belépés / regisztráció
2021. március 6. szombat
Aktuális lapszám

Szén-dioxid-koncentráció alakulásának vizsgálata egy oktatási épületben

Sajnos általában nagyon keveset foglalkozunk a beltéri levegő minőségével, pedig az ember élelem nélkül több napot kibír, még folyadék nélkül is egy-két napot, viszont levegő nélkül csak perceket. A belső levegő megfelelő minősége kiemelten fontos kritérium a belső környezet minőségének megítélésében.

 

A levegő a vízgőz mellett a következő összetevőkből áll: 78.08% nitrogén (N2), 20.95% oxigén (O2), 0.93% argon. Ez a három gáz alkotja a száraz levegő 99.96%-át. A levegőben szén-dioxid, metán, ózon, szénhidrogének és más gázok is megtalálhatók. A széndioxidból található a legtöbb ezek közül a nyomgázok közül, a levegő mintegy 0.037%-a. Minden más gáz kisebb mennyiségben van jelen. Minden egymillió molekula közül többnyire kevesebb, mint egy molekula a többi gáz. A levegő tiszta állapotban színtelen, szagtalan. [1, 2]

A belégzés során oxigént juttatunk a szervezetünkbe és széndioxidot lélegzünk ki. Bár szükségünk van az „oxigéndús levegőre”, a levegő oxigéntartalma akár 16%- ig csökkenhet anélkül, hogy ezt észrevennénk, és az eredeti (1%-nál jóval kevesebb) szén-dioxid-koncentráció három-négyszeresére növekedése is jól elviselhető [3, 4].

A szén-dioxid légköri nyomáson légnemű, gáz halmazállapotú vegyület. A tiszta levegő mintegy 0,039% (térfogatszázalék) szén-dioxidot (390 ppm) tartalmaz. Színtelen, kis koncentrációban szagtalan, a levegőnél nagyobb sűrűségű. Ha a belélegzett levegő a normál koncentráció többszörösét (néhány %-ot) tartalmazza szén-dioxidból, akkor azt enyhén savanykásnak érezzük, ez a koncentráció azonban már veszélyes, mert fulladást okozhat.

Max von Pettenkofer a XIX. század közepén vizsgálta a komfortterek levegőjét és megállapította, hogy a 0,1 tf% (1000 ppm) a „jó levegő” kritériuma.

A szén-dioxid hatása különböző koncentráció mellett [3, 4]:

0,1 tf%       Pettenkofer szám
2,5 tf%       Nincs még hatás
3 tf%          Erős mély légzés
4 tf%          Órákon át fejfájást, fülzúgást, szédülést okoz
5 tf%          0,5-1 órán át halált okozhat
8-10 tf%      Azonnali halál

Természetes szellőzés

Az épületek levegőforgalmának formái között a kiváltó okok, a folyamat véletlenszerű vagy tudatosan szabályozott jellege alapján teszünk különbséget. Ennek megfelelően beszélünk filtrációs levegőforgalomról, természetes és mesterséges szellőzésről.

A filtrációs levegőforgalomról akkor beszélünk, ha a helyiség és a környezet közötti légcsere a nyílászárók résein, a panelek és egyéb elemek illesztési hézagain, egyes esetekben a légáteresztő szerkezetek felületein, a szellőzőnyílásokon, a kürtőkön keresztül megy végbe (véletlenszerű, nem szándékos). A levegő mozgását kiváltó okok a levegő sűrűségkülönbségéből származó gravitációs felhajtóerő, a szél okozta torlónyomás, a kiegészítő elszívószellőzés működése, illetve ezek együttes hatása, [5].

A levegő áramlási irányának függvényében beszélhetünk infiltrációról, ha a levegő a helyiségbe és exfiltrációról, ha a levegő a helyiségből áramlik. A filtrációs levegőforgalom főbb jellemzői [5]:

  • a fűtési idényre vonatkozó jelenségről van szó és a helyiségbe bejutó levegő felmelegítéséhez szükséges hőáramot a fűtőberendezés fedezi;
  • a levegő áramlási útjának egészét (nagy részét) az épület helyiségeinek és nyílászáróinak láncolata alkotja;
  • a levegő áramlását előidéző nyomáskülönbség kizárólag (túlnyomó részt) természetes hatásoknak tudható be.

