Warunki wewnętrzne w budynku wielorodzinnym z wentylacją naturalną (cz. 1)

Każdy budynek, w tym również jego wnętrze, podlega mniej lub bardziej istotnym wpływom otoczenia, o czym decyduje izolacyjność cieplna i szczelność powłoki zewnętrznej. W połączeniu z zastosowanym wyposażeniem technicznym tworzą one określone warunki wewnętrzne. Oczywistym jest, że zastosowane materiały budowlane, urządzenia i instalacje powinny być tak dobrane, aby ich eksploatacja była energooszczędna, nie obciążała środowiska zewnętrznego i wewnętrznego oraz nie wpływała negatywnie na samopoczucie i zdrowie użytkowników.

Spośród czynników współdecydujących o warunkach wewnętrznych największe trudności wiążą się z zapewnieniem odpowiedniej wymiany powietrza. Jednak systemy wentylacyjne, szczególnie tzw. układy wentylacji grawitacyjnej w budownictwie mieszkaniowym i biurowym, uważane są powszechnie za mniej istotne od systemów grzewczych, głównie układów centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. W tym miejscu przypomnieć należy, że człowiek może wytrzymać dłuższy okres czasu bez pożywienia, znacznie krócej bez wody, ale egzystencja bez powietrza (tlenu) nie jest możliwa.

Zapewnienie odpowiedniej wymiany powietrza powinno być zatem uważane za jedno z najważniejszych wymagań, co jest zresztą akcentowane jako podstawowe prawo w krajowych i unijnych aktach [1, 2]. Zgodnie z nimi każdy człowiek ma prawo oddychać zdrowym powietrzem, a jego status społeczny i ekonomiczny nie powinien mieć wpływu na dostęp do takiego powietrza. Tymczasem powszechne stosowanie szczelnych okien i drzwi ograniczyło do minimum i tak już wątpliwą możliwość poprawnego działania kanałów wentylacji naturalnej, której siłami napędowymi są czynniki meteorologiczne [3].

Zrozumiała tendencja do poprawy wskaźników energetycznych budynków, a w konsekwencji do ograniczenia kosztów ogrzewania jest przyczyną rezygnacji z optymalnych rozwiązań wentylacyjnych, ponieważ z oczywistych względów nie spełnią one wymagań opłacalności ekonomicznej. Stosowane przez producentów okien zastępcze rozwiązania w postaci okien z funkcją rozszczelnienia lub wykorzystywanie otworów nawiewnych w ścianach czy oknach nie w pełni się przyjęły, ponieważ użytkownicy przeświadczeni są o wiążącym się z tym zwiększonym zużyciu ciepła.

W budownictwie mieszkaniowym stosuje się głównie wentylację naturalną, zwaną również grawitacyjną, co oznacza, że nieuwzględniany jest wpływ wiatru. Wentylacja taka zakłada niezorganizowany dopływ powietrza z zewnątrz do pomieszczeń przez nieszczelności w przegrodach lub otwory nawiewne oraz usunięcie go po asymilacji zanieczyszczeń wewnętrznych układami kanałów wywiewnych.

Układy kanałowej wentylacji naturalnej mają zatem realizować określone wymagania w zakresie strumieni objętościowych powietrza w warunkach silnie zmiennych ciśnień dyspozycyjnych związanych z wyporem cieplnym, a więc głównie ze zmienną temperaturą powietrza zewnętrznego.

W tych warunkach charakterystyczna jest zmienność grawitacyjnych ciśnień dyspozycyjnych wzdłuż wysokości kanałów. Przykładowo dla pomieszczeń położonych na parterach budynków ciśnienie to jest największe, a dla przestrzeni zlokalizowanych na najwyższych piętrach ma wartość najmniejszą (rys. 1) [3, 4]. Uwzględnienie tych zmian wymagałoby zastosowania niespotykanych w praktyce zmiennych wymiarów i przekrojów kanałów na poszczególnych poziomach (lub zmiennych oporów przepływu przez układy kanałów).

