+
Přidat firmu
Vyhledávání
Menu

Komplexní způsob hodnocení mikroklimatu budov na základě odezvy lidského organizmu – Část 2.4: Optimální vlhkost vzduchu v interiéru

28.12.2011 Autor: prof. Ing. Miloslav Jokl, DrSc. Časopis: 8/2011

Vlhkostní podmínky jsou někdy popisovány slovním spojením „je jak v prádelně“ nebo „sahara“. Průměrné podmínky jsou v běžné praxi vyhovující, ale v krajních pásmech má vlhkost negativní vliv na člověka. Autor popisuje podrobněji některé důležité poznatky z oboru.

Recenzent: Vladimír Galád

2.4.1 Úvod

Optimální vlhkostí vzduchu v interiéru se rozumí vlhkost vzduchu, korespondující optimální operativní teplotě.

Z teorie (Jokl 1989, 2011 a 1974 ) (viz Část 1) je zřejmé, že kritérium y je kritériem interakce mezi fyziologií člověka a prostředím (vlhkým vzduchem)

Image 11

kde

  • y= N/(A·t) intenzita toku agencie, kritérium [a·m–3·s–1]
  • N = agencie, homogenní skožka fyzické reality vytvářející toky (např. teplo), která přimo nebo poten­ciálně exponuje subjekt [a]
  • A = plocha kolmá na tok agencie [m2]
  • t = čas [s]
  • r* = N/V koncentrace agencie (hustota) [a·m–3]
  • V = objem pole přenosu [m3]

Pro tepelně-vlhkostní konstituentu platí, vyjádříme-li tepelnou energii entalpií

Image 12

kde

  • h = cp·To= entalpie [J·kg–1]
  • cp = specifické teplo při stálém tlaku [J·kg–1·°C–1]
  • To = operativní teplota [°C]
  • r = specifická hmotnost pole přenosu [kg·m–3]

Fyzikálním kritériem interakce fyziologie člověka a tepelně-vlhkostní konstituenty je součin entalpie a specifické hmotnosti.

Entalpie (exaktněji specifická entalpie) tudíž též kritérium y mohou být vyjádřeny dvojím způsobem:

a)

Image 13

kde

  • cp,dry = specifické teplo suchého vzduchu při konstantním tlaku [J·m–3·°C·1]
  • cp,w = specifické teplo vodních par při konstantním tlaku [J·m–3·°C–1]
  • B = atmosférický tlak [Pa]
  • pw = parciální tlak vodních par [Pa]
  • pw,s = parciální tlak nasycených vodních par [Pa]
  • RH = pw / pw,s relativní vlhkost vzduchu (Harrison 1965, Olivieri 1996)
  • l = latentní (výparné) teplo vody [J·m–3]
  • T = teplota vzduchu [°C]

Z rovnice (2.4.2) je zřejmé, že vliv relativní vlhkosti vzduchu na fyziologii člověka je spojen s teplotou vzduchu (na pravé straně jsou konstantní nebo téměř konstantní všechny parametry s výjimkou RHT).

Dosazením pw = RH·pw,s je vzata v úvahu teplota vzduchu, nikoli však dostatečným způsobem, problém zůstává (např. v předpisech České republiky přes 30 let byly, zvláště pro pracoviště s nízkou nebo vysokou RH, předepsány hodnoty z grafu na obr. 2.4.1, tj. i když teplota vzduchu je zahrnuta v pw, musí být přesto brána v úvahu).

Image 1Obr. 2.4.1 • Vztah mezi relativní vlhkostí a teplotou vzduchu při různých parciálních tlacích vodních par (Jokl 1989)

Po 30 letech zkušenosti hygienické služby České republiky ukázaly, že stačí na pracovištích pro předepsané optimální teploty respektovat rozmezí RH 30 až 70 % (platí v současné době).

b)

Image 14

kde

  • x = Mw / Mdry [kg·kg–1] měrná vlhkost
  • Mw = hmotnost vody [kg]
  • Mdry = hmotnost suchého vzduchu [kg]

Z rovnice (2.4.2 b) je zřejmé, že vliv vlhkého vzduchu na fyziologii člověka lze také vyjádřit měrnou vlhkostí opět spolu s teplotou vzduchu (na pravé straně jsou konstantní nebo téměř konstantní všechny parametry s výjimkou xT).