A természetes szellőzés abban különbözik a filtrációtól, hogy a természetes szellőztetés célja a helyiségek hatékony, és bizonyos fokig szabályozható átöblítése (tudatos). Ennek megfelelően a levegő be- és kibocsátására felülvilágítók, tetőszellőzők, több fokozatban állítható nyílászárók, zsaluk, csappantyúk is szolgálnak.

Oktatási épületek természetes szellőztetése

Számos oktatási épületben nincs gépi szellőzés, így a szükséges friss levegőt az oktatási szünetekben az ablakok kinyitásával biztosítják. A Debreceni Egyetem Műszaki Kar épületében méréseket végeztünk annak érdekében, hogy vizsgáljuk a szén-dioxid-koncentráció alakulását olyan oktatási termekben, amelyek nem rendelkeznek gépi szellőzéssel. A szén-dioxid változását két teremben, két különböző időpontban, eltérő külső környezeti feltételek mellett mértük. A két mérésnél eltérés mutatkozott továbbá a mérésben résztvevők számában, illetve a két terem térfogatában és más volt a beépített nyílászárók típusa is. A méréshez használt eszköz: TESTO 435-4 multifunkciós műszer volt. A műszer jellemzői: • szén-dioxid koncentrációjának mérési tartománya 0 és 10000 ppm között van, • a szén-dioxid koncentráció mérési pontossága ±50 ppm.

Az I. mérés

Az első mérést a Debreceni Egyetem Műszaki Kar épületegyüttesének 10. emeletén található oktatási teremben végeztük (1. ábra). Itt műanyag keret- és tokszerkezettel rendelkező nyílászáró voltak (2. ábra).

A teremben 19 fő tartózkodott a mérési időtartam alatt. A mérés 2015. 10. 29-én történt. Ezen a napon a külső léghőmérséklet 16,5 C° volt, illetve a külső szén-dioxid-koncentráció értéke 624 ppm volt.

A mérés időtartama 1 óra 40 perc volt. Mérés és adatrögzítés 1 percenként történt a megfelelő mennyiségű adat megszerzése érdekében. Az alábbi diagramon (3. ábra) látható, hogyan változott a szén-dioxid koncentrációja a mérés során.

A diagramon kék színnel a hőmérsékletváltozást, piros színnel pedig a szén-dioxid koncentrációjának változását láthatjuk. Alaphelyzetben, amikor senki sem tartózkodott a helyiségben viszonylag magas szén-dioxid-koncentráció értéket mértünk: 815 ppm. Ez betudható annak, hogy az előző órák után nem volt megfelelően átszellőztetve a helyiség.

A diagram segítségével megalapíthatjuk, hogy mikor volt a legmagasabb a szén-dioxid koncentrációja a levegőben, és pontosan mennyi volt ez az érték. Látható. hogy 11:10-kor volt a legmagasabb a koncentráció értéke, ekkor 1882 ppm értéket mértünk. Ehhez a szén-dioxid-koncentráció értékhez 24,52 °C belső léghőmérséklet tartozik. Ez a szén-dioxid koncentráció már magasnak mondható, hiszen a Pettenkofer szám 1000 ppm, de a mérésben résztvevő alanyok semmilyen rosszullétet, fejfájást, koncentrációs problémát nem tapasztaltak. Ekkor (1 óra eltelte után) a helyiségből mindenki távozott és 10 perces szellőztetés következett. A szellőztetés a terem négy nyílászárójának teljes kinyitása mellett történt. Szellőztetés után 825 ppm CO2 koncentrációt mértünk, tehát a szellőztetés után több mint 1000 ppm-el csökkent a szennyezőanyag koncentrációja. A szellőztetés előtt mért magas szén-dioxid-koncentráció érték természetesen egyenes következménye a nagy légtömörségű nyílászárók alkalmazásának.

