Vydýchaný vzduch a ako ho správne vyvetrať

Vydychovaný vzduch obsahuje približne 4 objemové percentá oxidu uhličitého CO2 (40 000 ppmv),zatiaľ čo vonkajší vzduch iba 0,04 percenta (400 ppmv). Aj keď je človek doma v kľude, vydýcha za 24 hodín cez kilogram CO2. Dlhší pobyt v nevetranej miestnosti môže viesť k chronickým zdravotným problémom, (hovorí sa tomu syndróm chorých budov), v niektorých prípadoch až k uduseniu.

Naopak, aby mal človek pocit, že dýcha čerstvý vzduch, v ktorom je obsah oxidu uhličitého menší ako 700 ppmv, musí adekvátne vetrať. Napr. do miestnosti o objeme 60 m ³ treba každú hodinu privádzať z vonka cez 100 m³ vzduchu. Tento článok ukazuje, ako na základe počtu osôb a ich pohybových aktivít rátať stupeň vydýchanosti daného priestoru. Ďalej ráta intenzitu vetrania tak, aby osoby pociťovali čerstvý, svieži vzduch.

Často sa uvádza, že takmer 90% života trávia súčasní ľudia v budovách [1].Na ich zdravie má podstatný vplyv, že často žijú v domoch s vydýchaným vzduchom. Aj keď sa tzv. civilizačné choroby pripisujú znečistenej atmosfére, hlavným "vinníkom" bude pravdepodobne vydýchaný vzduch v budovách, ktoré sú v poslednej dobe hromadne utesňované.

Tab. 1, hodnoty ktorej boli prevzaté z [2],uvádza mierny energetický výdaj vybraných pohybových činností. I v čase odpočinku, napr. pri sledovaní televízie, je náš energetický výdaj vybraných pohybových činností. E = 0,090 kJ za minútu na každý kilogram našej hmotnosti. Pri váhe 80 kg je to 432 kJ za hodinu.

Táto energia vznikne spálením glukózy v tele. Z každej jej molekuly pritom vznikne 6 molekúl oxidu uhličitého CO₂. Zo spalného tepla glukózy 2 815 800 kJ /kmol [3] možno vypočítať, že uvedených 432 kJ/h znamená spáliť v tele 27,6 g/h glukózy, pričom sa uvoľní 40,5 g CO₂ za hodinu, ktorý vydýchame.

Pokiaľ pritom sedíme v nevetranej miestnosti o objeme 60 m³,potom každú hodinu v každom m³ pribudne 675 mg CO₂ (tzn. 374 ppmv - objemových milióntin za hodinu). K týmto hodnotám dôjdeme dosadením do nasledujúcich vzťahov 20 °C:

(1)

resp.

(2)

kde
Δ_C je e prírastok CO₂ dýchaním v kg/(m³·s),
Δ_X jee prírastok CO₂ dýchaním v ppmv/s,
E je energetický výdaj v J/(kg.s) z tab. 1,
ΣM_k je hmotnosť všetkých osôb,
R = 8314 J/kmol je je plynová konštanta,
μ = 44 kg/kmol je molárna hmotnosť oxidu uhličitého CO₂,
H_sp = 2,8158·10⁹ J/kmol je spalné teplo glukózy,
p = 10⁵ Pa je normálny tlak,
T je termodynamická teplota v K a
V je objem miestnosti.

Z dôvodov rozmerovej jednoty sa do vzťahov (1) a (2) dosadzujú veličiny vyjadrené v jednotkách sústavy SI. V našom prípade to sú m, s, kg, K, J, kmol a Pa a z nich odvodené jednotky. V ďalšom texte budeme používať aj nasledujúce názornejšie jednotky:

• pre prírastok Δ_C jednotku mg/(m³·h); 1 kg/(m³·s) = 3,6·10⁹ mg/(m³·h)
• pre prírastok Δ_X jednotku ppmv/(m³·h); 1 ppmv/(m³·s) = 3600 ppmv/(m³·h)
• pre hmotn. koncentráciu C jednotku mg/(m³); 1 kg/m³ = 10⁶ mg/m³

Otázka znie, ako dlho môžu ľudia prebývať v nevetranej miestnosti bez toho, aby riskovali zdravie?

Vzdušný obsah CO₂ z pohľadu zdravia

Vo vydychovanom vzduchu je CO₂ zastúpený približne podielom 40 000 ppmv. Vo vonkajšom čerstvom vzduchu je ho okolo 400 ppmv, to znamená približne 723 mg CO₂/m³.To je zároveň normálna, zdravá hladina CO₂vo vzduchu pre dlhodobý pobyt podľa ASHRAE (American Society of Heating, Refridgerating and Air). Ďalšie stupne pre dlhodobý pobyt sú:

• do 1000 ppmv je zdravotne akceptovateľná koncentrácia CO₂.Odporúča sa pobývať v prostredí do 700 ppmv, pri vyššom CO₂bývajú sťažnosti na pocit ťažoby alebo je cítiť štipľavý zápach,
• od 1 000 ppmv sa začína dostavovať celková ospalosť,
• od 2 500 ppmv vznikajú trvalé zdravotné ťažkosti,
• nad 5 000 ppmv (prípustný expozičný limit, PEL) predpisuje ASHRAE časovo obmedzený pobyt (< 8 hod.), ktorý sa kráti s rastúcou koncentráciou CO₂, a
• nad 25 000 ppmv (najvyššia prípustná koncentrácia, NPK) hrozí smrť udusenímn.