Jaký je rozdíl mezi těmito dvěma způsoby hodnocení?

Z definicí je zřejmé, že relativní vlhkost vzduchu udává, jak daleko je stav vzduchu vzdálen od rosného bodu, tj. RH lze považovat za kritérium kvality zvláště vhodné pro hodnocení vzduchu v interiéru.

Měrná vlhkost udává množství vody ve vzduchu, tj. je kritériem kvantity zvláště vhodné pro výpočet vzduchotechnických systémů.

Relativní vlhkost vzduchu jako krité­rium kvality vzduchu by tudíž měla být brána v úvahu při hodnocení tepelně-vlhkostního mikroklimatu. Avšak současný výzkum ukazuje, že v širokém rozmezí RH nemá signifikantní vliv na pocity člověka, viz následující odstavce.

2.4.2 Dosavadní poznatky

Dosavadní poznatky ukazují, že v širokém rozmezí nemá relativní vlhkost vzduchu signifikantní vliv na operativní teplotu, resp. nemá vliv na její vnímanou hodnotu.

V současné době je respektované kritérium PMV jak v Evropě (ČSN EN 7730), tak v USA (ASHRAE Standard 55-2004). Z analýzy provedené Fangerem (1970) (viz také WYON et al. 2007) je zřejmý malý vliv RH na PMV v rozmezí od 30 do 60 %.

Tato skutečnost je zřejmá i z evropského standardu EN 15251:2007E, kde v odst. 6.4 Humidity je uvedeno: „Humidity has a small effect on human sensation and perceived air quality in the rooms of sedentary occupancy, however long term high air humidity indoors will course microbial growth, and very low humidity (<15–20 %) couses dryness and irritation of eyes and air ways“ (viz též Mattila 2010). Vlhkost stačí udržovat v rozmezí 30 až 50 % v kategorii I , 25 až 60 % v kategorii II a 20 až 70 % v kategorii III. Relativní vlhkost vzduchu v interiéru je tedy nutno brát v úvahu jen je-li jí opravdu málo nebo naopak mnoho.

*Kategorie I: Vysoká úroveň očekávání (high level of expectation); II: Normální úroveň očekávání (normal level of expectation); III: Přijatelná, mírná úroveň očekávání (an acceptable, moderate level of expectation)

I v tropických a subtropických oblastech lze uvedená rozmezí považovat za vhodná pro interiér budov jak je zřejmé z obr. 2.4.2.

Image 3Obr. 2.4.2 • Komfortní diagram pro tropy a subtropy (Koeningsberger et al.1973)

Přehled přípustných hodnot RH dle různých předpisů je uveden v tabulce 2.4.1.

Image 2Tab. 2.4.1 • Přípustné hodnoty RH dle různých předpisů

2.4.2.1 Nízká relativní vlhkost vzduchu

Při nízké relativní vlhkosti vzduchu vysychají sliznice dýchacích cest, snižuje se tvorba hlenu a aktivita řasinek na nosní sliznici, a tím se oslabuje obranný mechanizmus člověka proti vnikání mikroorganizmů a aerosolů včetně alergenů do lidského organizmu (obr. 2.4.3).

Image 4Obr. 2.4.3 • Sliznice horních cest dýchacích v normálním stavu (A) a vysušené (B)

Mikroskopem lze vidět, že řasinky (cilia) na sliznici jsou v neustálém pohybu, čímž je zabraňováno usazování prachu. Dle Ewerta (viz Jokl 1993, též Croom, Roberts 1981) tvorba slizu závisí hlavně na relativní vlhkosti vdechovaného vzduchu – poklesne-li pod 30 %, jeho tvorba rychle klesá a pohyb řasinek také. Bakterie a viry tak nacházejí optimální podmínky pro svůj rozvoj. Nízká relativní vlhkost se nepříznivě projevuje i na pokožce a očích, jak je zřejmé z dále uvedených skutečností (Fang, Wyon 2003).

