi venkovním a vnitřním prostředím se pohyboval mezi 7 až 12 K. Při zavřených oknech po celou noc dosáhla v 7.00 hod. ráno vnitřní koncentrace oxidu uhličitého hodnoty 2 500 ppm, při mikroventilaci mírně překročila hodnotu 1 500 ppm. Z hlediska spotřeby energií však ani toto řešení není v otopném období energeticky výhodné. Navíc je nutné myslet také na to, že z hlediska bezpečnosti je otevření okna na mikroventilaci bráno jako okno otevřené. 

Doporučení, kdy větrat

V případě, že uživatel obývá prostory s větším objemem vzduchu, je možné vybrat si dobu, kdy vyvětrat. Každá část dne má své výhody i nevýhody. Z energetického hlediska je ideální otevírání oken v poledne nebo odpoledne při nejvyšších teplotách venkovního vzduchu. Během roku může rozdíl teplot ve vnitřním a venkovním prostoru během dne dosahovat více než 10 K. Větrání do uvedeného rozdílu teplot může ušetřit značné množství energie na pokrytí tepelné ztráty větráním např. v zimním období. V lokalitách, kde je zvýšené množství dopravy, je však větrání optimální v nočních hodinách, kdy je ve venkovním vzduchu méně škodlivin než přes den. I v průběhu dne je lépe vybírat čas pro větrání mimo největší dopravní špičku, např. před polednem. Větrání brzy ráno je nejméně vhodná doba kvůli zvýšení tepelné ztráty větráním. V lokalitách, kde je velké množství objektů s lokálními topeništi, je nejhorší částí dne večer a noc. V průmyslových lokalitách jsou vyšší koncentrace škodlivin ve venkovním vzduchu závislé na časech směnného provozu apod.

Ostatní škodliviny

Koncentrace CO² většinou koreluje s dalšími škodlivinami v interiéru, např. VOC. Pokud se větrá pro snížení koncentrace CO², dochází ke snížení koncentrací i ostatních škodlivin. Neplatí to však vždy, zejména při nenadálých situacích. Příkladem může být změna koncentrace prachových částic PM10 uvnitř budovy i ve venkovním ovzduší při požáru v Národním parku České Švýcarsko, jak je vidět na obr. 8. Často jsou však koncentrace škodlivin v interiéru vyšší. Jak je vidět na obr. 9, stačí jeden připálený oběd a hodnoty vzrostou mnohonásobně více. Podobně může docházet k vyšším hodnotám v případě lokálních topenišť, a to vždy v průběhu přikládání.

Obr. Různé způsoby otevření okna (otevření celého okna)

Větrání mimo otopné období

Využívání oken pro přirozené větrání a zajištění kvalitního vnitřního prostředí mimo otopné období je ideální variantou z různých hledisek. Je možno využívat vyklopeného křídla trvale a nevadí, že intenzita větrání je pomalejší, neboť nedochází k velkému zvyšování koncentrace CO² oproti exteriéru a hodnoty CO² v interiéru se udržují na nízké úrovni. Je vhodné využívat větrání okny vždy, když je teplota vzduchu ve venkovním prostoru okolo 20 °C. Pokud v některých budovách hrozí bezpečnostní riziko nebo je např. problémem vnější hluk, je nutné využívat nárazového otevírání oken. Tento způsob větrání však bude vzhledem k nižším rozdílům teplot mezi vnitřním a venkovním prostorem trvat déle. Větrání okny mimo otopné období přináší výhody i v obytných budovách s nuceným větráním. Umožňuje snížit počet provozních hodin, případně zatížení systému, a uspořit energii pro pohon ventilátorů. Nedojde ke zvýšení tepelné ztráty větráním ani obtěžování průvanem a lze dosáhnout koncentrací CO² blízkých venkovnímu prostředí – což jsou hodnoty výrazně nižší než obvykle nastavené prahové hodnoty pro řízení těchto systémů. A díky otevřeným oknům jsou pak také sníženy koncentrace ostatních škodlivin, zejména při neočekávaném výskytu velkého množství škodlivin.

