Výsledky měření vybraných ukazatelů vnitřního prostředí v budově experimentálního rodinného domu

Úvod

V rámci operačného programu Výskum a vývoj a projektu OPVaV-2008/2.2/01-SORO „Architektonické, konštrukčné, technologické a ekonomické aspekty navrhovania energeticky efektívnych budov“ prebieha výskumná úloha. Účelom výskumnej úlohy je pravidelné minitorovanie a vyhodnocovanie vybraných ukazovateľov vnútorného prostredia rodinného domu v stave užívania a celoročného monitoringu prevádzky. Cieľom je po dobu minimálne 3 rokov užívania budovy vyhodnocovať vhodnosť a efektívnosť navrhnutých a zrealizovaných architektonických a konštrukčných riešení, ako aj sústav techniky prostredia v rodinnom dome, s cieľom overiť návrh z hľadiska energetickej efektívnosti budovy, z hľadiska prevádzky sústav techniky prostredia budovy, ako aj z hľadiska tepelno vlhkostnej bilancie stavebných konštrukcií a prostredia budovy. Výsledkom by mala byť optimalizácia návrhu riešenia, vyhodnotenia dlhodobých experimentálnych meraní pre dosiahnutie ekonomickej, energetickej, technologickej a konštrukčnej efektívnosti.

Energetická bilancia experimentálneho rodinného domu

Kľúčovým prvkom pri navrhovaní energeticky efektívnych budov sú v prvom rade tepelnotechnické vlastnosti obalových konštrukcií, riešenie kritických detailov stavebných konštrukcií, vzduchotesnosť obalových konštrukcií, ako aj návrh komponentov a následná prevádzka sústav techniky prostredia (užívateľský režim). Tepelnotechnické vlastnosti jednotlivých obalových konštrukcií, plošné ukazovatele a energetická náročnosť budovy sú uvedené v tabuľke 1. [1,3,4,5].

Experimentálny rodinný dom

Experimentálny rodinný dom predstavuje jednopodlažný, nepodpivničený samostatne stojaci rodinný dom s plochou strechou. Charakteristickým znakom budovy sú transparentné plochy, orientované na juh, zabezpečujúce tepelné zisky zo slnečného žiarenia; projektovaný počet osôb v budove: 3 osoby; lokalita Košice–Krásna; veterná oblasť: 2, teplotná oblasť: 2, vonkajšia teplota – 13,0 °C, (podľa STN 73 0540-3 [1].).

Obr. 1. Experimentálny rodinný dom – pohľad

V experimentálnej budove je inštalovaná vzduchotechnická jednotka DUPLEX RB 730/440 s výkonom 3 kW, určená pre dvojzónové cirkulačné teplovzdušné vykurovanie a súčasne pre vetranie so spätným získavaním tepla (stredná účinnosť rekuperátora 85 %). Inštalácia horného distribučného rozvodu vzduchu zaisťuje súčasne primárny cirkulačný okruh vykurovania a vetrania obytných miestností rodinného domu a zároveň sekundárne oddelené odvetranie sociálneho príslušenstva. Vzduchotechnická jednotka pracuje podľa ročného obdobia, resp. podľa aktuálnej potreby užívateľa v piatich základných režimoch:

• rovnotlaký vykurovací režim: celoročne – n_v = 0,15–0,5 [1/h];
• cirkulačný vykurovací režim: vykurovacie obdobie – n_v = 0,15–0,5 [1/h];
• cirkulačný vykurovací režim: vykurovacie obdobie bez vetrania – n_v = 0;
• vetrací režim: podtlakový letné a prechodné obdobie – n_v = 0,15–0,5 [1/h];
• vetrací režim: pretlakový letné obdobie – n_v = 1,0–1,8 [1/h].

Distribučný systém teplovzdušného vykurovania a vetrania inštalovaný v rodinnom dome, má pre účely experimentálneho výskumu oddelený nezávislý dolný distribučný rozvod prívodu vzduchu a samostatný horný distribučný rozvod prívodu vzduchu (Obr. 2., 3.).

Obr. 2. Teplovzdušné vykurovanie a vetranie – výustka pre dolný prívod vzduchu (vľavo) a výustka pre horný prívod vzduchu (vpravo).

