Warunki wewnętrzne w budynku wielorodzinnym z wentylacją naturalną (cz. 2)

Cel, obiekt i warunki dokonywanych analiz

Przeprowadzanie analiz opartych na pomiarach w budynkach istniejących, szczególnie wielorodzinnych, jest kosztowne i długotrwałe, koliduje z ich codziennym użytkowaniem i zazwyczaj pozwala uzyskać dane dotyczące co najwyżej kilku pomieszczeń. Dlatego podstawowymi metodami badania przepływów powietrza są obliczenia, sprowadzające się do zastosowania modeli matematycznych budynków i zachodzących w nich procesów.

Dotyczy to szczególnie obiektów o złożonej strukturze i procesów towarzyszących, jakimi są migracje zanieczyszczeń w obrębie takich obiektów. Szerokie możliwości ma w tym zakresie np. program Contam, który umożliwia obliczanie przepływów powietrza powstałych w wyniku procesów jego przenikania przez elementy budowlane, między strefami budynku, działania kanałów wentylacyjnych, a także zmian stężeń zanieczyszczeń powstających w procesach ich dyspersji przy transporcie przez elementy przepływowe i wydzielanych przez sztuczne źródła.

Ponadto możliwa jest ocena migracji obciążeń zanieczyszczeń wydzielanych przez użytkowników. Pakiet pozwala zatem osiągnąć zamierzony cel badań, jakim jest potwierdzenie negatywnych opinii o stanie higienicznym powietrza wewnętrznego w budynkach mieszkalnych z kanałową wentylacją naturalną oraz sprawdzenie możliwości jego poprawy poprzez wspomaganie wentylacji otworami nawiewnymi.

Analizy wykonano dla budynku uznanego za reprezentatywny dla krajowego budownictwa mieszkaniowego – jest to budynek 4-piętrowy składający się z 10 mieszkań, mający po 5 mieszkań kategorii M-3 (mieszkania dolne – D) o powierzchni 47 m2 oraz kategorii M-4 (mieszkania górne – G) o powierzchni 59,5 m2. Rozplanowanie i charakterystykę pomieszczeń wraz z wybranymi danymi niezbędnymi do dokonania obliczeń przedstawiono na rys. 1 oraz w tab. 1 [5]. W budynku znajduje się układ kanałów indywidualnych o wymiarach 0,21 × 0,21 m, wykonanych z materiałów budowlanych.

W pokojach, w kuchni i przedpokoju przyjęto temperatury powietrza równe +20°C, w łazience +24°C, a na klatce schodowej +16°C. Oprócz przyjętych wartości współczynników przenikania powietrza przez okna (umieszczone na przegrodzie północnej i południowej), równych maksymalnej wartości dopuszczanej prawem, uwzględniono również możliwość ich uzbrojenia w otwory nawiewne. Zastosowano otwory, które przy różnicy ciśnień 10 Pa powodują przepływ powierza w wysokości 50 m3/h.

Mieszkania są rozdzielone klatką schodową o powierzchni 13,55 m2 z oknami o szczelności takiej samej, jak w mieszkaniach (długość ich szczelin wynosi na każdym piętrze 6 m). Drzwi wejściowe do budynku mają szczelinę o długości 5,6 m, a ich szczelność jest taka sama, jak drzwi wejściowych do mieszkań. Pozostałe drzwi (wewnętrzne) przyjęto jako uchylone (w pozycji otwartej). Założono, że w każdym mieszkaniu znajduje się dwoje dorosłych i dwoje dzieci. Przykładowy godzinowy profil przebywania ludzi oraz emisję metabolicznego dwutlenku węgla zestawiono w tab. 2.

Założono, że oprócz emisji pary wodnej od ludzi wystąpią też inne źródła wilgoci (tab. 3). Analizy przeprowadzono dla dwóch miesięcy – stycznia i marca. Zmiany parametrów meteorologicznych przyjęto na podstawie danych ze stacji meteorologicznej w Katowicach (patrz rys. 2). Najniższa temperatura w styczniu sięga –18,7°C, a jej wartość najwyższa wynosi ok. +6°C. W marcu temperatura powietrza waha się od –6 do +13,6°C. Kierunek wiatru o prędkości sięgającej 11 m/s zmienia się od 0 do 360°, najczęściej występuje wiatr z kierunku północnego i południowo-zachodniego.