W krajowych wytycznych projektowania tej wentylacji jako obliczeniową przyjmuje się nadal różnicę temperatur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego równą 8 K. Przyjmując temperaturę wewnętrzną t_i ≡ +20°C, warunek ten odpowiada temperaturze zewnętrznej t_e ≡ +12°C. Nawet gdyby udało się dobrać takie kanały, które umożliwiałyby usuwanie wymaganych strumieni powietrza z różnych poziomów budynku, z założeń tych wynika, że przy spadku temperatury zewnętrznej (t_e < +12°C) pojawi się wzrost strumieni powietrza, sięgający w warunkach temperatur zewnętrznych przyjmowanych do obliczeń strat ciepła (np. dla t_e ≡ –20°C) ok. 250%.

Natomiast przy wzroście temperatury zewnętrznej (t_e > +12°C) występuje stopniowe zmniejszenie tych strumieni powietrza, aż do ich zaniku (dla t_i ≡ t_e), a nawet możliwe jest odwrócenie kierunku przepływu w kanałach i pojawienie się w nich odwrotnych przepływów (nawiew powietrza dla ti < te). Ponadto przy temperaturze zewnętrznej równej +12°C dominującą rolę w kształtowaniu wymiany powietrza odgrywa pomijana siła naporu wiatru [3, 4, 5]. Sytuację pogarsza fakt milczącego założenia, że równoważne strumienie powietrza dopłyną z zewnątrz.

Każda szczelina lub każdy otwór ma swoją charakterystykę przepływową, określającą związek masy lub objętości strumienia powietrza w funkcji różnicy ciśnień:

gdzie:

Δp – różnica ciśnień występująca po obu stronach rozpatrywanych szczelin lub otworów,

α – wykładnik potęgowy zależny od rodzaju ruchu w szczelinach, zmieniający się od 0,5 (ruch burzliwy) do 1,0 (ruch laminarny),
S – szczelność lub współczynnik przepływu (dm³/s dla 1 Pa lub m³/h dla 1 daPa).

W zależności od rodzaju elementu jego szczelność można wyrażać za pomocą zależności:

przy czym a_A to współczynnik przenikania powietrza odniesiony do powierzchni przegrody ΣA, a częściej stosowany współczynnik a_L jest odniesiony do jednostki sumarycznej długości szczelin stolarki budowlanej Σl, liczonej wzdłuż ich części otwieranych.

Najistotniejszym wskaźnikiem jest współczynnik przenikania powietrza (a_L → a_o), będący strumieniem powietrza przenikającym przez jednostkową długość szczelin w warunkach jednostkowej różnicy ciśnień (patrz tab. 1) [3, 4, 5]. Zgodnie z krajowymi zaleceniami wartości tych współczynników powinny zmieniać się w granicach 0,5–1,0 m³ /mh dla Δp = 1 daPa, niezależnie od strefy klimatycznej, a przede wszystkim od wyposażenia, położenia oraz wielkości i kształtu budynku, współdecydujących o układach ciśnień na przegrodach budynków.

Pomijając już arbitralnie wprowadzoną w kraju różnicę ciśnień (1 daPa zamiast 1 Pa), z danych zestawionych w tab. 1 wynika, że za istotną uważa się powszechnie zmianę wartości współczynników w zależności od średnich różnic ciśnień ustalających się w budynkach. Współczynniki odnoszone są zazwyczaj do różnic ciśnień  charakterystycznych dla wysokości, a także terenu oraz położenia budynków. Ma to miejsce także w przypadku ustalania jednakowych wymagań dla wszystkich budynków. Jedynie w trzech krajach uwzględnia się możliwość przenikania powietrza przez powłokę zewnętrzną budynków łącznie z przegrodami pełnymi, odnosząc wartości współczynników do jednostkowej powierzchni powłoki zewnętrznej.

