Vývoj oprávněných požadavků na tepelný komfort

Úvod

Ve většině průmyslových zemích lidé v průměru tráví kolem 90 % svého života ve vnitřním prostředí budov a dopravních prostředků [1]. Vnitřní prostředí se tak stalo naším primárním prostředím, na které naše fyziologie reaguje a na které jsme pravděpodobně nejvíce adaptováni. Vzhledem k neustálému vystavení vnitřnímu prostředí je zřejmé, že vnitřní prostory mají velký význam pro naše zdraví a pohodu [2]. Je třeba poznamenat, že koncept vytváření zdravého vnitřního prostředí není ve skutečnosti synonymem pohodlí. Rostoucí počet budov je vybaven systémy vytápění, větrání a klimatizace (HVAC), jejichž cílem je vytvořit prostředí, které je považováno za komfortní. Situace je dnes taková, že navrhujeme a konstruujeme tepelné prostředí v podstatě podle našich přání a tužeb. V důsledku změn klimatu se očekává, že v nadcházejících letech prudce vzroste potřeba mechanického chlazení [3], což může znamenat značné množství energie vynaložené na zajištění přísně kontrolovaného tepelného prostředí, často s téměř stejnou cílovou teplotou po celý rok.

Tepelný komfort 19. a 20. století

Pokud krátce nahlédneme do dostupných údajů ohledně tepelného komfortu, resp. teplot interiéru používaných v českých budovách, zjistíme, že změna teplot je v průběhu let nepřehlédnutelná. Významný český fyziolog, anatom, biolog, básník, filozof Jan Evangelista Purkyně (1787–1869) v posmrtně vydaném spisu Topení a větrání v obydlích lidských v kapitole nazvané Vytápění budov sděluje, že „Teplota potřebná zdravým osobám kolísá podle jejich věku, zvyku a způsobu zaměstnání mezi 10 až 12 °C.“ Ing. F. Srbek autor spisu Ventilace a topení škol z r. 1898 uvádí teplotu ve školách 15 až 18 °C. Z dobových článků v českých týdenících či měsíčnících lze odvodit, že kolem poloviny 19. století se teplota v interiéru pohybovala kolem 11 °C, na přelomu 19. a 20. století stoupla na 13 až 15 °C, před druhou světovou válkou na 16 až 17 °C, ke konci 20. století na 19 až 20 °C.

Podíváme-li se za naše hranice, zjistíme, že na počátku 20. století si závodní lékaři uvědomili, že podmínky vnitřního prostředí ovlivňují zdraví a produktivitu pracovníků. Na základě analogie těla-stroje provedli američtí a evropští vědci experimentální studie, které považovaly účastníky za pasivní příjemce podnětů. Definovali soubor okolních podmínek, které vyvažovaly stimulaci prostředí a neutralizovaly smyslové vnímání, což bylo definováno jako tepelný komfort. Prostřednictvím definice nových norem, jako je například „Comfort Chart“ (1922) Americké společnosti inženýrů pro vytápění a větrání (American Society of Heating and Ventilating Engineers) stanovili sociálně-technické podmínky pro šíření smyslové neutrality a homogenizace vnitřního prostředí. Mezi 20. a 30. léty minulého století moderní architektura, jejímž představitelem, byl Le Corbusier, budovu/vnitřní prostor oddělovala od venkovního prostředí a standardizovala vnitřní prostředí. Cílem dle Le Corbusiera bylo: „vyrábět celý rok vnitřní prostředí vzduchem přesných parametrů – vzduch bez prachu, dezinfikovaný, přesně zvlhčený a ohřátý na konstantní teplotu asi 18 °C“ (Le Corbusier 1933). Tento přístup neutralizace klimatu v architektuře cirkuloval po celé Evropě a Americe. Například na světové výstavě v Chicagu (1933 až 1934) – nazvané Century of Progress – výstava „House of Tomorrow“ představila plně vzduchem řízený prototyp, kde klimatizační systémy „automaticky udržují vzduch v budovách čerstvý, bez zápachu, bez prachu a konstantní teploty a vlhkosti za všech okolností a ve všech ročních obdobích“ [4]. Dodnes jsou teploty v budovách obvykle nastaveny tak, aby poskytovaly tepelný komfort pro obyvatele tím, že je udržují v rámci termoneutrality.