Wybrane wyniki badań

Ze względu na duże podobieństwo uzyskiwanych wyników poniżej przedstawiono jedynie rezultaty otrzymane dla wybranych pomieszczeń mieszkań G, do których zaliczono pokoje mieszkalne (Pm1), kuchnie i łazienki. Wyniki badań pogrupowano nie tylko ze względu na okres klimatyczny i przeznaczenie pomieszczeń, ale także z uwagi na brak organizacji napływu powietrza zewnętrznego, co nazwano rozwiązaniem tradycyjnym, oraz umieszczenie w skrzydłach okiennych otworów nawiewnych, co nazwano rozwiązaniem wspomaganym.

Wentylacja tradycyjna

Strumienie powietrza przepływające przez pokoje mieszkalne Pm1 w badanym pionie mieszkań na przestrzeni obydwu miesięcy zestawiono na rys. 3. Za charakterystyczne uznać należy wyraźne uprzywilejowanie mieszkania położonego na parterze budynku.

Mieszkanie to ma najdłuższe kanały, a w związku z tym największe ciśnienie dyspozycyjne, będące siłą napędową przepływu powietrza. Jednak nawet w przypadku tego mieszkania strumienie powietrza są znacznie mniejsze od wymaganych, czego efektem jest wymiana powietrza wahająca się w styczniu od 0,1 do 0,4/h, a w marcu od 0,05 do 0,15/h. Natomiast na 4. piętrze wymiana ta sięga maksymalnie niewiele ponad 0,2/h i częste są przypadki eksfiltracji powietrza na zewnątrz przez szczeliny okienne, co oznacza brak wymiany powietrza z otoczeniem zewnętrznym.

Liczba wymian powietrza w kuchniach i łazienkach jest znacznie większa (rys. 4), co wynika jednak wyłącznie z dużo mniejszych w porównaniu do pokoi kubatur. Jednak pomimo że wartości te są większe, również nie spełniają wymagań normowych (nawet na najniższym piętrze). Średnie wartości strumieni wahają się w granicach 10–20 m3/h w styczniu, a w marcu są o ok. 30% mniejsze. 

Warto zwrócić uwagę na fakt, że wymiana powietrza w przypadku bezokiennych łazienek odpowiada strumieniom objętości powietrza wywiewanego kanałem wentylacyjnym, natomiast dla kuchni położonych w górnej części budynku, a szczególnie na najwyższym jego piętrze, częste są wspomniane powyżej przypadki eksfiltracji powietrza na zewnątrz, co w praktyce oznacza duże zmniejszenie strumieni usuwanych kanałem wywiewnym. 

W tej sytuacji nie zaskakują znaczne stężenia dwutlenku węgla i zawartość wilgoci w powietrzu poszczególnych pomieszczeń. Na rys. 5 porównano strumienie powietrza, stężenia CO2 i zawartość wilgoci w pokoju Pm1 położonym na parterze. Są to największe strumienie powietrza oraz najmniejsze stężenia dwutlenku węgla i zawartość wilgoci.

W pokoju Pm1 położonym na wyższych piętrach wartości stężeń CO2 przez większość czasu znacznie przekraczają dopuszczalne wartości, szczególnie w marcu. Podobnie jak ma to miejsce ze stężeniem CO2, największa zawartość pary wodnej pojawia się w pokoju Pm1 położonym na najwyższym piętrze, a najmniejsza na parterze. Należy pamiętać, że źródłem pary wodnej w pokoju są ludzie i para napływająca wraz z powietrzem zewnętrznym.

Przykładowo zawartość pary wodnej w powietrzu zewnętrznym w styczniu zmienia się w granicach 0,6–5 g/kg, a w powietrzu wewnętrznym wynosi 2–35 g/kg (wartości średnie to 5–30 g/kg). Wartości maksymalne zdecydowanie przekraczają wartość 7,5 g/kg, przyjętą jako bezpieczna granica braku zawilgocenia. Ma to miejsce głównie w marcu, przy czym dodatkowo przekroczona jest również granica 12 g/kg, odpowiadająca 70% wilgotności względnej powietrza, i występują nawet dni w ciągu miesiąca, gdy średniodobowe zawartości wilgoci w powietrzu przekroczone są ponaddwukrotnie. 