A mért adatok felhasználásával kiszámítható a friss levegő igény, vagy a szükséges légcsereszám. Első lépésként a helyiségben felszabaduló CO2 mennyiségét kell meghatároznunk. Egy irodai munkát végző, ülő helyzetben lévő ember CO2 kibocsátása [6] 19 [l/h], ami 37620 [mg/h] értéknek felel meg (1,98 kg/m3 sűrűséggel számolva). A mérésen 19 fő volt jelen, tehát ez 714,78 g CO2 terhelést jelent óránként.

Az alábbi összefüggést alkalmazva meghatározható a légzés friss levegő igénye:

(Képlet) (1)

ahol: kb a belső térben megengedett CO2 koncentráció [ppm]; kk a külső levegő CO2 koncentrációja [ppm]

Ebből

(Képlet)

összefüggéssel kiszámíthatjuk a friss levegő igényhez tartozó légcsereszámot. Ha azt szeretnénk elérni, hogy a belső térben a szén-dioxid-koncentráció ne haladja meg az 1000 ppm értéket, akkor a mi esetünkben a szükséges friss levegő mennyiség 960 m3/h, ami 3,4 h-1 légcsereszámot és 50,5 m3/h×fő fajlagos értéket jelent. Ez az érték jóval magasabb, mint a tervezéseknél sokszor alkalmazott 30 m3/h×fő. Ez azért van így, mert a 30 m3/h×fő fajlagos érték meghatározásánál 400-450 ppm szén-dioxid- koncentrációt feltételeztek a külső levegőben. A mi esetünkben viszont 624 ppm értékkel kellett számolni! Ha 1500 ppm lenne a belső térben megengedett szén-dioxidkoncentráció, akkor 412 m3/h friss levegőre lenne szükség, ami 1,46 h-1 légcsereszámot és 21,7 m3/h×fő fejadag értéket jelent.

Vizsgáljuk meg a mért értékek alapján, hogy milyen légcsere alakult ki természetes szellőztetéssel a helyiségünkben. Ehhez az alábbi képlet van segítségünkre [3,6]:

(Képlet) (2)

ahol a k0 az utolsó mért szén-dioxid-koncentráció érték a szellőztetés előtt, t - idő.

A számított légcsereszám értékeket a 4. ábrán mutatjuk be. Az ábrán egyértelműen látszik, hogy a természetes szellőzés során a légcsereszám gyakorlatilag 5 perc alatt elérte a maximális értékét. Ezután a légcsere állandó értéken maradt: ~9,5 [1/h]. Ez a légcsereszám-érték elegendőnek bizonyult arra, hogy 10 perces szellőztetés után a teremben elérjük a kiindulási szén-dioxid-koncentráció értékét. Fontos azonban megjegyeznünk, hogy ez a légcsere szám a terem összes, azaz mind a négy ablakának, teljes mértékű nyitása mellett alakult ki.

A II. mérés

A második mérés a Debreceni Egyetem Műszaki Kar 3. emeletén található teremben történt (5. ábra) ahol nem műanyag, hanem fém keret- és tokszerkezettel rendelkező nyílászárók vannak beépítve (6. ábra).

A teremben a mérés során 12 ember tartózkodott. A mérés 2015. 10. 30-án történt. A mérési időtartamban az átlagos külső hőmérséklet 16,5 C° volt, illetve a külső levegő COkoncentrációja 646 ppm. A COkoncentrációjának alakulását 3 órán keresztül mértük (7. ábra).

Mielőtt a mérési alanyok a terembe érkeztek volna, lehetőség volt 25 perces szellőztetésre, melynek során a belső levegőben a CO2 koncentráció elérte a 721 ppm értéket, megközelítve ezzel a külső levegő CO2 koncentrációját. Miután a teremben az alanyok elfoglalták a kijelölt helyeiket és a nyílászárókat becsuktuk, a teremben a szén-dioxid-koncentráció emelkedni kezdett. Egy óra elteltével szellőztetést végeztünk, melynek hatása jól látható a diagramon. A CO2 koncentrációja tehát lecsökkent. Tíz perces szellőztetés után az alanyok visszatértek a terembe és az ablakokat ismét becsuktuk. A teremben a szén-dioxid-koncentráció a zárt nyílászárók mellett növekedett, majd az alanyok egy órai benntartózkodás után elhagyták a termet. A terem elhagyása előtt 2597 ppm volt a CO2 koncentrációja. Ezután mindenki elhagyta a termet és az ablak teljes kinyitása mellett történt tovább a mérés. Egy óra elteltével a CO2 koncentrációja 694 ppm volt.

