Problemy wentylacji naturalnej we współczesnym budownictwie mieszkaniowym

Wstęp Wentylacja jest działem techniki zajmującym się utrzymywaniem w pomieszczeniach pożądanego stanu powietrza. Efektywna wentylacja to taka, która umożliwia dopływ potrzebnej ilości powietrza świeżego do pomieszczenia oraz zapewnia wypływ z pomieszczenia określonej ilości powietrza zużytego. Najpopularniejszym rodzajem wentylacji budynków mieszkalnych w Polsce jest wentylacja naturalna grawitacyjna, w której nawiew powietrza świeżego odbywa się przez okna lub inne otwory w przegrodach zewnętrznych, a wywiew powietrza zużytego pionowymi przewodami wentylacyjnymi o odpowiednim przekroju poprzecznym. Wykorzystuje się tutaj energię potencjalną mas powietrza o różnych temperaturach czyli tzw. siłę wyporu. Okresowo ruch powietrza może być wspomagany energią kinetyczną wiatru. Na efekty działania wentylacji grawitacyjnej mają wpływ również rozwiązania konstrukcyjne budynków, wymagania urbanistyki oraz warunki użytkowania pomieszczeń.

Wymagania formalno-prawne w odniesieniu do elementów budynków mających wpływ na działanie wentylacji.
Podstawowymi aktami prawnymi w tym zakresie są:
• ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane,