Ponadto dla temperatury +20°C stan nasycenia występuje przy zawartości wilgoci w wysokości 17 g/kg. Zawartość ta jest często przekraczana przez wartości chwilowe, co oznacza, że w pewnych okresach powietrze w pomieszczeniach, a szczególnie w łazienkach, jest silnie przesycone parą wodną. 

Istotna jest dość duża korelacja pomiędzy stężeniami metabolicznego CO2 i zawartością wilgoci w powietrzu pokoi mieszkalnych (rys. 6a). Ma to miejsce we wszystkich pokojach mieszkalnych, ale nie łazienkach i kuchniach (rys. 6b). Chwilowe zawartości pary wodnej w kuchni są zazwyczaj wyższe niż maksymalne wartości występujące w pokoju mieszkalnym, co jest związane z występowaniem w ciągu 2 godz. większych zysków wilgoci.

Oprócz emisji wilgoci od osoby przebywającej w kuchni pojawia się wilgoć pochodząca z gotowania posiłków i zmywania naczyń. Dodatkowym jej źródłem jest powietrze zewnętrzne i, podobnie jak w przypadku dwutlenku węgla, powietrze dopływające z innych pomieszczeń. Zawartość pary wodnej waha się od 2 g/kg (parter) do 37 g/h (4. piętro), przy czym jej największe wartości występują tylko przez 2–3 godziny dziennie. 

Natomiast stężenia dwutlenku węgla są wysokie przez większość doby. Zawartość średniodobowa pary wodnej w kuchniach wynosi od 4 do 16 g/kg. W okresach dużych zysków wilgoci w pomieszczeniach przekroczone są przyjęte normy 40 i 70% wilgotności względnej. Jeszcze większa jest zawartość pary wodnej w łazienkach, co wynika z czynności w nich wykonywanych (rys. 7). Dodatkowo, podobnie jak w przypadku kuchni, do łazienek dopływa wilgotne powietrze z innych pomieszczeń.

Przy stosowaniu kanałowej wentylacji naturalnej w mieszkaniach z oknami o zalecanej maksymalnej wartości współczynnika przenikania powietrza zarówno strumienie objętości powietrza wymienianego w pomieszczeniach, jak i stan higieniczny powietrza wewnętrznego nie spełniają wymagań. Zgodnie z założeniami wymiana powinna być zbliżona do 1/h, a z badań wynika, że nawet w najbardziej korzystnych warunkach meteorologicznych i mieszkaniach nie osiąga połowy tej wartości. Efektem tego są znaczne stężenia metabolicznego dwutlenku węgla i zawartość wilgoci w powietrzu wewnętrznym.

Wentylacja wspomagana otworami nawiewnymi

W wyniku zastosowania w oknach otworów nawiewnych o przepustowości 50 m3/h (przy Δp = 1 daPa) zmianie uległy strumienie powietrza przepływające przez pomieszczenia (rys. 8). Zastosowanie takich otworów powoduje zdecydowany wzrost strumieni powietrza napływającego do pomieszczeń oraz zwiększa liczbę wymian. Dla pokoi Pm1 ich średniodobowe wartości w styczniu wahają się w granicach 0,5–1,4/h na parterze, a w przypadku pokoju położonego na 4. piętrze sięgają 0,65/h (w marcu wartości te są 5–10% mniejsze). Znacznie zwiększają się również strumienie powietrza wywiewanego kanałami wentylacyjnymi (rys. 9).

Wynika z tego, że stosowanie otworów nawiewnych przy korzystnych warunkach atmosferycznych znacząco zwiększa napływy powietrza zewnętrznego do pomieszczeń, a to z kolei, dzięki rozcieńczaniu zawartych w nich zanieczyszczeń, poprawia jakość powietrza wewnętrznego (rys. 10). W omawianym przypadku wartość stężeń, nawet na najwyższej kondygnacji o najmniejszych przepływach powietrza, nie przekracza średnio 4000 ppm, podczas gdy bez stosowania takich otworów wartości te były około dwukrotnie wyższe. Przy najmniej korzystnych warunkach atmosferycznych, gdy działa wiatr o dużej prędkości (6–7 m/s), przepływy powietrza na najwyższym piętrze zmieniają kierunek i zamiast dopływać do pomieszczenia są z niego przez te otwory usuwane.