Mucous Ferning test (MF)

Používá se v klinické praxi k hodnocení problémů se slzným filmem na sliznici. Skleněnou tyčinkou je odebrán malý vzorek sliznice a na mikroskopickém sklíčku v mikroskopu je sledována krystalizace vzorku. Výsledek je zanesen do stupnice od 1 do 4, kde 1 je perfektní stav a 4 jasně deficitní. Obr. 2.4.4 ukazuje, že signifikantně větší procento subjektů má klasifikaci nad 1 při vlhkosti 15 % nebo menší. Obdobný je vliv rostoucí teploty vzduchu. Organizmus se brání zvýšenou frekvencí mrkání.

Image 5Obr. 2.4.4 • Výsledky MF testu po 4,5hodinové expozici různými teplotami vzduchu a relativními vlhkostmi vzduchu (Fang, Wyon 2003)

Měření suchosti pokožky

Také měřením suchosti pokožky tzv. corneometrem, rovněž používaným v klinické praxi, lze prokázat výrazný pokles vlhkosti kůže při poklesu relativní vlhkosti vzduchu na 15 %.

Vnímání vlhkosti vzduchu

Lidský organizmus nemá žádná čidla na vlhkost a není tudíž příliš senzitivní na změny vlhkosti vzduchu, přesto však pokles z 25 % na 15 % je schopen vnímat (obr. 2.4.5) jako negativní.

Image 6Obr. 2.4.5 • Pocit suchosti očí po 5hodinové expozici relativní vlhkostí vzduchu 5, 15, 25 a 35 % RH v čistém vzduchu o teplotě 22 °C (Fang, Wyon 2003)

Suchost očí

Nejvýraznější negativní vliv nízké vlhkosti čistého vzduchu byl zjištěn u očí. Z obr. 2.4.5 je zřejmé, že symptom suchosti očí je nejvíce signifikantní při vlhkosti 15 % nebo nižší. Odpovídá to výsledkům s MF testem. Na tomto limitu se také projevují problémy se snesitelností kontaktních čoček, tito lidé jsou na něj zvláště citliví.

Suchost kůže, rtů a sliznic horních cest dýchacích

Z obr. 2.4.6 je patrný symptom suchosti pokožky rtů, nosu a hrdla při poklesu vlhkosti vzduchu z 35 % na 15 %, přičemž symptom suchosti hrdla a nosu narůstal signifikantně ještě s teplotou vzduchu.

Image 7Obr. 2.4.6 • Pocit suchosti rtů, pokožky, nosu a hrdla s klesající vlhkostí po 5hodinové expozici normálně znečištěným vzduchem o teplotě 22 °C (Fang, Wyon 2003)

Vliv na nachlazení

Peterson a Wennerstrom (1991) prokázali souvislost mezi nemocemi z nachlazení a nízkými relativními vlhkostmi vzduchu v interiéru 2 až 4 dny před nástupem onemocnění: viry mají lepší možnost přežití v důsledku změn odporu sliznicových membrán. Je doporučena vlhkost vzduchu min. 30 až 40 % k zabránění těchto nemocí.

Vliv statické elektřiny

Při relativních vlhkostech vzduchu pod 40 % (a zvláště pod 30 %) vzrůstá pravděpodobnost nabíjení statickou elektřinou některých podlahových krytin (RAL 1987, Hoppe 1993) a zvláště také tapet. Statická elektřina se pak vybíjí přes osoby v interiéru při dotyku vodivých předmětů (kovové kliky, vodovodní baterie). Je nezbytné v těchto případech (např. v dopravních letadlech)použití antistatických materiálů.

Pokles výkonnosti subjektu

Neočekávaný, překvapivě výrazný negativní účinek nízké vlhkosti byl zjištěn na výkonnost při provádění tří úkolů (psaní textu, čtení korektury a součtové počítání) typických pro administrativní práci (obr. 2.4.7). K poklesu došlo opět při snížení vlhkosti pod 15 %, a to zřejmě v důsledku již dříve uvedených skutečností: zvýšené aktivity víček (mrkání), snížené kvality sliznic očí a horních cest dýchacích.

