Vydýchaný vzduch je problém zvláště v zimním období, kdy lidé mají tendenci méně větrat

Vydýchaný vzduch a jak správně větrat

Člověk v klidu vydýchá za 24 hodin přes 1 kg oxidu uhličitého (CO2). Delší pobyt v nevětrané místnosti vede k rychlému růstu obsahu CO2, přidušení a dlouhodobě i k chronickým zdravotním potížím. V článku je výpočtový program, s jehož pomocí čtenář stanoví intenzitu větrání místnosti s lidmi.

I dnes převládá myšlení a praxe, které považují větrání za nutné hlavně proto, aby v zimě v zateplených domech s těsnými okny nevlhly stěny a nebujela plíseň. Nicméně hlavním smyslem větrání je především dýchat uvnitř budov zdravý čerstvý vzduch. Jenže zdravé dýchání současné české stavitelství trvale přehlíží, jsouc zapáleno do boje proti fiktivnímu globálnímu oteplování a nyní i proti koronaviru, jehož agenda pohrdá čerstvým vzduchem snad ještě víc.

Větrání je důležitější než zateplení

Venkovní hladina CO2 ve volné přírodě je na úrovni do 400 ppmv. To je i pro člověka vhodná, ne-li doslova ideální úroveň a zároveň to jsou podmínky, za kterých člověk kdysi dávno vznikl. Ze zkušenosti také víme, že hladina 700 ppmv CO2 je ještě zdravotně přijatelná. Ovšem od úrovně 1000 ppm CO2 výše již začínají potíže a některé země, např. USA, už regulují délku pobytu.

Dodejme, že lidé většinou nepoznají, že vzduch v místnosti, který byl zpočátku čerstvý, se po nějaké době stal vydýchaným (obsah CO2 nad 700 ppmv) a po další době dokonce ohrožujícím zdraví (obsah CO2 nad 1200 ppmv). Samozřejmostí každého bytu nebo pobytových prostor by proto mělo být čidlo CO2, které při překročení uvedených hodnot spustí alarm nebo ventilaci.

Množství CO2 a informaci o vydýchaném vzduchu na měřidle

Český stavební zákon výslovně upřednostňuje zdraví před tepelnou ochranou. Bohužel jen na papíře. Na tomto zákoně je vidět, že ho schvalovali lidé, kterým uniká význam kvalitního dýchání. Když se v budovách s těsnými okny a dveřmi nevětrá, roste tu (vedle vodní páry) především množství CO2. Vydýchaný vzduch bývá často ztotožňován s nedostatkem kyslíku, což není přesné. Kyslíku je i ve vydýchaném vzduchu dost, ale naše plíce ho už nedokáží zpracovat.

Příklad: Vydechovaný vzduch obsahuje asi 40 000 ppmv CO2, tedy 40 objemových tisícin. I tento vzduch stále obsahuje dost kyslíku, ale pro nás už nedosažitelného: nadechování (jen) vzduchu, který sami vydechujeme, vede rychle k udušení.

Při polovičním obsahu, asi 20 000 ppmv CO2, již dýcháme, přesto hrozí smrt udušením – tělo pracuje na kyslíkový dluh. To platí v podstatě až do koncentrace asi 5 000 ppmv CO2, kdy americká zdravotní norma ASHRAE doporučuje jen omezený pobyt do 8 hodin. Nejvyšší akceptovatelná hranice podle této normy je 1000 ppmv CO2, doporučená do 700 ppmv: Obě tato čísla by měla být velmi tvrdou normou i pro naše stavitele a bydlící lidé by na této kvalitě vnitřního vzduchu měli důrazně a celoročně trvat.

Měření obsahu CO2 na našich zateplených ZŠ (psal se rok 2016 v době topného období) ukázalo hodnoty i nad 6 000 ppmv CO2. Delší pobyt v takovém prostředí je už velký problém. Tělo nespaluje cukry, ztrácí energii a také samočisticí a samoléčebnou schopnost. To vše umocněno špatným pitným a stravovacím režimem a lenivým způsobem života, např. doma na gauči, vede k vážným chorobám.

Zdravotně správná výměna vzduchu větráním většinu lidí ohromí svou kvantitou, kterou si čtenář může sám stanovit pomocí následujícího jedinečného výpočtu:

Výpočet:
Sami si spočítejte intenzitu větrání v libovolné místnosti vašeho bytu. K tomu stačí znát jen její objem a obsazenost lidmi včetně jejich vyjmenovaných pohybových aktivit. Dále si zvolte nejvyšší stupeň vydýchanosti místnosti: Normální venkovní hladina oxidu uhličitého je 400 ppm (z milionu molekul vzduchu připadá 400 na CO2). Redakcí doporučená a přednastavená 700 ppm CO2; v ČR je úředně nejvyšší přípustná hladina 1200 ppm CO2.