Dla okresu zimowego (styczeń – te = +2°C) średniodobowe stężenia CO2 wynoszą od 600 ppm w pokoju na parterze do nieco ponad 4000 ppm na czwartym piętrze. W takich warunkach występują największe piki stężeń zanieczyszczeń, jednak sytuacje takie zdarzają się niezmiernie rzadko i są krótkotrwałe, przez co nie wpływają znacząco na średnie wartości stężeń. Dzięki zastosowaniu otworów nawiewnych w kuchniach stężenia dwutlenku węgla znacząco się obniżyły. Wahają się one od niespełna 200 ppm w kuchni na parterze do ok. 1450 ppm na czwartym piętrze.

Chwile, gdy stężenia wzrastają do maksymalnych wartości, to te, w których występują najmniej korzystne warunki atmosferyczne (identyczne jak w przypadku rozpatrywanego wcześniej pokoju mieszkalnego), czyli następuje wypływ powietrza z pomieszczenia przez okna i otwory okienne. Stężenia średniodobowe wynoszą od 300 do 800 ppm. Podobnie wygląda sytuacja w łazienkach, w których przepływy powietrza na poszczególnych piętrach powodują niemal trzykrotne obniżenie wartości stężeń CO2. Najwyższe stężenie w tym przypadku występuje bezpośrednio po wyjściu ludzi z mieszkania i wynosi 3250 ppm.

Zawartość pary wodnej w pokoju mieszkalnym sięga maksymalnie 18 g/kg, co oznacza, że jest ona mniejsza od największej wartości jej stężenia, gdy otwory nie są stosowane, o ok. 17 g/kg. Średniodobowa zawartość wilgoci w tym pomieszczeniu wynosi 2–11 g/kg. Zdecydowane obniżenie tych wartości powoduje, że jedynie przez kilka dni w styczniu, i tylko na najwyższym piętrze, wartości graniczne odpowiadające 70% wilgotności względnej powietrza (12 g/kg) są przekroczone. 

Stężenia średniodobowe natomiast tylko w nieliczne dni przekraczają granicę 45% wilgotności względnej powietrza (7,5 g/kg). Zawartość pary wodnej w kuchniach waha się w granicach 1–13 g/kg. Średniodobowe zawartości pary wodnej w powietrzu w kuchni wynoszą 2–6 g/kg, co oznacza, że dzięki otworom nawiewnym uzyskano zmniejszenie tych zawartości o ponad  połowę. 

Najwyższa zawartość pary wodnej w łazienkach, sięgająca ok. 54 g/kg, pojawia się po kąpielach i jest krótkotrwała. W przypadku stężeń dwutlenku węgla w pokoju mieszkalnym, dla przyjętych okien o współczynniku infiltracji 1 m3/mh(dPa)2/3 wraz z otworami nawiewnymi i przyjętego profilu przebywania ludzi, sytuacja przedstawia się w marcu dużo bardziej optymistycznie. Przez większość czasu stężenia te, nawet w szczytowych momentach dnia, nie przekraczają na żadnej kondygnacji wartości dopuszczalnych.

Zawartości średniodobowe wahają się od 680 ppm na parterze do 3750 ppm na czwartym piętrze. Przepływy powietrza oraz stężenia CO2 w kuchni w marcu, w przypadku gdy okna wyposażone są w otwory nawiewne, osiągają zdecydowanie niższe wartości niż przy wentylacji bez udziału takich otworów. Są one bardzo zbliżone do wartości omawianych na przykładzie stycznia dla okien z nawiewnikami i wynoszą od niewiele ponad 300 ppm do 1520 ppm. Stężenia średniodobowe CO2 wynoszą 460–1000 ppm.