Image 8Obr. 2.4.7 • Pokles výkonnosti subjektu – rychlosti počítání s poklesem relativní vlhkosti vzduchu (Fang, Wyon 2003)

Vliv nízkých vlhkostí na diskomfort administrativních pracovníků

Vliv relativní vlhkosti vzduchu 15 % na pocity pracovníků v administrativních budovách byl zkoumán ve Švédsku (540 kanceláří ve 160 budovách, 4943 respondentů). 54 % subjektů udávalo, že vzduch byl příliš suchý (Gavhed a Klasson 2005). Nejčastěji byla udávána suchost v ústech a v krku (31 %), dále na tváři (44 %), suchost očí (36 %), rtů (38 %) a také rýma (46 %).

2.4.2.2 Vysoká relativní vlhkost vzduchu

Dle Mollierova diagramu je zřejmé, že čím nižší teplota, tím je vyšší vlhkost. Opět je tedy nutno brát v úvahu teplotu vzduchu.

Z hlediska pocitů subjektů experimenty potvrzují, že mimo optimum čím je vzduch teplejší a vlhčí, tím více je vnímán jako znečištěný, i když se jedná o čistý vzduch (Fang et al. 1998, Zmrhal, Šťávová 2011).

Je přímý efekt vysoké RH na infekce dýchacích cest (Green 1982). Nepřímý efekt je působení na vzrůst plísní, jež mohou způsobovat infekce a alergické reakce. Plísně se objevují na vnitřním povrchu venkovních stěn, jestliže RH v prostoru po delší dobu překračuje 70 % (Bravery 1985). Vápennými omítkami je absorpcí pohlceno asi 40 % vznikající vlhkosti v interiéru. Absorpce trvá asi 30 minut, ale k opětnému uvolnění je zapotřebí několika hodin (Oldengarm, De Gids 1991). V plísních dochází i k množení roztočů (obr. 2.4.7 a 2.4.8) (Green 1982), což může vést u dětí ke zvýšení dýchacích potíží, častým bolestem v krku, bolestem hlavy, rýmy i nervovým obtížím. Dospělí trpívají častěji nevolností, zvracením, dušností, zácpou, bolestmi v zádech, rýmou i nervovými obtížemi. Počet a závažnost těchto potíží stoupá přímo úměrně s vlhkostí obytných místností (podle Dr. Platta, 1989, z Epidemiological Unit of Medical Research at Royal Edinburgh Hospital, U.K.). Podle Asselta (1999) relativní vlhkost v interiéru by neměla překročit 70 %, má-li být zabráněno vzniku plísní a množení roztočů. Dodržení této hodnoty pak determinuje potřebnou výměnu vzduchu (Galád 2007).

Image 9Obr. 2.4.8 • Procento přežívajících organizmů v závislosti na relativní vlhkosti vzduchu

Výzkum v Dánsku (Gullev 1999) ukázal, že roztoče (živí se odumřelou lidskou pokožkou) jsou v Dánsku hlavním zdrojem alergií – jsou příčinou alergií u 200 000 obyvatel. Teprve na dalších místech jsou chlupy psů a koček, spory plísní a cigaretový kouř.

Image 10Obr. 2.4.9 • Roztoč (zvětšeno, skutečný rozměr cca 0,1 mm)

Řadou studií byla pak prokázána závislost mezi vysokou RH a výskytem astmatu (Rylander 2003). Přehledně jsou onemocnění v důsledku vlhkých budov uvedena v tab. 2.4.2 a jejich symptomy v tab. 2.4.3 (Workgroup Report 2003).

Image 15Tab. 2.4.2 • Onemocnění způsobovaná vlhkými interiéry

Alergie vlastně není nemoc, je to stav, kdy člověk reaguje jinak, než je běžné (z řec. all = jinak, ergein = reagovat).

Image 16Tab. 2.4.3 • Symptomy způsobované vlhkými interiéry

Vlhkost vzduchu a odéry

Vlhkost vzduchu není ovlivňována odéry, naopak vysoká vlhkost vzduchu snižuje vnímání odérů: RH přes 80 % odstraňuje již zcela vnímání jak příjemných, tak nepříjemných odérů.