Větrání podle počtu osob a jejich aktivit

Aby měl člověk jistotu, že dýchá čerstvý vzduch, musí "zařídit" obsah oxidu uhličitého na úrovni pod 700 ppmv. K tomu se ale musí v místnostech adekvátně větrat. Tento článek ukazuje, jak na základě počtu osob a jejich pohybových aktivit odhadnout stupeň vydýchanosti daného prostoru. Dále počítá intenzitu větrání tak, aby osoby dýchaly čerstvý a svěží vzduch. Ideální je pak instalovat do domu větrání, které samo hlídá stupeň vydýchanosti vnitřního vzduchu a při překročení hranice 700 ppmv obsahu CO2 samo spustí větrání až do okamžiku dosažení dostatečně bezpečné úrovně, dejme tomu 500 ppmv.

Co je čerstvý vzduch?

Čerstvý vzduch je čistý venkovní vzduch. Typický je pro něj obsah oxidu uhličitého CO2 lehce nad 400 ppmv. Bezpečná a zdravá hladina CO2 je do 700 ppmv. Obsah do 1200 ppmv je ještě vyhovující. Avšak od této hladiny výš je doporučeno omezit pobyt a pracovní úsilí lidí.

Vydechovaný vzduch obsahuje cca 40 000 ppmv CO2, tedy 40 objemových tisícin. I ten obsahuje dost kyslíku, avšak pro člověka už nedýchatelného: vdechování vzduchu, který vydechujeme, vede rychle k udušení.

Lidé většinou neodhadnou, že žijí ve vydýchaném prostředí. A tak zejména v zimě za utěsněnými okny a při absenci vzduchotechniky dýchají vzduch s obsahem až 5000 ppmv (měřění z jedné školy).

Totéž platí o roušce. Dýchání skrze ni je obtížnější (sportovci a manuálně pracující ji nepoužívají), nadechován je zčásti vydýchaný vzduch. Ve vydýchaných místnostech je požívání roušky kontraproduktivní a to nerozebíráme "virovou" těsnost roušky. To platí pro všechny roušky a respirátory, ať už jsou jakkoli protěžovány ze strany úřadů.

V konkrétní praxi by mělo být větrání realizováno tak, že reaguje na čidlo obsahu CO2. Při návrhu větrací soustavy je však dobré předem znát možné požadavky na jeho výkon. I proto vznikl tento text.

Tab. 1, jejíž hodnoty byly převzaty z [2], uvádí měrný energetický výdaj vybraných pohybových činností. I v době odpočinku, např. při sledování televize, je náš energetický výdaj E = 0,090 kJ za minutu na každý kilogram naší hmotnosti. Při váze 80 kg je to 432 kJ za hodinu.

Energetický výdajE
kJ/(kg.min)
E
J/(kg.s)
Odpočinek nebo spánek0,0711,183
Sezení v klidu0,0901,500
Psaní, sledování televize0,1252,083
Vaření, mytí, utírání prachu0,1702,833
Luxování0,2604,333
Jízda na rotopedu, pomalá0,3345,567
Drhnutí podlahy0,3906,500
Jízda na rotopedu, rychlá0,5509,167
Tab. 1: Energetický výdaj při různých pohybových činnostech v kJ na kg hmotnost osoby za minutu. Převzato z [2].

Tato energie vzniká spálením glukosy v těle. Z každé její molekuly přitom vznikne 6 molekul oxidu uhličitého CO2. Ze spalného tepla glukosy 2 815 800 kJ/kmol [3] lze vypočítat, že uvedených 432 kJ/h znamená, že v těle dochází ke spalování s rychlostí 27,6 g/h glukosy, přičemž se uvolní 40,5 g CO2 za hodinu, který vydýcháme.

Sedíme-li přitom v nevětrané místnosti o objemu 60 m3, pak každou hodinu v každém m3 přibude 675 mg CO2 (tzn. 374 ppmv – objemových miliontin za hodinu). K těmto hodnotám dojdeme dosazením do následujících vztahů, přitom uvažujeme teplotu 20 °C:

resp.

kde:

ΔC je přírůstek CO2 dýcháním v kg/(m3·s),
ΔX je přírůstek CO2 dýcháním v ppmv/s,
E je energetický výdaj v J/(kg.s) z tab. 1,
Mk je hmotnost všech osob,
R = 8314 J/kmol je plynová konstanta,
μ = 44 kg/kmol je molární hmotnost oxidu uhličitého CO2,
Hsp = 2,8158·109 J/kmol je spalné teplo glukosy,
p = 105 Pa je normální tlak,
T je termodynamická teplota v K a
V je objem místnosti.

Z důvodů rozměrové jednoty se do vztahů (1) a (2) dosazují veličiny vyjádřené v jednotkách soustavy SI. V našem případě to jsou m, s, kg, K, J, kmol a Pa a z nich odvozené jednotky. V dalším textu budeme používat i následující názornější jednotky:

  • pro přírůstek ΔC jednotku mg/(m3·h); 1 kg/(m3·s) = 3,6·109 mg/(m3·h)
  • pro přírůstek ΔX jednotku ppmv/(m3·h); 1 ppmv/(m3·s) = 3600 ppmv/(m3·h)
  • pro hmotn. koncentraci C jednotku mg/(m3); 1 kg/m3 = 106 mg/m3.

