Vydýchaný vzduch a jak ho správně větrat

Člověk v klidu vydýchá za 24 hodin přes 1 kg 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, podle kterého si čtenář snadno a ihned spočítá intenzitu větrání v pokoji nebo domě.

Ještě stále se mezi lidmi šíří myšlenky, že větrání je nutné hlavně proto, aby v zimě v zateplených domech s těsnými okny nevlhly stěny, nebujela plíseň atp. Nic proti tomu, ovšem neskonale důležitější je, aby lidé uvnitř bytů a domů dýchali kvalitní vzduch.

Výpočet: Spočítejte si velikost větrání v místnosti.

Větrání je důležitější než zateplení

Uvedená hladina CO2 na úrovni 400 ppmv je pro člověka vhodná, ne-li ideální. Jsou to cca podmínky, za kterých kdysi dávno člověk vznikl. Ze zkušenosti dále víme, že hladina 700 ppmv CO22 je ještě zdravotně zcela přijatelná. Ovšem od úrovně 1000 ppm CO2 výše již některé země, v čele s USA, začínají regulovat délku pobytu v takovém prostředí.

Český stavební zákon výslovně upřednostňuje zdraví před tepelnou ochranou, je na něm ale vidět, že ho psali a schvalovali lidé, kteří si plně neuvědomovali důležitost čerstvého vzduchu. Když se v budovách s novými okny a dveřmi nevětrá, zvyšuje se tu (vedle páry) především množství CO2. Vydýchaný vzduch bývá často ztotožňován s nedostatkem kyslíku, což není přesný popis problému. 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 jak bylo uvedeno, pro nás nedýchatelného: nadechování vzduchu, který sami vydechujeme, vede k vždy 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 tis. ppmv CO2, kdy americká zdravotní norma ASHRAE doporučuje jen omezený pobyt do 8 hodin. Akceptovatelná hranice podle této normy je 1000 ppmv CO2, doporučená do 700 ppmv.

A jaká bývá praxe? Nedávné měření obsahu CO2 na našich zateplených ZŠ ukázalo místy i hodnoty 6 tis. ppmv CO2. Dlouhodobý pobyt v takovém prostředí už je problém. Tělo nespaluje cukry, pomalu ztrácí samočisticí a samoléčebnou schopnost. To – umocněno špatným pitným a stravovacím režimem a lenivým životem na gauči – vede k tzv. nevyléčitelným a civilizačním chorobám.

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

Výpočet: Spočítejte si velikost větrání v místnosti.

V domácích podmínkách, v kancelářích či ve školách lze koncentraci CO2 měřit například Monitorem CO2 od společnosti Airflow. Na tomto přístroji je současně měřena a indikována i hodnota relativní vlhkosti a teploty.


Přečtěte si rovněž náš článek o způsobech větrání bytů a rodinných domů.

Větrání podle počtu osob a jejich aktivit

Aby měl člověk pocit, že dýchá čerstvý vzduch, obsah oxidu uhličitého musí být menší než 700 ppmv. K tomu ale musí adekvátně větrat. Tento článek ukazuje, jak na základě počtu osob a jejich pohybových aktivit počítat stupeň vydýchanosti daného prostoru. Dále počítá intenzitu větrání tak, aby osoby pociťovaly čerstvý, svěží vzduch.

V konkrétní praxi je větrání samozřejmě realizováno tak, že reaguje na čidlo obsahu CO2. Při návrhu větrací soustavy je však dobré předem znát možné požadavky na jeho výkon. Proto vznikl tento článek.

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?

Výpočet: Spočítejte si velikost větrání v místnosti.

Vzdušný obsah CO2 z pohledu zdraví

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). Další stupně pro dlouhodobý pobyt jsou:

  • do 1000 ppmv je zdravotně akceptovatelná koncentrace CO2. Doporučuje se pobývat v prostředí do 700 ppmv, při vyšším CO2 bývají stížnosti na pocit těžkosti anebo je cítit štiplavý zápach,
  • od 1 000 ppmv se začíná dostavovat celková ospalost,
  • od 2 500 ppmv vznikají trvalé zdravotní potíže,
  • nad 5 000 ppmv (přípustný expoziční limit, PEL) předepisuje ASHRAE časově omezený pobyt (< 8 hod.), který se krátí s rostoucí koncentrací CO2, a
  • nad 25 000 ppmv (nejvyšší přípustná koncentrace, NPK) hrozí smrt udušením.
Detailní pohled na stupnici ASHRAE na CO2 metru

Jediný člověk (o váze 80 kg, v klidu sedící či píšící) vydýchá nevětranou místnost 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 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.

Některé modelové příklady činností a jim odpovídající intenzity větrání jsme spočítali. Přitom jsme uvažovali místnost o objemu 60 m3 a požadovali jsme, aby obsah CO2 nepřekročil hodnotu 1000 ppmv, která je podle ASHRAE ještě akceptovatelná. Obsah CO2 u venkovního, tedy čerstvého vzduchu je 400 ppmv. Výsledky ukazuje tab. 2.

Čtenář si může sám spočítat intenzity větrání pro různé domácí činnosti a různou obsazenost větraného prostoru osobami s různou váhou na stránce viz [4].

Lokální rekuperační jednotka (foto TERMO KOMFORT, s.r.o.)

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 dítě, řekněme, 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.

Výpočet: Spočítejte si velikost větrání v místnosti.

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.

[4] Kolektiv redakce: Větrání v bytě a domě, www.stavebnictvi3000.cz.

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