Jak bylo prezentováno, poloha křídla okna na mikroventilaci je velmi neúčinným způsobem větrání, a to platí i mimo otopné období díky malému rozdílu vnitřních a venkovních teplot vzduchu. Využívat mikroventilaci po celý den tak, aby mohla být dostačující, lze pouze při nižší obsazenosti prostoru lidmi. Na druhou stranu existují i případy, kdy použití mikroventilace může mít smysl. Například se jedná o situace pro větrání při vyšších rychlostech větru v okolí, kdy není možné otevřít okna kvůli vysoké intenzitě větrání (průvanu), nebo v kombinaci s příčným provětráváním na jedné straně bytu. V letním období při vysokých teplotách je vhodné větrat jen v noci nebo brzy ráno, pokud to podmínky dovolují. V případě malých prostor je však nutné větrat i během dne. Větrání přes den je pak vhodné řešit podobně jako v zimních měsících – krátce, otevřením celého okna, nebo příčným provětráním jen na nezbytně nutnou dobu. Větrání okny přes den ovlivní i orientace otví­raného okna ke světovým stranám, teplota venkovního vzduchu ve stínu pod stromy na severní straně může být i o desítky stupňů nižší než na straně osluněné.

Závěr

Na základě analýzy výsledků z měření tří domů byla prezentována doporučení a byly popsány výhody a nevýhody přirozeného větrání okny. Udržovat kvalitu vnitřního vzduchu v budovách pouze otevíráním oken není jednoduché, a to zejména v případě malých prostor, vysoké obsazenosti lidmi a v zimním otopném období. Obecně lze doporučit realizovat co největší vzduchový objem prostoru, ponechávat otevřené interiérové dveře mezi místnostmi, větrat velkými plochami oken, a to příčným provětráním na dostatečně dlouhou dobu tak, aby se vyměnil všechen vzduch ve větraných místnostech. Pro správný odhad intervalu otevírání a zavírání oken je vhodné využívat měření CO². Pokud je objem vzduchu v bytě příliš malý, jedinou možností (pokud není k dispozici vzduchotechnické zařízení) je otevřené okno s vyklopeným křídlem, případně s nižší účinností mikroventilace. Pro větrání mimo otopné období lze naopak s výhodou po celou dobu využívat vyklopeného křídla okna. Využívání větrání okny mimo otopné období přináší výhody i pro obytné budovy s nuceným větráním. U extrémně malých bytů bez nuceného větrání do velikosti 10 m² na osobu nelze doporučit nic jiného než časté vycházky do venkovního prostředí.

Spoluautoři:
Ing. Jana Horváthová, Ph.D., Ing. Daniel Adamovský, Ph.D.

Celý článek viz Pdf časopisu

Zdroje:
[1] Vyhláška č. 20/2012 Sb., o technických požadavcích na stavby.
[2] SCHOEN, J. Lawrence. Guidance for Building Operations During the COVID-19 Pandemic, ASHRAE Journal, pp. 72–74, May 2020.
[3] CHUN-RU, Du; Wang SHUN-CHIH a kol. Effect of Ventilation Improvement during a Tuberculosis Outbreak in Underventilated University Buildings. Indoor Air 30, No. 3 (2020).
[4] ZMRHAL, Vladimír a kol. Koncept větrání. ČKAIT [on-line]. 2017 [cit. 2022-10-13]. Dostupné z: www.ckait.cz/koncept-vetrani.
[5] DOL, Kees; Marietta HAFFNER, eds. Housing Statistics in the European Union. OTB Research Institute for the Built Environment, Delft University of Technology [on-line]. 2010 [cit. 2022-10-13]. Dostupné z: housing-statistics-in-the-european-union-2010.