Wymagania normowe dotyczące warunków mikroklimatu, wentylacji budynków oraz wymiany powietrza zawarte zostały w trzech aktach prawnych.

W dokumentach tych nie wyszczególniono specjalnych wymagań dotyczących kształtowania mikroklimatu w budynkach energooszczędnych. Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki [1] określa ogólne wymagania dotyczące wentylacji, a normy [2], [3] między innymi dopuszczalną szczelność otwieranych okien i drzwi balkonowych. Okna o współczynniku infiltracji powietrza mniejszym niż 0,3 m³/(mhdaPa^2/3) montowane w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej powinny być wyposażone w nawiewniki zapewniające dopływ powietrza do celów wentylacji. Gdy brak jest nawiewników, w pomieszczeniach musi być zainstalowana wentylacja mechaniczna nawiewna. W pozostałych wypadkach współczynnik infiltracji musi mieścić się w granicach 0,5 - 1,0 m³/(mhdaPa^2/3). Wymagania powyższe ustalone zostały dla wszystkich budynków bez względu na ich wysokość, szczelności przegród czy choćby usytuowanie w terenie.

Na marginesie warto zaznaczyć, że przepisy te mają zastosowanie zarówno w przypadku budynków nowopowstałych, ale również poddanych zabiegom termomodernizacyjnym. Prace te są działaniami bardzo złożonymi, obejmującymi działania z kilku dziedzin budownictwa. Niestety zgodnie z obowiązującymi przepisami [4] niektóre z prac termomodernizacyjnych mogą we własnym zakresie przeprowadzać użytkownicy obiektów bez wcześniejszych uzgodnień czy pozwoleń, co niekorzystnie wpływa na jakoś mikroklimatu wewnętrznego oraz wymianę powietrza.

Tak szeroki zakres stosowania powyższych przepisów oraz ogólnie postawione zawarte w nich wymagania dają projektantom dość dużą swobodę wyboru sposobu wentylowania budynków.

Najprostszym rozwiązaniem, stosowanym od lat, jest oczywiście wentylacja grawitacyjna. Jej zasada działania jest stosunkowo prosta. Świeże powietrze dostarczane jest do wnętrza poprzez nieszczelności w przegrodach zewnętrznych lub specjalnie zainstalowane w tym celu nawiewniki powietrza, natomiast powietrze zawierające zanieczyszczenia usuwane jest przez kratki wywiewne i dalej poprzez kanały wentylacyjne wyrzucane na zewnątrz. Największą wadą tego systemu jest brak możliwości sterowania ilością nawiewanego/wywiewanego powietrza. W zasadzie zależy ona tylko od różnicy ciśnień wynikających z różnicy temperatury powietrza wewnętrznego oraz zewnętrznego. Aby zapewnić swobodny nawiew powietrza zewnętrznego niezbędne jest wykonanie w przegrodach zewnętrznych otworów o odpowiednio dużej powierzchnia lub zainstalowanie właściwej ilości nawiewników powietrza. Taka organizacja przepływu powietrza powoduje ogromne straty energii związane z jego wymianą. W okresie zimowym do wnętrza nawiewany jest odpowiednio duży strumień powietrza o temperaturze równej temperaturze powietrza zewnętrznego, które należy ogrzać. Ogrzane już powietrze, zawierające zanieczyszczenia, usuwane jest przez przewody wentylacyjne, zwiększając dodatkowo straty energii. W okresie letnim mamy do czynienia z sytuacja odwrotną, tzn. straty związane są z chłodzeniem gorącego powietrza zewnętrznego.

Z tego też powodu oraz ze względu na bardzo szczelną obudowę budynków energooszczędnych,  rozwiązaniem stosowanym w budownictwie energooszczędnym są systemy nawiewno-wywiewne pozwalające odzyskać dużą część energii zużytej na podgrzaniem chłodnego powietrza zewnętrznego, lub też jego ochłodzeniem, przed dostarczeniem go do pomieszczeń. Szczegóły technologiczne takich rozwiązań opisywane były już niejednokrotnie, dlatego też autor nie będzie poświęcał im uwagi, a chciałby zwrócić uwagę na jeszcze jedną korzyść wynikającą ze stosowania takich rozwiązań. Jest nią możliwość kształtowania mikroklimatu.