oraz
• Rozporządzenie Ministra gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z dnia 14 grudnia 1994 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
Obydwa akty prawne podlegały nowelizacji.
Wymagania szczegółowe odnoszące się do zagadnień związanych z zapewnieniem mikroklimatu pomieszczeń zawarte są w następujących punktach rozporządzenia:
• Dział III. Budynki i pomieszczenia
rozdz.l. Wymagania ogólne, §50 i 51
rozdz.6. Pomieszczenia higieniczno-sanitarne, §80
rozdz.7. Szczególne wymagania dotyczące mieszkań w budynkach wielorodzinnych, §91 i 93
• Dział IV. Wyposażenie techniczne budynków.
rozdz.5. Przewody kominowe, §, § 140, 141, 142 i 143
rozdz.6. Wentylacja i klimatyzacja §, § 147, 148, 149, 150 i 155
• Dział VIII. Higiena i zdrowie.
rozdz.2. Ochrona czystości powietrza, § 310
rozdz.4. Ochrona przed zawilgoceniem i zagrzybieniem, § 321 i 322.
Wymagania obligatoryjne w zakresie wentylacji zawarte są w następujących normach:
• PN-91/B-02020. Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia.
W p. 2.3.3 normy określa się przepuszczalność powietrza przez przegrody zewnętrzne dla budynków nowo wznoszonych. W myśl tego zapisu wartość współczynnika przepuszczania (infiltracji) powietrza otwieranych okien i drzwi balkonowych w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej powinna się mieścić w przedziale od 0,5 do 1,0 m²/(m*h*daPa2/3).
• PN-93/B-03406. Obliczanie zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń o kubaturze do 600 m²
W p. 2.3.2 przyjęto objętość strumienia powietrza wentylującego w warunkach obliczeniowych zapotrzebowania na ciepło na równą jednej wymianie powietrza na godzinę.
• PN-83/B-03430. Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
W p. 2.1.2 określono strumień objętości powietrza wentylującego dla mieszkań jako sumę strumieni powietrza usuwanego z pomieszczeń kuchni, łazienki, oddzielnego ustępu i ewentualnie garderoby, w temperaturze wewnętrznej zgodnie z PN-82/B-02402, bez uwzględnienia różnicy ciśnień spowodowanej działaniem wiatru.
Ewolucja zmian w podejściu do zagadnienia wentylacji naturalnej
Wentylacja grawitacyjna stosowana jest w polskim budownictwie mieszkaniowym od kilkudziesięciu lat - zawsze wg modelu, w którym nawiew powietrza zewnętrznego odbywa się przez okna, a wywiew powietrza zużytego pionowymi kanałami wentylacyjnymi.
Stolarka okienna stosowana w latach 60-tych nie posiadała szczelin nawiewnych, a co najwyżej uchylane lufciki, które w praktyce zapewniały dopływ powietrza do pomieszczeń. Budynki realizowane w ramach oszczędnościowego budownictwa lat 70-tych wyposażono w okna bez uszczelek i lufcików, ale jakość stolarki okiennej gwarantowała infiltrację powietrza, często nawet w nadmiarze.
Wentylacja grawitacyjna działała skutecznie, skarg nie zgłaszano, wręcz przeciwnie wokół utyskiwano na zbyt suche powietrze w mieszkaniach i rozpowszechniano domowe sposoby na zwiększenie jego wilgotności.
W tej sytuacji przy projektowaniu budynków zagadnienie wentylacji sprowadzało się sporadycznie do sprawdzenia kanałów wywiewnych. Stosowana powszechnie typizacja budownictwa ułatwiała życie projektantom.
Problemy z wentylacją grawitacyjną w budownictwie mieszkaniowym pojawiły się na przełomie lat 80 i 90-tych wraz z wprowadzeniem do powszechnego stosowania gotowych okien lub profili okiennych z wbudowanymi uszczelkami, które wyeliminowały infiltrację powietrza zewnętrznego, likwidując tym samym wymianę powietrza w pomieszczeniach. Bezpośrednimi objawami braku wentylacji w mieszkaniach jest wzrost wilgotności względnej w powietrzu wewnętrznym, wykraplanie się pary wodnej z powietrza na chłodniejszych powierzchniach szyb okiennych i ścian, rozwój pleśni na nadprożach, ościeżach okien i w narożach i w efekcie wyraźnie pogarszające złe samopoczucie domowników.
Aktualnie stan zaniku wentylacji obejmuje większość mieszkań noworealizowanych oraz poddawanych modernizacji w ramach której wymieniono okna dotychczasowe na okna szczelne, a w których przed modernizacją ta sama wentylacja była wydolna.
Powyższe fakty dowodzą, że w budynkach wyposażonych w szczelne okna, zagadnienie wentylacji musi być traktowane niezwykle starannie.
Tymczasem praktyka wskazuje na zupełnie co innego. Projekty architektoniczno-budowlane opracowuje się tak jak w latach 70-tych rozwiązując problem za pomocą kanału wentylacyjnego o minimalnym przekroju 14 x 14 cm, bez próby dokonania obliczeń sprawdzających. Również w opisach technicznych do projektów na ogół nie precyzuje się dokładnie takich informacji jak: rodzaj okien, typ oszklenia i sposobu nawiewu powietrza.
W takiej sytuacji bardzo istotny problem natury technicznej rozwiązywany jest przez przedstawiciela Inwestora w osobie zaopatrzeniowca, który przy wyborze rodzaju okien kieruje się najczęściej ceną lub reklamą producenta określającego procentowo znaczące zmniejszenie zużycia energii do ogrzewania pomieszczeń wyposażonych w okna jego produkcji, przemilczając jednocześnie sprawę nawiewu.
Przy czym należy zwrócić uwagę, że ze względu na aktualne wymagania ochrony cieplnej i wentylacji okna kierowane do sprzedaży winny posiadać jednoznacznie określone 2 parametry, tj.:
• współczynnik przenikania ciepła k [W/m²K], oraz
• współczynnik infiltracji powietrza a =0,5 do 1,0 [m²/(h*daPa2/3).
Gwarancją osiągnięcia przez wyrób rynkowy tych parametrów jest aktualna dla danego wyrobu Aprobata Techniczna.
Na uwagę zasługuje fakt, że stosowanie w projekcie szczelnej stolarki bez uwzględnienia potrzeb wentylacji i wprowadzenia urządzeń do nawiewu powietrza narusza postanowienia § 148.p.2. Rozporządzenia Min. Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa w sprawie warunków... i obciąża bezpośrednio projektanta architektury. Również przywoływanie rzeczoznawcy dla oceny i podania sposobu usunięcia nieprawidłowości, gdy mnożą się skargi niezadowolonych użytkowników nie zawsze może być skuteczne.
Obliczenia hydrauliczne instalacji wentylacji
Podstawy teoretyczne obliczeń instalacji wentylacji naturalnej nie różnią się od obliczeń hydraulicznych innych instalacji. Podstawą procesu wymiany powietrza w pomieszczeniu jest ciśnienie czynne będące różnicą słupów powietrza zewnętrznego i wewnętrznego wynikające z zależności:

Hg = (ρz - ρw) * hg * g [Pa]

gdzie:
(ρz - ρw) - różnica gęstości powietrza zewnętrznego i wewnętrznego, kg/m²
hg - wysokość słupa powietrza liczona od poziomu podłogi w pomieszczeniu do osi wylotu kanału wentylacji grawitacyjnej z tego pomieszczenia (w przypadku istnienia otworu nawiewnego od osi tego otworu do wylotu kanału), m
g - przyspieszenie ziemskie, m/m².
W tabeli zamieszczonej poniżej zestawiono obliczenia wartości ciśnienia czynnego Hg w budynku IV-kondygnacyjnym (przy założeniu temperatury powietrza wewnętrznego +20oC i obliczeniowej temperaturze powietrza zewnętrznego –20oC).

Straty ciśnienia w kanale wentylacyjnym określa wzór

gdzie:
Δpl - liniowe straty ciśnienia - Pa,
Δpm - miejscowe straty ciśnienia - Pa,
λ - współczynnik tarcia hydraulicznego,
l - długość kanału - m,
v - prędkość przepływu powietrza w kanale - m/s,
pw - gęstość powietrza wewnętrznego kg/m²,
d - średnica rzeczywista lub równoważna przew. wentylac.,
Σζ - suma współczynników oporów miejscowych.
Przewód (kanał) wentylacji grawitacyjnej przepuści normatywny strumień objętości powietrza wywiewanego, jeśli strata ciśnienia przy przepływie tego strumienia przez ten przewód będzie mniejsza lub równa ciśnieniu czynnemu obliczonemu dla pomieszczenia z którego jest odprowadzane powietrze wg równania:

Δp ≤ Hg [Pa]
W przypadku gdy ciśnienie czynne maleje lub zanika np. wskutek braku dopływu powietrza zewnętrznego (Δp = 0) ruch powietrza w kanale ustaje.
Ze względu na tę zmienną wartość ciśnienia czynnego, przede wszystkim w czasie, wentylacja grawitacyjna pracuje w ciągu roku ze zmienną wydajnością i jest to jak się często określa „wada wrodzona" systemu. Oczywiście na wydajność wentylacji ma wpływ dodatkowo szereg różnych nawet przypadkowych czynników. Czynniki te powstają na różnych etapach procesu realizacji wentylacji grawitacyjnej.
I tak nieprawidłowością jest
a) w zakresie projektowania:
• instalowanie kotłów dwufunkcyjnych gazowych w łazienkach bez okien o kubaturze, której wielkość narzuca wymóg 2-krotnej wymiany powietrza na godzinę tylko ze względu na konieczność wprowadzenia ilości powietrza do spalania (ok.30 m3/h), poza dyskusją pozostaje wymóg higieniczny 50 m3/h, razem 80 m3/h,
• powszechne stosowanie kanałów wentylacyjnych o minimalnej średnicy równoważnej 14 cm, bez względu na wartość normatywnego strumienia powietrza wentylującego (70, 50, 30 m3/h) oraz możliwą do uzyskania wartość ciśnienia czynnego, co jest wynikiem nie wykonywania żadnych obliczeń sprawdzających (wzór 3),
• łączenie (prowadzenie) przewodów spełniających różne funkcje tzn. wentylacyjnych i spalinowych we wspólnych trzonach kominowych, oraz przykrywanie wylotów tych przewodów wspólną czapą kominową.
Przewody wentylacyjne prowadzone indywidualnym trzonem należy wyprowadzać ponad dach na wysokość zabezpieczającą przed zawirowaniem, przykryć betonowa czapą z okapem, pod którą winny się znajdować obustronne (na przestrzał) boczne otwory wylotowe. Przekrój tych otworów nie powinien być mniejszy od przekroju przewodu wentylacyjnego.
Natomiast wykonanie wspólnej czapy dla przewodów wentylacyjnych i spalinowych powinno być uwarunkowane wykonaniem górnych otworów wylotowych dla przewodów spalinowych i doprowadzenie tych przewodów do otworów wylotowych w czapie
• dyskusyjną sprawą jest eliminowanie (a zwłaszcza na górnych kondygnacjach) z pomieszczeń wc grzejników ze względu na małe straty ciepła i pokrywanie tych strat zwiększoną powierzchnią grzejników w sąsiednich pomieszczeniach.
b) w zakresie wykonawstwa:
• najczęstsze błędy związane są z brakiem respektowania wymagań normy PN-89/B-10425. Przewody dymowe, spalinowe i wentylacyjne murowane z cegły. Wymagania techniczne i badania przy odbiorze, które mówią, że:
wlot do przewodu wentylacyjnego winien być zamknięty kratką wentylacyjną o powierzchni netto większej o 50% od przekroju przewodu.
W budynkach od 1÷5 kondygnacji kratki wentylacyjne powinny mieć minimalny przekrój brutto 200 m². Połączenie kratki z przewodem nie powinno mieć wymiarów mniejszych niż kratka i winno być centralnie usytuowane w stosunku do kratki. Są to bardzo istotne wymagania, które mają bezpośredni wpływ na wielkość Σζ występującą w równaniu (2).
Odstępstwa od tych zasad w praktyce ostatnich lat są częste i wynikają z wprowadzenia słusznej skądinąd zasady pozostawiania mieszkańcom swobody wykonania tzw. białego montażu.
Jednak lokatorzy nie muszą zdawać sobie sprawy z zagrożeń jakie mogą wystąpić w przypadku nieprawidłowej ingerencji w system wentylacyjny mieszkania. Natomiast obowiązkiem inwestora jest sprawdzenie prac wykończeniowych wykonanych przez mieszkańców w kuchniach i łazienkach.
• również za chybione należy uznać wykonywanie otworów nawiewnych w ścianach zewnętrznych, gdyż jak wykazuje życie, w ramach prac wykończeniowych otwór taki zostanie zamurowany i wyłożony glazurą lub co najmniej przesłonięty.
c) w zakresie eksploatacji mieszkań:
Obserwuje się niedocenianie roli wymiany powietrza w pomieszczeniu jako jedynej drogi ewakuacji na zewnątrz pary wodnej wydzielanej do pomieszczenia w wyniku procesów biologicznych mieszkańców jak i czynności wykonywanych w pomieszczeniu.
O ilości tej pary jaka może wydzielać się w pomieszczeniu świadczy poniższe zestawienie:
- rośliny doniczkowe ok. 7-15 g/h
- kąpiel w wannie ok. 1000-1100 g/h
- kąpiel pod prysznicem ok. 1500-1700 g/h
- gotowanie ok. 400-900 g/h
- zmywarka naczyń ok. 200 g/zmywanie
- pranie w pralce ok. 200-350 g/pranie
- mieszkańcy:
- sen ok. 50
- prace lekkie ok. 90 g/h
- prace ciężkie ok. 150 g/h
Również prowadzona kampania reklamowa różnych producentów okien, profili okiennych lub uszczelek wywierają wpływ na zachowanie niektórych mieszkańców, którzy instalują np. w drzwiach wejściowych do mieszkań często podwójne uszczelnienia lub wykazują wyraźną niechęć, do wykorzystywania, o ile istnieją, funkcji rozszczelniających okien.
Praktyczne sposoby oceny skuteczności działania wentylacji grawitacyjnej
O bezpieczeństwie i dobrym samopoczuciu użytkowników określonej przestrzeni wewnątrz budynku decydują:
a) skład chemiczny powietrza
b) parametry powietrza tj. temperatura i wilgotność względna
ad. a) Niekorzystny wpływ składu chemicznego może wynikać z:
- zakłócenia naturalnych proporcji głównych składników powietrza np. niedobór tlenu
- obecności w powietrzu obcych substancji o działaniu szkodliwym
ad. b) Parametry powietrza mogą oddziaływać na człowieka w sposób:
- bezpośredni, wpływając na zakłócenie równowagi cieplnej organizmu, lub
- pośredni, powodując rozwój mikroorganizmów.
Zła tolerancja użytkowników łącznego oddziaływania wszystkich niekorzystnie odbieranych czynników określana jest mianem „syndrom chorego budynku".
Aktualnie brak jest w Polsce jakichkolwiek formalnych podstaw prawnych, wytycznych lub metodyki oceny zarówno na etapie projektowania, wykonawstwa bądź użytkowania instalacji wentylacji grawitacyjnej. Jednak w przypadku konieczności wykonania takiej oceny możliwości są następujące:
1) ocena bezpośrednia na podstawie porównania pomierzonego rzeczywistego stężenia substancji zanieczyszczających , dających się zidentyfikować z wykazem wartości stężeń dopuszczalnych. Metoda możliwa do zastosowania w budownictwie specjalistycznym dla oceny zanieczyszczeń na stanowisku pracy
2) ocena pośrednia na podstawie kontroli rzeczywistej wydajności systemu wentylacji w której wykonuje się pomiary:
- wydatków powietrza w kratkach wywiewnych kuchni, łazienek, wc
- składu chemicznego powietrza wewnętrznego (tlenek węgla, dwutlenek węgla, tlen)
- składu chemicznego powietrza zewnętrznego (tlenek węgla, dwutlenek węgla, tlen).
Metoda nadająca się do budownictwa mieszkaniowego. Niezależnie od zastosowanej metody wszelkie badania stanu powietrza winny być poprzedzone badaniem drożności przewodów wentylacyjnych wykonanym przez uprawnionego kominiarza.