Jediný človek (o váhe 80 kg, sediaci alebo píšuci) vydýcha nevetranú miestnosť 60 m³ cca za hodinu. Tím sa myslí, že za hodinu stúpne obsah CO₂ o 374 ppmv na hodnotu prevyšujúcu 1000 ppmv,kedy podľa ASHRAE začínajú vznikať ťažkosti.Pokiaľ by v nevetranej miestnosti trávil celý deň, prekročil by PEL (5000 ppmv),aj keby celý ten čas spal. Keby tento človek dve hodiny denne cvičil na rotopede a zvyšok dňa odpočíval, za dva dny by prekročil NPK a mohol by sa teoreticky udusiť!

Človek väčšinou vydýchaný vzduch veľmi nevníma a aj keď sa cíti unavený, príčinu hľadá inde. Preto tiež zle odhaduje intenzitu vetrania. Tu je možné zrátať podľa vzorca:

(3)

kde v je rýchlosť výmeny vzduchu miestnosti v h^–1,
Δ_X, resp. Δ_C sú prírastky CO₂ dýchaním v ppmv/h resp. mg/(h·m³),
X_P , resp. C_P je požadovaný obsah CO₂, např. 1000 ppmv resp. 1800 mg/m³,
X₀ , resp. C₀ je vonkajší obsah CO₂, teda podľa ASHRAE 400 ppmv resp. 723 mg/m³.

Niektoré modelové príklady činností a im odpovedajúce intenzity vetrania sme spočítali. Pritom sme uvažovali miestnosť o objeme 60 m³ a požadovali sme, aby obsah CO₂ neprekročil hodnotu 1000 ppmv, ktorá je podľa ASHRAE ešte akceptovateľná. Obsah CO₂ u vonkajšieho, teda čerstvého vzduchu je 400 ppmv. Výsledky ukazuje tab 2.

Čitateľ si môže sám spočítať intenzitu vetrania aj pre rozličné domáce činnosti a rôznu obsadenosť vetraného priestoru osobami s rôznou váhou na stránke: www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/vydychany-vzduch-a-jak-vetrat/, viz [4].

Záver

Intenzity vetrania pre udržanie zdravého vzduchu v miestnosti rozhodne nie sú zanedbateľné. V noci, keď v izbe spí jedna osoba, to znamená vymeniť 49% objemu vzduchu miestnosti za hodinu.Pokiaľ nocujú v miestnosti 3 osoby, povedzme rodičia a dieťa, je požadované vymeniť celý objem vzduchu už za 55 minút. A pokiaľ sa napr. v miestnosti zároveň varí, luxuje a dieťa, napríklad cvičí na rotopede, je potrebné vymeniť všetok vzduch v miestnosti cca za 13 minút atď. Jedno z bezpečných riešení je zveriť výmenu vzduchu samočinnej technike.

Poznámky:

1.Energetické nároky vybraných pohybových činností boli prepočítané na vydychovaný oxid uhličitý CO₂pomocou spalného tepla glukózy o veľkosti 2 816 000 kJ/kmol pri 25 °C, vid [3],pri oxidácii ktorej vzniká 6 kmol CO₂ na jeden kilomol glukózy. Korekciu uvedeného spalného tepla glukózy na teplotu ľudského tela nepovažujeme pre účely článku za podstatnú.

3. Výpočet zanedbáva zmeny tlaku a objemu v dôsledku zmien obsahu CO₂. Pri obvyklých izbových teplotách a tlaku okolo 1000 hPa vedie toto zanedbanie k chybe pod 1% vo výsledkoch.

Literatúra a zdroje:

[1] Hejhálek Jiří: Aktivní domy, CO₂ neutrální. Jaké jiné?, Stavebnictví a interiér č, 7/2009, str. 6, www.stavebnictvi3000.cz/c3138.
[2] Provazník Kamil a kol.: Manuál prevencie v lekárskej praxi - Tabuľky energetických nárokov pohybovej činnosti. V rámci programu Národný program zdravia vydal Štátny zdravotny ústav, 1998. Vid tiež portál www.zdravcentra.cz od spoločnosti Zentiva, k.s.
[3] Julák Alois, Štulík Karel, Vohlídal Jiří: Chemické a analytické tabuľky, Graga Publishing 1999.
[4] Kolektiv redakce: Vydýchaný vzduch v bytě a jak správně větrat, Stavebnictvi3000.cz, www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/carbonoxid/.