Poza typowymi, łatwymi do określenia, parametrami powietrza jakimi są temperatura i wilgotność względna, podstawowym parametrem świadczącym o jego jakości jest stężenie dwutlenku węgla (CO₂). Związek pomiędzy ilością powietrza wentylacyjnego, a stężeniem dwutlenku węgla wewnątrz pomieszczeń jest od lat uznawanym i powszechnie stosowanym kryterium oceny jakości powietrza. W pomieszczeniach zamkniętych obserwuje się zwykle wzrost stężenia dwutlenku węgla w powietrzu pochodzącego ze źródeł zewnętrznych i wewnętrznych. Z zewnątrz przedostaje się on do pomieszczenia przede wszystkim drogą infiltracji powietrza przez nieszczelności w obudowie budynku. Rosnący stopień uprzemysłowienia powoduje, że poziom stężenia dwutlenku węgla w powietrzu atmosferycznym stale rośnie. Obecnie jego wartość waha się w granicach 400 – 600 ppm. Wewnątrz pomieszczeń źródłem dwutlenku węgla są przede wszystkim organizmy żywe i urządzenia gazowe. Jego wydzielanie zależne jest od aktywności organizmu (tabela 1) i może się różnić dla poszczególnych osób w zależności od diety, masy ciała stanu zdrowotnego organizmu.

Tabela 1. Emisja CO₂ dla różnych poziomów aktywności. [5].

Oczywistym jest, że stężenie CO₂ zależne jest od ilości przebywających w pomieszczeniu osób, wymian powietrza (spadku zawartości tlenu w powietrzu w przypadku zbyt małej wymiany) czy też nasileniu procesów spalania w pomieszczeniu (np.: palenie tytoniu, przygotowywanie posiłków, itp.). Ideałem byłoby, aby stężenie dwutlenku węgla wewnątrz budynku było zbliżone do jego stężenia w powietrzu zewnętrznym. Obecne standardy WHO dla powietrza wewnętrznego zakładają dopuszczalny poziom stężenia CO₂ na poziomie 1000 ppm przyjmując go jako wymóg minimum higienicznego. Polskie przepisy prawne nie podają maksymalnego stężenia dwutlenku węgla dla pomieszczeń mieszkalnych oraz budynków użyteczności publicznej. Jednak w normie PN-EN 13779:2008 w zależności od jego stężenia określone zostały kategorie powietrza wewnętrznego (tabela 2). Norma ta podaje również wymagany minimalny strumień powietrza przypadający na jedną osobę dla każdej kategorii jakości powietrza wewnętrznego.

Tabela 2. Klasyfikacja jakości powietrza wewnętrznego dla pomieszczeń o małej emisyjności zanieczyszczeń z zakazem palenia wg PN-EN 13779:2008

 W przypadku wentylacji grawitacyjnej właściwe kształtowanie mikroklimatu wewnątrz budynku jest bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe. Niewłaściwie zaprojektowana powierzchnia otworów doprowadzających powietrze zewnętrzne oraz ich niewłaściwe rozmieszczenie powodowały będą zakłócenia w działaniu wentylacji grawitacyjnej, tzw. wsteczne ciągi, podwyższoną wilgotność oraz wysokie stężenie CO₂ wpływające na złe samopoczucie. Ponadto wentylacja grawitacyjna podatna jest na wpływ warunków zewnętrznych takich jak prędkość i kierunek wiatru.  Na rysunkach 1-3 przedstawiono wykres zmienności parametrów powietrza wewnętrznego w  wybranych pomieszczeniach budynku ze źle zaprojektowaną wentylacją grawitacyjną.

W przypadku niewłaściwie zaprojektowanej wentylacji grawitacyjnej (zbyt małej powierzchni otworów nawiewnych), jeden z kanałów wywiewnych realizuje najczęściej funkcję elementu doprowadzającego powietrze wewnętrzne dla potrzeb działania wentylacji (wartości ujemne na rysunku nr 1). Natomiast zimne powietrze zewnętrzne wpływające kanałem (rys. 2) obniżało znacznie temperaturę wewnątrz tego pomieszczenia powodując dyskomfort użytkowania.

Rys. 1. Prędkość strumienia powietrza wentylacyjnego przepływającego przez poszczególne kanały w obiekcie bez nawiewników powietrza ( wielkości ujemne  oznaczają nawiew).

Rys. 2. Temperatura strumienia powietrza przepływającego przez kanały w wybranym budynku bez nawiewników powietrza.