Ebben az esetben ahhoz, hogy a belső térben a szén-dioxid koncentrációja ne haladja meg az 1000 ppm értéket, 644 m3/h friss levegőre lenne szükség, ami 5,6 h-1 légcsereszámot és 53,67 m3/h×fő fejadag értéket jelentene! Ha 1500 ppm lenne a belső térben megengedett szén-dioxid- koncentráció, akkor 267 m3/h friss levegőre lenne szükség, ami 2,3 h-1 légcsereszámot és 22,25 m3/h×fő fejadag értéket jelent.

A terem egyetlen nyitható ablakszárnnyal rendelkezett. A 8. ábrán látható, hogyan alakult a légcsereszám a szellőztetés időszakában. Megállapítható, hogy ebben az esetben is 5 perc alatt alakul ki a maximális légcsere.

A két mérésből egyértelműen megállapítható, hogy az ablaknyitással történő szellőztetésnek minimum 5 percig kell tartania ahhoz, hogy a maximális légcsereszám kialakulhasson. Látható az is, hogy 10 perc szellőztetéssel igen jó eredményeket érhetünk el, azonban ha két vagy több  órán keresztül tartózkodunk egy helyiségben, akkor akár több mint egy óra is szükséges lehet ahhoz, hogy a CO2 koncentráció a kiindulási értékre csökkenjen.

Összefoglalás

Napjainkban számos oktatási épület esetében végeztek el ablakcserét annak érdekében, hogy a hőveszteséget csökkentsék. Az alacsony hőátbocsátással rendelkező nyílászárók azonban nagy légzárással is rendelkeznek. Természetesen ez is előnyükre válik, de ilyen esetekben hangsúlyosan kell figyelni a szellőztetésre, ugyanis az energetikai felújítások sok esetben nem terjednek ki a gépi vagy a természetes szellőzés kiépítésére. A két mérés bizonyítja, hogy ha nincs biztosítva a friss levegő bevezetése, akkor nagy légzárású ablakok esetében a tantermekben akár egy tanóra elteltével is 2000-2500 ppm szén-dioxid-koncentráció alakulhat ki. Sajnos a méréseknél nem állt rendelkezésre kellő létszámú alany, ugyanis a termek 50 fő, illetve 32 fő kapacitással rendelkeztek. Első esetben 19 fő, második esetben pedig 12 fő tartózkodott a teremben. Kérdés tehát, hogy mennyi lett volna a szén-dioxid-koncentráció maximális értéke, ha kétszer-háromszor több ember tartózkodik a teremben? A tanulmány arra is felhívta a figyelmet, hogy lehetnek olyan időszakok, amikor a külső levegőben a szén-dioxid-koncentráció meghaladja a szokásos 400-450 ppm értéket. Az üzemeltetés során előfordulhat tehát, hogy ahhoz, hogy a belső tér levegőjében a szén-dioxid-koncentráció ne haladja meg az 1000 ppm értéket, a szükséges friss levegő fejadagnak nagyobbnak kellene lennie az általában alkalmazott 30 m3/h×fő értéknél. Gépi szellőzés esetén természetesen nem mindegy, hogy mekkora a szellőzési légáram és az sem, hogy mekkora levegőmennyiséget kell kezelni. A bemutatott példákból láthattuk, hogy 1000 ppm, illetve 1500 ppm megengedett koncentráció között nagy légcsereszám különbségek alakultak ki. Rendkívül fontos tehát a belső térben a megengedett szén-dioxid-koncentráció értékének megválasztása.