„Comfort chart“ je psychrometrický graf, který se již dlouho používá k vizualizaci „komfortní zóny“ – oblast kombinací operativní teploty a vlhkosti, doporučených jako návrhové podmínky pro pobyt lidí. Obr. 1 ukazuje historii ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) zimní komfortní zóny během sedmdesáti let. Zde je zřejmá dlouhodobá nejistota v chápání tepelného komfortu člověka. Z obr. 1 je však patrný dlouhodobý trend posunu zón zimního komfortu k postupně teplejším podmínkám během posledních sedmi desetiletí (1941 až 2010). Obr. 2 ukazuje historické trendy zimních vnitřních obytných teplot ve Velké Británii, USA, Japonsku a Číně. Obrázek naznačuje, že „propast v komfortu“ se v průběhu času zmenšuje a konverguje k nějaké neutrální zimní obytné teplotě kolem 21 °C kolem roku 2010. Někteří výzkumníci tento trend dokonce pojmenovali jako „homogenizace vnitřního prostředí“. [5]

Obr. 1 Komfortní zóna ASHRAE pro zimní období 1941 až 2010 (podle normy ASHRAE 55); oblast kombinací operativní teploty a vlhkosti, doporučených jako návrhové podmínky pro pobyt lidí [5]

Obr. 2 Dlouhodobé trendy teplot v zimním období v obytných budovách ve Spojeném království, USA, Japonsku a severní Číně [5]

Současný stav legislativních požadavků na tepelný komfort

Stručný přehled norem vnitřního tepelného prostředí

Zjednodušeně lze konstatovat, že existují dva základní modely, které se v současnosti používají k předpovídání tepelného komfortu lidí uvnitř budov a k hodnocení a návrhu tepelného prostředí v budovách. Na těchto modelech se též zakládají současné normy vnitřního tepelného prostředí. Jeden model je založen na výpočtu tepelné bilance člověka ve vnitřním prostředí, druhý je známý jako model adaptivního komfortu. V 60. a 70. letech 20. století přitahovaly modely komfortu tepelné bilance velkou pozornost výzkumné komunity lidské biometeorologie. V té době navrhl P. O. Fanger široce používané indexy Predicted Mean Vote (PMV; předpokládaná průměrná volba) a Predicted Percentage Dissatisfied (PPD; předpokládané procento nespokojených) [6]. Index PMV předpovídá tepelný vjem jako funkci šesti parametrů tepelné bilance (metabolické teplo, izolace oblečení, teplota vzduchu, střední radiační teplota, rychlost vzduchu a relativní vlhkost). Model PMV byl od té doby aplikován jako oficiální metoda hodnocení tepelné pohody mnoha národními a mezinárodními normalizačními organizacemi, včetně normy EN ISO 7730 [7], ASHRAE Standard 55 [8], EN 16798 [9] a čínské GB/T 50785 [10]. Většina současných norem, s výjimkou ASHRAE Standard 55, vytvořila klasifikaci pro identifikaci kvality vnitřního tepelného prostředí na základě hodnot PMV-PPD (viz Tab. 1). Čím vyšší je třída klasifikace, tím užší je rozsah přípustných hodnot PMV, což odpovídá užšímu přípustnému teplotnímu rozsahu pro interiér. Z toho je zřejmé, že existuje v rámci těchto norem předpoklad (kromě ASHRAE 55), že absence jakéhokoli patrného tepelného podnětu ve vnitřním prostředí představují nejvyšší možnou kvalitu, že vnitřní prostředí budov by mělo usilovat o tepelnou nevnímatelnost (kategorie I).

Zásadně odlišný přístup k PMV-PPD modelu tepelné pohody je znám jako adaptivní model [11]. Ve srovnání s modely tepelné bilance, které vidí obyvatele ve všech typech budov a všech klimatických zón jako pasivní příjemce tepelných podnětů, adaptivní přístupy zdůrazňují roli, kterou obyvatelé hrají při vytváření vlastního stavu tepelné pohody prostřednictvím fyziologických, behaviorálních a psychologických procesů. Dosud byla většina výzkumné pozornosti zaměřena na fyziologické a behaviorální lidské tepelně adaptivní reakce, přičemž psychologické procesy byly opomíjeny. Klíčovým prvkem psychologické tepelné adaptace je očekávání pohodlí. První implementací adaptivního přístupu v normě pro tepelnou pohodu se zabývali de Dear a Brager [12], kteří v 90. letech 20. století využili kvalitativně zajištěnou databázi terénních studií tepelné pohody ze všech hlavních klimatických zón světa. Tento adaptivní model komfortu dává do souvislosti vnitřní komfortní teploty s venkovním klimatem a v roce 2004 byl adaptivní model de Deara a Bergera [12] přijat v normě ASHRAE 55 [8] pro aplikaci na budovy s přirozeným větráním jako alternativní metoda vedle přístupu PMV-PPD pro budovy, které se při zajišťování komfortu uživatelů spoléhají na zařízení HVAC. Po iniciativě ASHRAE 55 týkající se adaptivního komfortu v roce 2004 byly podobné adaptivní modely postupně začleněny do dalších norem, jako je evropská norma EN 16798 [9] a čínská GB/T 50785 [10]. Obecně platí, že akceptované vnitřní teploty pro celkovou tepelnou pohodu jsou stanoveny odděleně pro mechanicky klimatizované budovy a budovy větrané přirozeně. Model PMV je použitelný pro mechanicky klimatizované budovy (Fanger, 1964), pro přirozeně větrané budovy (s lokálními mechanickými klimatizačními prostředky) je použitelný model adaptivní (de Dear & Brager, 1998).