3) ocena zdolności budynku do wymiany powietrza z otoczeniem zewnętrznym tj. krotność wymiany powietrza określana przy umownej różnicy ciśnienia równej 50Pa, tzw. test ciśnieniowy.
Wnioski
Przedstawiony w niniejszym wystąpieniu przegląd problemów związanych ze stosowaniem w budownictwie współczesnym wentylacji naturalnej miał na celu wykazanie, że uzyskanie poprawności działania tej wentylacji wymaga niezwykle starannego jej zaprojektowania i wykonania.
Jednak spełnienie tych wymagań nie usunie zasadniczej właściwości tej instalacji wynikającej z jej modelu teoretycznego a polegającej na zmiennym jej wydatku uzależnionym od zmian temperatury powietrza zewnętrznego.
Występujący przy niskich (obliczeniowych) temperaturach zewnętrznych wzrost ilości powietrza stanowi wyraźne obciążenie bilansu potrzeb cieplnych obiektu pod warunkiem, że dopłynie do niego powietrze zewnętrzne.
Silne i słuszne tendencje ostatnich lat do ograniczania strat ciepła budynków sprowadzają się do zabezpieczania szczelności zewnętrznej powłoki budynków, w tym głównie okien, co skutecznie odcina dopływ powietrza do pomieszczeń, a wentylacja naturalna nie ma warunków do działania.
Jedyną, na obecnym etapie, możliwością uniezależnienia działania wentylacji od zmiennych warunków pogodowych i zagwarantowanie dopływu powietrza zewnętrznego stosownie do aktualnych potrzeb mieszkańców jest usprawnienie wentylacji naturalnej poprzez montaż w ścianach zewnętrznych lub oknach nawiewników powietrza zgodnie z Instrukcją ITB 343/96 oraz Zmianą A1 do PN-83/B03430. Przy zastosowaniu tego typu rozwiązań należy przede wszystkim brać pod uwagę dopuszczenia do stosowania na rynku polskim czyli aktualną aprobatę techniczną.
dr inż. Mirosława Taźbirek
Politechnika Lubelska