Stężenia dwutlenku węgla w łazienkach są nieco wyższe niż w styczniu, przy tych samych założeniach. Wynika stąd, że przy zastosowaniu otworów nawiewnych warunki atmosferyczne odgrywają większą rolę dla wartości stężeń CO2 w łazienkach. Podobnie jest w przypadku pary wodnej – maksymalna jej zawartość występuje w pomieszczeniu na 4. piętrze i wynosi 18 g/kg, natomiast stężenia średniodobowe wahają się w zakresie 3–10 g/kg. W kuchniach zawartość stężeń pary wodnej dla okien z otworami nawiewnymi w marcu wzrasta na najwyższym piętrze do 13 g/kg. Przepływy powietrza i zawartość pary wodnej w kuchniach i łazienkach są porównywalne z wartościami otrzymanymi dla tych samych założeń w styczniu. 

Korelacja pomiędzy stężeniami dwutlenku węgla i zawartością pary wodnej występuje, podobnie jak w przypadku tradycyjnego rozwiązania wentylacji (patrz rys. 6a i b), głównie w pokojach mieszkalnych. Przykładowe porównanie ich zmian pokazano na rys. 11. Z przeprowadzonych badań wynika, że, podobnie jak w przypadku takich samych założeń przyjętych dla stycznia, zastosowanie otworów nawiewnych powoduje zdecydowane zwiększenie strumieni powietrza napływającego do pomieszczeń i liczbę wymian. Liczby wymian sięgają dla pokoju mieszkalnego na najwyższym piętrze maksymalnie ok. 1,4/h i prawie 1,6/h dla parteru.

Z kolei w przypadku kuchni wartości te wynoszą dla czwartego piętra maksymalnie 4/h, a dla parteru 4,6/h. Dla łazienki liczba wymian zawiera się w przedziałach od 0,86/h do 6,26/h na ostatnim piętrze oraz od 2,61/h do 8,69/h na parterze. Należy dodać, że liczne są przypadki odwrotnych kierunków przepływu strumieni powietrza w stosunku do zalecanych wymaganiami. Dotyczy to zarówno okresów eksfiltracji powietrza wewnętrznego na zewnątrz lub odwrotnego działania kanałów wywiewnych, jak i przepływów na drodze od klatki schodowej do mieszkań. Wartości te są nieco mniejsze, ale zbliżone do tych, które odnotowano w styczniu dla budynku z oknami i dodatkowymi otworami okiennymi.

Podsumowanie

Warunki użytkowania pomieszczeń z kanałową wentylacją naturalną i oknami o zalecanej wartości współczynnika przenikania powietrza 1,0 m3/hm(daPa)2/3 są dalekie od pożądanych. Średnia wymiana powietrza w mieszkaniach badanego budynku 4-piętrowego zmienia się od 0,4/h (parter) do poniżej 0,1/h (4. piętro). Silnie akcentowany przez akta prawne wymóg usuwania strumieni powietrza z kuchni i łazienek w wysokości 70 i 50 m3/h nie jest spełniony nawet w mieszkaniu położonym na parterze budynku, w którym strumienie te osiągają wartości o co najmniej połowę mniejsze.

Fakt ten jest wynikiem napływu do mieszkań małych strumieni powietrza zewnętrznego, co oznacza nadmierną hermetyzację zewnętrznej powłoki budynku. Nie jest dotrzymany także warunek napływu niezbędnych strumieni powietrza przypadających na jedną osobę (20 m3/h). Przykładowo do pokoju mieszkalnego położonego na parterze budynku, w którym przebywają dwie osoby (wymagany dopływ co najmniej 40 m3/h powietrza), napływa w najlepszym przypadku 21 m3/h w styczniu i 17 m3/h w marcu. 

W efekcie stężenia zanieczyszczeń uzyskują poziomy znacznie przekraczające wartości uznawane za komfortowe. Co najmniej kilkukrotne przekroczenie stężeń CO2 i zawartości pary wodnej w powietrzu pomieszczeń (szczególnie kuchni i łazienek) wskazuje jednoznacznie na możliwość wystąpienia w nich wysoce negatywnego odczuwania jakości powietrza wewnętrznego. 