Otázka zní, jak dlouho mohou lidé pobývat v nevětrané místnosti, aniž by riskovali zdraví?

Vzdušný obsah CO2 z pohledu zdraví

Připomeňme si, že ve vydechovaném vzduchu je CO2 zastoupen přibližně podílem 40 000 ppmv. Ve venkovním, čerstvém vzduchu je ho kolem 400 ppmv, to znamená přibližně 723 mg CO2/m3. To je zároveň normální, zdravá hladina CO2 ve vzduchu pro dlouhodobý pobyt podle ASHRAE (American Society of Heating, Refridgerating and Air). Přehled různých stupňů "vydýchanosti" vzduchu ukazuje následující seznam:

  • do 400 ppm: čerstvý venkovní vzduch,
  • do 700 ppm: doporučené pobytové prostředí po jakkoli dlouhou dobu,
  • do 1 000 ppm: zdravotně akceptovatelná hladina; mohou se už objevit pocity těžkosti nebo štiplavého zápachu,
  • od 1 000 ppm se začíná dostavovat celková ospalost,
  • od 2 500 ppm vznikají zdravotní potíže,
  • nad 5 000 ppm (přípustný expoziční limit, PEL) předepisuje ASHRAE časově omezený pobyt (<< 8 hod.), který se rychle krátí s rostoucí koncentrací CO2,
  • 25 000 ppm, 2,5 objemová procenta: nejvyšší přípustná koncentrace (NPK), hrozí smrt udušením,
  • 40 000 ppm, 4 objemová procenta: lidmi vydechovaný vzduch.
Detailní pohled na stupnici ASHRAE na CO2 metru

Jediný člověk (o hmotnosti 80 kg, v klidu sedící či píšící) vydýchá nevětranou místnost o objemu 60 m3 cca za hodinu. Tím se myslí, že za hodinu stoupne obsah CO2 o 374 ppmv na hodnotu převyšující 1 000 ppmv, kdy podle ASHRAE začínají vznikat potíže. Pokud by v nevětrané místnosti trávil celý den, překročil by PEL (5 000 ppmv), i kdyby celou tu dobu jen spal. Kdyby tento člověk dvě hodiny denně cvičil na rotopedu a zbytek dne odpočíval, za dva dny by překročil NPK a mohl by se teoreticky udusit.

Člověk většinou vydýchaný vzduch moc nevnímá a i když se cítí unaven, příčinu hledá jinde. Proto také špatně odhaduje intenzitu větrání. Tu lze spočítat podle vzorce

kde
v je rychlost výměny vzduchu místnosti v h–1,
ΔX, resp. ΔC jsou přírůstky CO2 dýcháním v ppmv/h resp. mg/(h·m3),
XP, resp. CP je požadovaný obsah CO2, např. 1000 ppmv resp. 1800 mg/m3,
X0, resp. C0 je venkovní obsah CO2, tedy podle ASHRAE 400 ppmv resp. 723 mg/m3.

Závěr

Intenzity větrání pro udržení zdravého vzduchu v místnosti rozhodně nejsou zanedbatelné. V noci, kdy v pokoji spí jedna osoba, to znamená vyměnit 49 % objemu vzduchu místnosti za hodinu. Pokud nocují v místnosti 3 osoby, řekněme rodiče a dítě, je požadováno vyměnit celý objem vzduchu už za 55 minut. A pokud se např. v místnosti zároveň vaří, luxuje a k tomu ještě dítě, dejme tomu, šlape na rotopedu, je nutné v místnosti vyměnit veškerý vzduch v místnosti cca za 13 minut atd. Jedno z bezpečných řešení je svěřit výměnu vzduchu samočinné technice.

Poznámky

1. Energetické nároky vybraných pohybových činností byly přepočítány na vydechovaný oxid uhličitý CO2 pomocí spalného tepla glukosy o velikosti 2 816 000 kJ/kmol při 25 °C, viz [3], při jejíž oxidaci vzniká 6 kmol CO2 na jeden kilomol glukosy. Korekci uvedeného spalného tepla glukosy na teplotu lidského těla nepovažujeme pro účely článku za podstatnou.

2. Výpočet zanedbává změny tlaku a objemu v důsledku změn obsahu CO2. Při obvyklých pokojových teplotách a tlaku kolem 1000 hPa vede toto zanedbání k chybě pod 1 % ve výsledcích.

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek Jiří: Aktivní domy, CO2 neutrální. Jaké jiné?, Stavebnictví a interiér č, 7/2009.
[2] Provazník Kamil a kol.: Manuál prevence v lékařské praxi – Tabulky energetických nároků pohybové činnosti. V rámci programu Národní program zdraví vydal Státní zdravotní ústav, 1998. Viz také internetový portál www.zdravcentra.cz od společnosti Zentiva, k.s.
[3] Julák Alois, Štulík Karel, Vohlídal Jiří: Chemické a analytické tabulky, Graga Publishing 1999.

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek, Jiří Hejhálek ml.
Foto: Jiří Hejhálek