Obr. 3a, b. Distribučný systém s dolným prívodom vzduchu (vľavo) s horným prívodom vzduchu (vpravo).

Všeobecný trend pri výstavbe energeticky efektívnych budov je inštalácia systému s dolným prívodom vzduchu, snahou tohto experimentálneho zámeru je overiť a poukázať na možnosť použitia systému s horným prívodom vzduchu, predpokladom sú tieto možné výhody uvedené v tabuľke 2.

Meranie in situ vo vnútornom prostredí experimentálnej budovy

Experimentálny rodinný dom je monitorovaný od uvedenia do užívania (r. 2009). Stav vnútorného prostredia je monitorovaný v hodinových intervaloch. Za účelom monitorovania vnútorného prostredia rodinného domu boli vybrané nasledujúce veličiny: teplota vnútorného vzduchu θ_ai [°C], relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu φ_i [%], koncentrácia CO₂ [%], teplota vnútorných povrchov obalových konštrukcií θ_si [°C]. V rovnakom časom intervale sa zaznamenávajú aj teplota vonkajšieho vzduchu θ_ae [°C] a relatívna vlhkosť vonkajšieho vzduchu φ_e [%].

Obr. 3c. Schematické znázornenie rozmiestnenia snímačov v podoryse experimentálnej budovy (vľavo), zaznamenávané veličiny (vpravo).

Čiastkové údaje uvedené v tomto príspevku (Obr. 4, 5, 6, 7.) boli analyzované za účelom overenia prípustných hodnôt koncentrácie CO₂ v budove. Za týmto účelom bol použitý snímač koncentrácie CO₂ vo vzduchu AHLBORN FYA600 – CO₂ (s meracím rozsahom 0...2,5 % a výrobcom garantovanou presnosťou ±2 % z rozsahu, pracujúcom na IR–optickom princípe), ktorý bol umiestnený v miestnosti spálne, vo výške 0,45 m nad úrovňou podlahy (snímač č. 7). Koncentrácie CO₂ v interiéri boli pre túto čiastkovú analýzu zaznamenávané v časových intervaloch 1 hodina (pre sledované obdobie 1. júla až 7. júla) 2010. Nasledujúce grafy (Obr. 4, 5, 6, 7.) znázorňujú merania in situ koncentrácií CO₂ vybranej miestnosti (Obr. 4 znázorňuje hodnoty pre namerané koncentrácie CO₂ [%] a limitnú hranicu koncentrácie CO₂ podľa Pettenkoferovho kritéria).

Obr. 4. Priebeh koncentrácie CO₂ vo vnútornom vzduchu vo vybranej miestnosti, snímač č. 7 – spálňa, týždenný interval v letnom období (vľavo) a vybraný trojdňový interval uvedeného týždňa pre letné obdobie (vpravo).

Obr. 5. Priebeh koncentrácie CO₂ vo vnútornom vzduchu v zimnom období (1. 12. 2010 – 31. 12. 2010), vo vybranej miestnosti, snímač č. 7 – spálňa.

Obr. 6. Priebeh koncentrácie CO₂ vo vnútornom vzduchu v zimnom období (1. 1. 2011 – 31. 1. 2011), vo vybranej miestnosti, snímač č. 7 – spálňa.

Obr. 7. Priebeh koncentrácie CO₂ vo vnútornom vzduchu v prechodnom období (1. 3. 2011 – 31. 3. 2011), vo vybranej miestnosti, snímač č. 7 – spálňa.