Stężenie dwutlenku węgla, które przyjęto jako wskaźnik jakości mikroklimatu wskazuje na niedostateczny napływ powietrza zewnętrznego, co uwidaczniało się znacznym stężeniem CO₂ w poszczególnych pomieszczeniach (rys. 3). Jedynie w pomieszczeniu gdzie znajdował się kanał, którym wtłaczane było powietrze zewnętrzne poziom stężenia CO₂ można było uznać za zadowalający.

Rys. 3. Stężenie CO₂ w wybranym obiekcie bez nawiewników powietrza.

W przypadku prawidłowego zaprojektowania wentylacji grawitacyjnej obydwa kanały będą realizowały funkcję usuwania zanieczyszczonego powietrza z budynku. Na rysunku 4 przedstawiono wykres zmienności temperatury powietrza usuwanego poszczególnymi kanałami. Jak widać powietrze to ma wysoka temperaturę. A więc wpływa niekorzystnie z bilans energetyczny budynku.

Rys. 4. Temperatura strumienia powietrza przepływającego przez kanały w obiekcie z systemem wentylacji grawitacyjnej i nawiewnikami powietrza w każdym pomieszczeniu.

Rysunek 5 przedstawia natomiast stężenie dwutlenku węgla w poszczególnych pomieszczeniach takiego budynku. Budynek wyposażono w okienne nawiewniki w każdym pomieszczeniu. Jak można zaobserwować wartości CO₂ i tak przekraczają wartości zalecane przez WHO tj. 1000 ppm. Przyjmując wartość stężenia dwutlenku węgla na poziomie 400 – 500 ppm uzyskane wyniki kwalifikują takie obiekty w grupie pomieszczeń o niskiej jakości powietrze wewnętrznego wg. wymagań PN-EN 13779:2008. Zainstalowanie nawiewników powietrza w ramiakach okien wpłynęło niekorzystnie na komfort użytkowania budynku. Napływający przez nawiewniki strumień zimnego powietrza zewnętrznego obniżał temperaturę wewnątrz pomieszczeń, ale również zwiększał ilość energii potrzebnej na jego ogrzanie.

Rys. 5. Stężenie CO₂ w wybranym budynku z systemem wentylacji grawitacyjnej i nawiewnikami powietrza.

W przypadku budynków z systemem mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej wady te zostały całkowicie wyeliminowane lub bardzo mocno ograniczone. Na rysunku 6 przedstawiono zmienności temperatury w wybranych pomieszczeniach budynku energooszczędnego z systemem wentylacji nawiewno-wywiewnym z odzyskiem ciepła. Analiza uzyskanych wartości pozwala stwierdzić, że wahania temperatury w poszczególnych pomieszczeniach są niewielkie. Z kolei analiza uzyskanych wartości stężenia CO₂ (rys. 7) wskazuje, że są one o wiele niższe, niż w przypadku budynków z systemem wentylacji grawitacyjnej. Przyjmując jak poprzednio stężenie dwutlenku węgla w powietrzu zewnętrznym na poziomie 400-500 ppm, klasyfikuje to takie obiekty w klasie umiarkowanej jakości powietrza wewnętrznego wg PN-EN 13779:2008, a więc o dwie klasy wyżej niż w przypadku przedstawionego powyżej obiektu z wentylacją grawitacyjną.

Rys.6. Rozkład temperatur w wybranych pomieszczeniach budynku energooszczędnego z systemem wentylacji nawiewno-wywiewnym z odzyskiem ciepła.

Rys.7. Rozkład stężenia dwutlenku węgla w wybranych pomieszczeniach budynku energooszczędnego z systemem wentylacji nawiewno-wywiewnym z odzyskiem ciepła.

Podsumowując, można stwierdzić, iż systemy wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła, poza niewątpliwą zaletą jaką jest możliwość oszczędzania energii, daje również możliwość świadomego kształtowania mikroklimatu wewnętrznego. Wpływa to pozytywnie na komfort użytkowania obiektów energooszczędnych ale również, a może przed wszystkim, na samopoczucie i zdrowie ich użytkowników.

dr inż. Marek Telejko, Politechnika Świętokrzyska

Literatura:

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (Dz. U. Nr 75, poz. 690 z póź. zmianami)
2. PN-83/B-03430 – Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania
3. PN – 83/B – 03430:Az3:2000 – Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania (Arkusz zmian Az3)
4. ustawy z dnia 7 lipca 1994 r Prawo budowlane – tekst jednolity z dnia 19 styczna 2014 (Dz. U. z 2013 poz. 1409)
5. Nantka M.B., Naturalna wymiana powietrza a szczelność mieszkań, Forum Wentylacja 2005, Warszawa 2005