2.4.3 Diskuze

Základní otázkou je, zda je skutečně nutné vytvářet kritérium zahrnující i vliv vlhkosti vzduchu – z uvedených skutečností je zřejmé, že nikoliv – je to nezbytné jen u nízkých a vysokých relativních vlhkostí vzduchu, které se však již nacházejí za oblastí optima.

Z diferenciální rovnice, popisující interakci mezi fyziologií člověka a prostředím, je zřejmá nezbytnost uvažovat vždy RH v závislosti na teplotě vzduchu kromě rozmezí optimálních teplot. Názorné je to z následujícího příkladu:

V Evropě na jaře, kdy teploty jsou velmi příjemné, vysoká RH po dešti nebude představovat žádný problém. Naopak v Saudské Arábii při teplotách přes 40 °C (100 °F) tatáž vysoká vlhkost bude pociťována přímo úporně, prudce zhorší stav člověka.

Cílem této práce je identifikovat hodnoty RH, které již neovlivňují člověka v optimálním rozmezí teplot.

V optimálním rozmezí teplot problémy s nízkou RH mohou začínat při 40 % a výrazněji při 30 % (přítomnost statické elektřiny, pocity sucha) a kulminují u 5 %, kdy již padá mentální výkonnost člověka. Z analýzy PMV (viz dříve) vyplývá rozmezí 30 až 60 %, tentýž limit je požadován i standardy (ASHRAE Standard 55, EN 15 251, vl. nařízení č. 361/2007 Sb.).

Vysoká RH nemá přímý vliv na člověka při optimální teplotě vzduchu. Její vliv je však nepřímý: kondenzace vody na stavebních konstrukcích, plísně, roztoči jako zdroj alergií atd. Limit 70 % předepsaný např. HSE, EN 15 251, vl. nařízením č. 361/2007 Sb. je tudíž nezbytný. Vezmeme-li v úvahu novodobou tendenci dělení úrovně vnitřního prostředí do kategorií, lze také akceptovat evropský standard EN 15 251.

2.4.4 Závěr

Nelze než plně souhlasit s evropským standardem EN 15251:2007Ea akceptovat pro běžnou praxi rozmezí relativní vlhkosti vzduchu 25 až 60 % (kategorie II), jež lze rozšířit na 20 až 70 % (kategorie III) u méně náročných interiérů a případně zúžit na 30 až 50 % v náročných případech (kategorie I), kdy postačí hodnocení operativní teplotou v závislosti na aktivitě a oděvu člověka.

Poznámka

Práce byla sponzorována z evropských fondů v rámci úkolu FP6 AEROSPACE (identifikační kód AST4-CT– 2005-516131) ICE (Ideal Cabin Environment).