Sledovaná miestnosť vo vybranom týždni letného obdobia vykázala prekročenie limitnej koncentrácie v určitých zaznamenaných intervaloch dňa (pozri Obr. 4). Maximálna hodnota zaznamenaná v interiéri počas exploatácie nedosiahla koncentráciu 0,15 % (všeobecne stanovenú pre pasívne domy – koncentrácia CO₂ 0,15 % – pre väčšinu osôb prijateľná). V zimnom období sa koncentrácia CO₂ vo vnútornom vzduchu miestnosti spálne, počas celého sledovaného obdobia, pohybovala v rozmedzí 0,034 %–0,262 %. Limitná hodnota koncentrácie CO₂ podľa Pettenkofera bola prekročená aj v zimnom období (Obr. 5, 6), avšak koncentrácia CO₂ 0,15 %, pre väčšinu osôb prijateľná, bola prekročená len v čase exploatácie budovy užívateľmi vo večerných a v nočných hodinách. Vyššie koncentrácie CO₂ nad hodnotou 0,15 % počas dlhodobejšieho obdobia, poukazujú na obdobie Vianoc (Obr. 5, časový interval t 558–620 hod.). V prípadoch kedy bola koncentrácia CO₂ vo vybranej miestnosti nad požadovanými hodnotami, ako je zrejmé z Obr. 5, 6, pre vybrané sledované zimné obdobie od 01.12.2010 do 31.01.2011, vetrací systém účinne znižuje koncentráciu na požadované hodnoty. Počas vybranej časti prechodného obdobia od 1. 03. 2011 do 31. 03. 2011 (Obr. 7) sa koncentrácia CO₂ vo vnútornom vzduchu miestnosti spálne, pohybovala v rozmedzí 0,023 %–0,245 %, aj tieto namerané hodnoty poukazujú na skutočnosť, že vetrací systém aj pri krátkodobých vyšších koncentráciach účinne znižuje koncentráciu na požadované hodnoty, pri intenzívnom vetraní, až na hodnoty koncentrácie CO₂ vo vonkajšom ovzduší. Uvedené výsledky sú len čiastkovým výstupom a sú predmetom ďalšieho výskumu a monitoringu prevádzky vybranej experimentálnej budovy rodinného domu v klimatických podmienkach východného Slovenska.

Záver

Pri bilancovaní potreby tepla a spotreby energií na vykurovanie, vetranie, klimatizáciu, prevádzku energeticky efektívnych budov a zabezpečenia celkového komfortného stavu vnútorného prostredia v súlade s nárokmi užívateľov, je potrebné rešpektovať aj požiadavku na potrebnú výmenu vzduchu, v nadväznosti na predpokladaný výskyt škodlivín vo vnútornom prostredí. Na základe čiastkových meraní uskutočnených v experimentálnom rodinnom dome koncentrácia CO₂ 0,15 % vo vnútornom prostredí užívanej budovy počas sledovaného najnepriaznivejšieho týždenného merania v letnom období nebola prekročená (limitná koncentrácia CO₂ 0,10 % podľa Pettenkofera bola prekročená v 3 dňoch sledovaného obdobia max. o hodnotu 0,026%). V zimnom období sa koncentrácia CO₂ počas vybraného sledovaného obdobia pohybovala v rozmedzí 0,046 %–0,262 %, počas vybraného časového intervalu v prechodnom období v rozmedzí 0,023 %–0,245 %. Čiastkové výsledky merania koncentrácie CO₂ poukazujú na fakt, že riadené vetranie pasívnych budov pozitívne ovplyvňuje koncentráciu CO₂ vo vnútornom prostredí. Koncepcia sústav techniky prostredia, vetrania a vykurovania pri zvolenom distribučnom systéme je predmetom ďalšieho výskumu a vyhodnocovania.

Literatúra

• [1] STN 73 0540-3: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov (Marec 2002).
• [2] STN EN ISO 13790: Energetická hospodárnosť budov, Výpočet potreby energie na vykurovanie a chladenie (ISO 13790: 2008) (Máj 2009).
• [3] STN 73 0540-1: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 1: Terminológia (Marec 2002).
• [4] STN 73 0540-2: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 2: Funkčné požiadavky (Marec 2002).
• [5] STN 73 0540-4: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 4: Výpočtové metódy (Marec 2002).

Poďakovanie

Príspevok vznikol vďaka finančnej podpore z prostriedkov štrukturálnych fondov EÚ, prostredníctvom Operačného programu Výskum a vývoj a projektu OPVaV-2008/2.2/01-SORO „Architektonické, konštrukčné, technologické a ekonomické aspekty navrhovania energeticky efektívnych budov“, s kódovým označením ITMS: 26220220050, ktorý je spolufinancovaný zo zdrojov ES.