Dla eksploatacji mieszkań najbardziej charakterystyczne wydaje się ich okresowe użytkowanie, sugerujące przydatność układu wentylacyjnego działającego również okresowo. Pewne znamiona takiego rozwiązania posiada system nazwany w artykule wentylacją wspomaganą otworami nawiewnymi. Uzyskane dane dla przypadków zastosowania otworów nawiewnych o identycznej charakterystyce we wszystkich oknach wskazują na istotne zmiany zarówno strumieni powietrza, jak i poziomu uwzględnianych obciążeń i zanieczyszczeń. 

Przykładowo, w obu miesiącach do pokoju mieszkalnego położonego na parterze dopływa strumień powietrza 3–3,5 razy większy, niż ma to miejsce w przypadku braku otworów nawiewnych w oknach. Powoduje to znaczne zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza oraz sprawia, że okresy występowania warunków nieakceptowanych są nieliczne i krótkotrwałe. 

Użytkowanie mieszkań przez ludzi wiąże się przede wszystkim z produkcją metabolicznego dwutlenku węgla i wilgotności w pomieszczeniach, przy czym zmiany te są dość dobrze skorelowane. Związek ten szczególnie predestynuje do wykorzystania higrosterowane otwory nawiewne, których reakcją na wzrost wilgotności powietrza po pojawieniu się w pomieszczeniach ludzi jest zwiększenie strumieni powietrza, a tym samym spadek stężenia dwutlenku węgla. 

Wspomniana powyżej korelacja między stężeniami CO2 a wilgotnością powietrza jest szczególnie duża w pokojach mieszkalnych, dla których stosowanie otworów nawiewnych wydaje się jak najbardziej wskazane. Oczywistym jest jednak, że ich wykorzystanie nie poprawi powszechnie znanej niskiej skuteczności eksploatacyjnej charakterystycznej dla kanałowej wentylacji naturalnej.

W stosunku do przyjętych założeń mogą w praktyce wystąpić różne odstępstwa. Do badań przyjęto, że dwutlenek węgla jest efektem jedynie procesów metabolicznych. Jest to ewidentne zaniżenie, ponieważ w pomieszczeniach jest wiele innych źródeł jego emisji. Z drugiej strony uwzględnianie pominiętych w badaniach przypadków okresowego wietrzenia pomieszczeń przez uchylanie okien może stężenia te zmniejszać. Ponadto w pomieszczeniach występować mogą także inne zanieczyszczenia, których pozbycie się wymagać może wymiany znacznie większych strumieni powietrza. 

Bez zastosowania okien o dużo wyższym współczynniku przenikania powietrza (mniej szczelnych niż zalecane) lub otworów nawiewnych warunki wewnętrzne w pomieszczeniach z kanałową wentylacją naturalną mogą być niebezpieczne dla zdrowia ludzi. Prawda ta z trudnością przebija się do świadomości użytkowników, którzy z mniej lub bardziej uzasadnioną niechęcią kupują droższe okna z nawiewnikami. 

Niechęć ta jest w pewnej mierze zrozumiała i wynika głównie z zaburzenia podstawowej funkcji okien jako przegrody zewnętrznej. Ich konstrukcje powinny się charakteryzować nie tylko niskim współczynnikiem przenikania ciepła, ale także wysoką szczelnością względem przepływów powietrza. Zachowanie tych wartości w praktyce wymaga zastosowania innego niż dotychczas modelu wentylacji. Najlepszym rozwiązaniem, które zalecać można do stosowania głównie w budynkach nowo realizowanych, są systemy zdecentralizowanej mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej zapewniającej dobre warunki wewnętrzne i zadowalający komfort cieplny, a także odzysk ciepła.

Literatura

1. The Right to Healthy Indoor Air, Report on a WHO Meeting, Bilthoven, Holandia, 2000.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 marca 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 56, poz. 46, ze zm.).
3. Nantka M.B., Wentylacja naturalna w budynkach nowych i termomodernizowanych, „Polski Instalator” nr 9–11/2008.
4. Nantka M.B., Wentylacja z elementami klimatyzacji, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011.
5. Krzewińska J., Analiza zmian przepływów powietrza i wybranych zanieczyszczeń w budynku wielorodzinnym, praca dyplomowa, KOWiTO, Politechnika Śląska 2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!