Rozsah přijatelných provozních teplot odpovídající určité úrovni PPD se zužuje s rostoucí úrovní očekávání ve všech výše uvedených normách (kategorizace prostředí viz Tab. 1), vyjma standardu ASHRAE 55, který přijatelné provozní teploty definuje pouze v „akceptovatelném“ rozsahu podmínek bez kategorizace. Uvedené normy byly primárně navrženy pro tepelnou pohodu v prostorách, kde jsou obyvatelé v sedavém stavu (tj. kancelářská práce).

Závěr

Od doby, kdy byla na začátku minulého století vynalezena klimatizace, se vnitřní prostředí v moderních budovách „dodává“ ve standardizovaném formátu, který klade důraz na konstantní teplotu v čase a rovnoměrnost teploty v prostoru a zaměřuje se na vjemovou tepelnou neutralitu. Všudypřítomné systémy vytápění, větrání a klimatizace v našich budovách stlačují rozsah teplotních expozic v našem každodenním životě a přibližují se stále blíže k teoreticky ideálním podmínkám. To vyvolává otázku, zda skutečně došlo k úměrnému nárůstu tepelné spokojenosti obyvatel budovy, zda je tento trend dlouhodobě udržitelný, zda nebude docházet v důsledku klimatických změn k značnému nárůstu spotřeby energie a v neposlední řadě tu nejdůležitější otázku, zda je tento přístup vhodný pro naše zdraví. Z realizovaných výzkumů se jeví, že lidé žijící po dlouhou dobu v „ideálním“ vnitřním klimatu mají stále vyšší a vyšší teplotní očekávání, což způsobuje, že jsou stále „náročnější“ ohledně svého tepelného prostředí, což nevede ke zvýšení spokojenosti, naopak to někdy vede dokonce ke snížení spokojenosti ve srovnání s těmi, kteří obývají prostředí s mnohem větším teplotním rozsahem.

V průběhu času, zejména v západních a průmyslových zemích, se budovy vyvinuly tak, aby téměř úplně chránily obyvatele před venkovními podmínkami. V důsledku toho si lidé tak zvykli na stálé, tzv. pohodlné vnitřní prostředí, že se jen těžko vyrovnávají s teplotními výkyvy. Na zajištění přísně kontrolovaného tepelného prostředí je mnohdy vynakládáno značné množství energie. Dnes už je navíc známo, že být většinově vystaven stálým a pohodlným vnitřním teplotám může mít negativní dopad na zdraví a zhoršit naši lidskou schopnost vypořádat se s tepelnými problémy. To je v kontextu budoucích změn, a s tím související budoucí problematiky „jak se vyrovnat s klimatickými výzvami“, pro člověka více než nevýhodné. Nabízí se tedy otázka, zda s ohledem na změnu klimatu, udržitelnost životního prostředí, lidské zdraví, a dokonce i kulturní rozmanitost nenastal čas na změnu používaných norem, resp. v současné době používaných teplot a teplotních rozsahů.

Literatura

1. KLEPEIS, N.E., et al. The National Human Activity Pattern Survey (NHAPS): A Resource for Assessing Exposure to Environmental Pollutants. Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology, 11, 231-252, 2001
2. PERDUE W.C., Stone L.A., Gostin L.O. The Built Environment and Its Relationship to the Public’s Health: The Legal Framework. AJPH 93(9):1390–1394, 2003
3. PALLUBINSKY H., KRAMER R.P., VAN MARKEN LICHTENBELT W.D. Establishing resilience in times of climate change—a perspective on humans and buildings, Climatic Change 176:135, 2023
4. REQUENA-RUIZ I. Thermal control and comfort in Modern Architecture (1930-1960), Building Artificial Climates, Ambiances 2, 2016
5. LUO M., DE DEAR R., JI W., BIN C., LIN B., OUYANG Q., ZHU Y. The dynamics of thermal comfort expectations: The problem, challenge and impication, Building and Environment, Elsevier, 95, 322-329, 2016
6. FANGER P.O., Calculation of thermal comfort: introduction of a basic comfort equation ASHRAE Trans., 73 (2), pp. 1-20, 1967
7. ČSN EN ISO 7730, Ergonomie tepelného prostředí, 2006
8. ASHRAE Standard 55, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, ASHRAE, Atlanta, Georgia, 2013
9. ČSN EN 16798-1, Energetická náročnost budov, 2020
10. GB/T Evaluation Standard for Indoor Thermal Environment in Civil Buildings, GB/T 50785 Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China, Beijing, 2012
11. HUMPHREYS M.A., Outdoor temperature and comfort indoors, Build. Res. Pract., 6 (2), pp. 92-105, 1978
12. DE DEAR R., BRAGER G., Developing an adaptive model of thermal comfort and preference, ASHRAE Trans., 104 (1998), pp. 145-167