Głównym wnioskiem z powyższych porównań jest stwierdzenie, że krajowe wymagania nie uwzględniają struktur, kształtów i wymiarów budynków, a poza tym należą do najostrzejszych. Charakterystyczna zmienność naturalnych sił napędowych, ujawniająca się znacznymi zmianami różnic ciśnień na przegrodach budynków i w konsekwencji przepływami zdecydowanie zróżnicowanych strumieni powietrza, sugerowałaby weryfikację aktów prawnych. Trudno bowiem zakładać, że szczelność okien będzie identyczna w małym budynku willowym i w budynku 10-piętrowym.

W praktyce szczelność okien nie jest zazwyczaj badana i wskazywana przez ich producenta, co oznacza konieczność odrzucenia nadal pokutujących przekonań o oknach nieszczelnych. Współczynniki przenikania powietrza przez obecnie produkowane okna są przynajmniej o rząd wielkości mniejsze od wartości uznawanych za maksymalne (tzn. znacznie mniejsze niż 0,1 m³ /mh przy 1 daPa). Należy dodać, że zalecane okna z tzw. mikrowentylacją są w stanie jedynie w niewielkim stopniu zwiększyć możliwości dopływu powietrza.

Pozytywną zmianą w tym zakresie było wprowadzenie nakazu stosowania otworów nawiewnych, gdy współczynnik przenikania powietrza ma wartość mniejszą niż 0,3 m³ /mh dla 1 daPa. Jednak wobec braku informacji o szczelności okien i rzadkiego dokonywania pomiarów diagnostycznych (zalecanych np. przez PN-EN ISO 13829:2002) jest to wymaganie czysto teoretyczne. Poza tym wartości współczynników nie są stałe, co dotyczy także wykładników potęgowych.

Akta prawne narzucają jedną ich wartość, równą 0,67. Zależność opisująca przepływ powietrza przez otwór o powierzchni A ma postać:

gdzie:

µ – bezwymiarowy współczynnik wypływu powietrza o gęstości ρ z otworu o powierzchni A przy różnicy ciśnień Δp; kwadratowa zależność między różnicą ciśnień a strumieniem powietrza jest charakterystyczna również dla kanałów wentylacyjnych.

Uwzględniając ciągłą zmienność różnic ciśnień zarówno w obrębie kanałów, jak i na przegrodach budynków (o podobnych wartościach), z dużym prawdopodobieństwem potwierdzonym wynikami badań w budynkach istniejących stwierdzić można, że zakładana zazwyczaj tolerancja skuteczności projektowanych rozwiązań (±10%) może być znacznie przekroczona [4].

W tych warunkach realizacja głównego celu układów wentylacyjnych, jakim jest usuwanie nadmiaru zanieczyszczeń, jest w dużym stopniu wątpliwa. Tymczasem powietrze w pomieszczeniach zawiera ogromną liczbę substancji zanieczyszczających, których źródłem mogą być osoby przebywające w pomieszczeniu lub materiały i sprzęt domowego użytku.

Na rys. 2 przedstawiono wybrane zanieczyszczenia pojawiające się w powietrzu zewnętrznym i wewnętrznym, akcentując oczekiwane działanie układu wentylacji. Zanieczyszczenia zewnętrzne przedostają się do budynku z powietrzem infiltrującym (przy czym w stosunku do niektórych zanieczyszczeń, np. grubszych frakcji pyłu, obudowa budynku ma zdolności filtrujące). W ten sposób poziom stężeń substancji obciążających pomieszczenia wewnętrzne może być jedynie zwiększany, a to oznacza również niestosowność określenia „powietrze świeże” w odniesieniu do powietrza zewnętrznego.

Do typowych zanieczyszczeń występujących w budynkach mieszkalnych, stanowiących o jego stanie higienicznym i będących przedmiotem artykułu, należy zaliczyć przede wszystkim parę wodną (wilgoć) i dwutlenek węgla. Para wodna przedostaje się do atmosfery w wyniku parowania z powierzchni wodnych, lądowych i transpiracji roślin.

Pewna część pary wodnej dostaje się również do powietrza na skutek sublimacji pokrywy śnieżnej i lodowej oraz z parowania wody opadowej. Źródłami wilgoci są: ludzie, zwierzęta, rośliny i procesy związane z użytkowaniem mieszkań. Strumienie wydzielanej pary wodnej przy różnych czynnościach zestawiono w tab. 2.

W aktach prawnych brakuje danych na temat dopuszczalnych stężeń pary wodnej i trudno jednoznacznie ustalić, jakie ilości są akceptowalne, a kiedy należy podjąć działania w celu jej zmniejszenia. Gdyby przyjąć 70% wilgotności względnej (maksymalna wartość niepowodująca istotnych odczuć, uwzględniana w ocenach warunków komfortu cieplnego), graniczna zawartość wilgoci w powietrzu o temperaturze +20°C wynosiłaby 12 g/kg. Wartość ta spada do 7,5 g/kg przy uwzględnieniu 45% wilgotności względnej, wskazywanej jako sprzyjająca występowaniu problemów z wilgotnością we współczesnych budynkach [3, 5].

Dwutlenek węgla w stanie wolnym jest naturalnym składnikiem powietrza atmosferycznego, w ilości 0,038–0,041% (380–410 ppm). Dobrze rozpuszcza się w wodzie, a w normalnych warunkach jest ok. 1,5 raza cięższy od powietrza. Obecność CO₂ wpływa m.in. na szybkość pracy serca i oddechu oraz ogólne samopoczucie.

Stężenia nieznacznie przekraczające naturalnie występujące w atmosferze nie powodują większych uszczerbków na zdrowiu ludzi. Jednakże w przypadku przekraczania pewnych wartości mogą powodować poważniejsze konsekwencje, w postaci m.in. przyspieszonego oddechu, spadku koncentracji, podenerwowania, paraliżu, a w skrajnych przypadkach prowadzić mogą nawet do śmierci.

Ilość dwutlenku węgla wydzielanego przez człowieka zależy przede wszystkim od poziomu jego aktywności, może się jednak różnić w przypadku poszczególnych osób w zależności od diety, masy ciała, wieku itp. Intensywność produkowania dwutlenku węgla przez dorosłego mężczyznę można przyjąć na podstawie danych z tab. 3 [3]. Stężenia CO₂ są uznawane za standard dla oceny wymiany powietrza i jakości powietrza wewnętrznego. Za dopuszczalny poziom przyjmuje się zazwyczaj wartość 1000 ppm, odpowiadającą 25% osób niezadowolonych z warunków wewnętrznych.

Zgodnie ze współczesnymi tendencjami do posługiwania się wskaźnikiem 20% osób niezadowolonych, proponuje się obniżenie dopuszczalnego stężenia dwutlenku węgla do ok. 750 ppm [5]. Z uwagi na stosowane rozwiązania i działanie wentylacji postulować można dopuszczenie w pomieszczeniach mieszkalnych wzrostu średniomiesięcznego stężenia CO₂ do poziomu równego podwójnej wartości, a więc SCO₂ ≈ 1500 ppm.

Należy jednak pamiętać, że wzrost stężenia dwutlenku węgla powoduje wypieranie tlenu i może mieć istotne konsekwencje dla procesów spalania w pomieszczeniach [3, 4]. Efektem niezupełnego spalania może być znaczny wzrost stężeń silnie toksycznego tlenku węgla, a to oznacza pojawienie się warunków niebezpiecznych już nie tylko dla zdrowia.

W cz. 2 przedstawione zostaną wyniki badań powietrza wewnętrznego w reprezentatywnym budynku wielorodzinnym

Literatura

1. The Right to Healthy Indoor Air, Report on a WHO Meeting, Bilthoven, Holandia, 2000.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 mar ca 2009 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 56, poz. 46).
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.