Literatura

1. ASHRAE Standard 161(2007) Air Quality within Commercial Aircraft.
2. ANSI/ASHRAE Standard 55–2004. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
3. Asselt Van, L. (1999): Interactions between domestic mites and fungi. Indoor Built Environ. 8: 216–220.
4. Bravery, A. F. 1985: Moulds and its control. Building Research Establishment Information Paper IP 11/85.
5. Croome, D. J., Roberts, B. M. 1981: Air Conditioning and Ventilation of Buildings. Pergamon Press, Oxford, 2nded., 1981.
6. EN ISO 7730 Moderate thermal environments – Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort.
7. EN 15 251(2007) (E) Indoor environmental output parameters for design and assessment of energy performance of buildings adressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics.
8. Fang L., Clausen G., Fanger P. O.: Impact of temperature and humidity on the perception of indoor air quality. Indoor Air 8, 1998, 2: 80–90.
9. Fang, L., Wyon, D. P. 2003: Effect of low indoor humidity on comfort, SBS symptoms and the performance of office work. SCANVAC, 2: 4–5.
10. Gullev, G. 1999: Allergy and indoor air climate. SCANVAC,1: 8–9.
11. Fanger, P. O. 1970: Thermal Comfort. Danish Technical Press, Copenhagen.
12. Gavhed, D., Klasson, L. 2005: Perceived problems and discomfort at low air humidity among office workers. Elsevier Ergonomics Book Series, Volume 3.
13. Harrison, L. P. 1965: Fundamental concepts and definitions relating to humidity. Humidity and moisture measurement and control in science and industry 3:3. A Wexler and W. AQ. Wildhach, eds. Rein­hold Publishing, New York.
14. Hoppe P. R. 1993: The role of humidity in indoor climate. In: Research on Indoor Air Quality and Climate. CIB Proceedings, Publication 163, Rotterdam.
15. HVAC & Research, 2007: The importance of human productivity to air – conditioning control in office environment.
16. Jokl, M. V. 1974: Some natural laws about harmful agents in the human environment. Journal of Theoretical Biology 48: 1–9.
17. Jokl, M. V. 1989: Microenvironment: The Theory and Practice of Indoor Climate. Thomas, Illinois, USA.
18. Jokl, M. V. 1999: The Theory of Microenvironment. In Czech. CTU Publishing House, Prague.
19. Jokl, M. V. 2002: Zdravé obytné a pracovní prostředí. Academia, Praha.
20. Jokl, M. V. 2011: A Methodology for the Comprehensive Evaluation of the Indoor Climate Based on the Human Body Response. Part 1: Environment and Man – Theoretical Principles. ASHRAE Transac­tions, Volume 117, Part 1.
21. Mattila, U. 2010: Improved human comfort with optimal indoor air humidity. REHVA Journal, Sept.
22. Oldengarm, J., De Gids, W. F. (1991): Field experiments on airborne moisture transport. Air Infiltration Review, Vol. 12, No. 2, page 8–11.
23. Olivieri, J. 1996: Psychrometrics – Theory and Practice. ASHRAE, Atlanta.
24. Peterson, F., Wennerstrom, J. 1991: About illness and the qualities of indoor air. Technical Report No. 338 from department of heating and ventilation, Royal Institut of Technology, Stockholm 1991.
25. Platt, S. (1989): Survey finds direct link between ill health and damp housing. New Scientist, Vol. 123, 1989, No. 1673, page 30.
26. prEN 4666: 2009 Aerospace Series. Aircraft integrated air quality and pressure standards,criteria and determination methods. The Aerospace and Defence Industries Association of Europe. Brussels 2011.
27. RAL – Deutsches Institut fuer Gutesicherung und Kennzeichung, 1987: Elektrisches Verhalten elastisches und textile Bodenbelage RAL-RG 25/3. Beuth Verlag, Berlin.
28. Workgroup Report 2003, Indoor Built Environ 2003, 12: 259–262.
29. Wyon, D. P., Fang, L., Lagercrantz, L., Fanger, P. O. 2006: Experimental determination of the limiting criteria for human exposure to low winter humidity indoors (RP-1160). HVAC&R Journal, 12 (2), 201–213.
30. Wyon, D. P., Fang, L., Fanger, P. O. 2003: Low winter humidity indoors has a negative effect on the performance of office work. In: Proceedings of the 4th International Conferernce of Cold Climate HVAC, Trondheim, Norway, CD-ROM.
31. Zmrhal, V., Šťávová, P.: Bilance vlhkosti v obytném prostředí. Vytápění, větrání, instalace, 20, 2011, 3: 104–107.


A Methodology for the Comprehensive Evaluation of the Indoor Climate Based on the Human Body Response
Part 2.4 Optimum Interior Air Humidity

The question is, is it really necessary to have criteria for the hygrothermal constituent in which air humidity is included? It is accepted that it is essential only for low and high relative air humidifies; however these are anyway outside the optimal zone. Therefore one must agree with European standard EN 15251:2007E and fully accept that for common applications the air humidity range is 25 to 60 % (category II). The range can be extended to 20 to 70 % (category III) for spaces with a lower comfort expectation or narrowed to 30 to 50 % (category I) for spaces where higher standards are required. For these ranges an evaluation solely by operative temperature, taking into account activity and clothing, is sufficient.

Keywords: hygrothermal microclimate, thermal comfort, optimal humidity within interior