Felhasznált szakirodalom

[1] Csáki Imre Szellőztetés hatása a széndioxid koncentrációra lakóépületekben, 15th Building Services, Mechanical and Building Industry Days, Debrecen, 2009.10.15-2009.10.16., pp. 115-122.
[2] Csáki Imre, Szennyező anyagok a belső környezet levegőjében, I. Alpok-Adria Passzívház Konferencia – Pécs, 2009.09.04-2009.09.05., pp. 357-359.
[3] Bánhidi László, Kajtár László: Komfortelmélet, Tankönyvkiadó, Budapest, 2000.
[4] Herczeg Levente, Irodaterek belső levegő minőségének értékelése: A szén-dioxid koncentráció hatása az ember közérzetére és az irodai munka teljesítményére, Magyar Épületgépészet LVIII:(5) pp. 3-7. (2009)
[5] Fekete Iván (szerk.) Épületfizika Kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985.
[6] Kalmár Ferenc, A belső környezet minősége, Budapest: TERC Kereskedelmi és Szolgáltató Kft., 2013. 255 p.


A szakcikket Dr. Csáky Imre, okleveles gépészmérnök, adjunktus (Debreceni Egyetem Műszaki Kar Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszék) lektorálta:

Napjainkban nagyon sok oktatási épületet újítanak fel, viszont hőtechnikai korszerűsítés nem minden esetben párosul gépészeti felújítással. Az elmúlt években a Debreceni Egyetem Műszaki Karának egyes részein hőtechnikai és gépészeti korszerűsítést végeztek. Az energetikai korszerűsítés azonban nem minden tanteremben egészült ki gépi szellőzéssel. Ezért előfordulhat olyan CO2-koncentráció hosszabb-rövidebb időtartamra, ami meghaladja a megengedett határértéket.

Városi, szennyezett környezetben előfordulhat olyan időszak, amikor a külső levegő CO2-tartalma nagyobb, mint egy kisvárosi, falusi környezetben. A szerzők helyesen alkalmazták és használták a Testo 435 mérőműszert. A percenkénti mintavételezés megfelelő a CO2-koncentráció dinamikus változásának bemutatására. Még a 10 perces szünetben is a sűrű mintavételezésnek köszönhetően jól értelmezhető a CO2 változása a 3. ábrán.

A második mérési sorozat jó példa arra, hogy kialakulhatnak olyan helyzetek, amikor a 10 perces szünetben való szellőztetés elégtelen a kívánt, megengedett CO2-szint eléréséhez. Kifejezetten hasznos a második mérésben a 10:00–11:00 órai időszak, amikor a szerzők bemutatják azt az időtartalmat, ami szükséges lehet egy terem természetes átszellőztetéséhez.

A cikkben a szerzők két mérési sorozatban bemutatták, hogy a valóságban előfordulhat olyan belső CO2- koncentráció, ami tartósan a megengedett értéket meghaladja. Felhívja a figyelmet arra, hogy az oktatási épületek az energetikai felújítása során nem szabad a szellőzést elhanyagolni.

Kifejezetten olvasmányos a tanulmány. Hibákat nem találtam. A cikkből hiányolom a nemzetközi szakirodalom alkalmazását. Mindezek után a cikket javaslom publikálásra.

***

1. ábra. Az 1. sz. terem alaprajza
2. ábra. Nyílászáró az 1 sz. terem esetében
3. ábra. Szén-dioxid-koncentráció alakulása az 1 sz. teremben
4. ábra. Természetes szellőzéssel elért légcsereszám az idő függvényében (1. sz. terem)
5. ábra. 2. sz. terem alaprajza
6. ábra. Alumínium nyílászáró
7. ábra. CO2-koncentráció alakulása és maximális értéke
8. ábra. Természetes szellőzéssel elért légcsereszám az idő függvényében (2. sz. terem)

Dr. Kalmár Ferenc
főiskolai tanár, szakmai vezető
DE Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszék


Nagy Ákos
épületgépész BSc hallgató
DE Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszék

A szerzõ egyéb cikkei:

  Lezárult a DEnzero projekt II.
  Lezárult a DEnzero projekt I.

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam