Limity tepelného komfortu
Fyzikální faktory tepelného komfortu (teplota, vlhkost, rychlost proudění) ovlivňují jak fyziologické stavy člověka, tak i subjektivní pocity pohody či nepohody. V současné době jsou doporučené návrhové parametry tepelného komfortu založeny zejména na normách ČSN EN ISO 7730 (2006), ČSN EN 16798-1(2020), ASHRAE 55 (2010). Výsledkem aplikace těchto hodnot v praxi se zohledněním požadavků uživatelů jsou víceméně jednotné teploty vnitřního vzduchu v průběhu celého roku s minimálními odchylkami (v obytném a pobytovém prostředí budov) a tyto budovy jsou navržené víceméně pro homogenní uživatele se srovnatelnými preferencemi. Nabízí se tedy otázka, jestli tento přístup k zajištění tepelného komfortu je i nadále vhodný a zda zajišťuje zdravé vnitřní prostředí pro uživatele.
Foto: Pexels
Úvod
Snaha o zajištění tepelné pohody (komfortu) člověka se pravděpodobně vyskytuje od samých počátků jeho existence. Podle v současnosti používaných fyzikálních modelů je tepelného komfortu dosaženo, je-li zajištěna tepelná rovnováha při optimálních hodnotách fyziologických parametrů lidského těla. Tuto rovnováhu ovlivňuje řada parametrů; např. fyzická činnost člověka, tepelný odpor oděvu člověka, teplota vzduchu, teplota okolních povrchů, proudění vzduchu, relativní vlhkost vzduchu aj. Výsledkem aplikace doporučených návrhových vnitřních teplot (ČSN EN ISO 7730, 16798-1, ASHRAE 55) v praxi jsou budovy, resp. jejich vnitřní prostředí, navržené víceméně pro homogenní uživatele se srovnatelnými preferencemi. Tato postupná „tepelná homogenizace prostředí“ je přičítána používání ústředního vytápění (např. Unander, Ettestol, Ting & Schipper, 2004) a systému klimatizace (např. Biddle, 2008) a také předpokladu, že kritéria tepelné pohody založená na modelu PMV (Fanger, 1970) obecně používaná během posledních 40 let vedla k těmto jednotným teplotám vnitřního vzduchu, přičemž dochází k rostoucímu trendu zimních vnitřních teplot, zejména v ložnicích (Mavrogianni et al., 2011), ale nejen v nich, a klesajícímu trendu v letním období a v tropech (např. Bae & Chun, 2009).
Tepelný komfort
Významný český přírodovědec 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 10–12 °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 13–15 °C, před druhou světovou válkou na 16–17 °C, ke konci 20. století na 19–20 °C.
V nizozemských novinách existují určité nepřímé důkazy, že kolem roku 1870 byla teplota interiéru v rozsahu 13–15 °C vnímána jako příjemná (Knip, 2016). Ve Spojeném království došlo v letech 1978 až 1996 k nárůstu průměrných vnitřních teplot v bytech o 1,3 °C za dekádu (Mavrogianni a kol., 2011) [1].
Výše uvedené naznačuje, že teploty vzduchu v interiéru v posledním půlstoletí se zvyšují a skutečnost je taková, že se nejen zvyšují, ale směřují v podstatě k homogenní teplotě interiéru ve všech ročních obdobích, což znamená, že se zúžil a zužuje i rozsah našeho komfortu.
Jedním z příkladů může být i graf na Obr. 1, kde je vyhodnocení objektivně měřených hodnot teploty vzduchu v interiéru kancelářského open-space prostoru v zimním období a subjektivní hodnocení 295 uživatelů open-space prostoru, kteří hodnotili sedmibodovou stupnicí svůj tepelný pocit (−3 = zima, −2 = chladno, −1 = mírné chladno, 0 = neutrálně, +1 = mírné teplo, +2 = teplo, +3 = horko).
V ČSN EN 16798-1 [4] (dříve ČSN EN 15251) je uveden teplotní rozsah pro kancelář pro kategorii kvality vnitřního prostředí IEQ II (Střední úroveň očekávání) pro otopnou sezónu 20–24 °C. Jedná se o rozsah pro energetické výpočty nicméně s ohledem na kvalitu vnitřního prostředí, tj. norma uvádí „Výchozí kritéria pro vnitřní prostředí“, v tomto případě pro tepelné prostředí. Výchozí návrhová hodnota operativní teploty v zimě je pro kategorii IEQ II minimálně 20 °C a předpokládaný tepelný pocit PMV −0,5 < PMV < +0,5.
Z grafu je zřejmé, že největší spokojenost uživatelů, tj. tepelný komfort, je při teplotě vzduchu rovné 24,3 °C. Pro hodnoty nižší se začíná vyskytovat pocit na straně mírného chladu, jak ukazuje trend v grafu zobrazený tečkovaně. To znamená, že optimální hodnota teploty vzduchu pro většinu uživatelů je 24,3 °C a zachováme-li rozmezí subjektivního hodnocení tepelného pocitu obdobně jako v normě ČSN EN 16798-1 −0,5 < PMV < +0,5, pak získáme rozsah teplot vzduchu 22,8–25,9 °C. Tyto hodnoty jsou přibližně o 2 °C vyšší než normové a rozsah tepelného komfortu akceptovaného uživateli je ještě užší (3,1 °C) než normový (4 °C). Navíc dosažení tohoto stavu tepelného komfortu znamená i vyšší reálnou spotřebu tepla oproti výpočtové.
![Obr. 1 Subjektivním hodnocením tepelného pocitu vyjádřeného sedmibodovou stupnicí a naměřenou teplotou vzduchu v open-space prostoru. Neutrálního stavu, tedy tepelné pohody, je dosaženo při teplotě vzduchu 24,3 °C. Norma ČSN EN 16798-1 [4] předpokládá neutrální stav při provozní teplotě 22 °C.](/docu/clanky/0278/027840o1.png)
Obr. 1 Subjektivním hodnocením tepelného pocitu vyjádřeného sedmibodovou stupnicí a naměřenou teplotou vzduchu v open-space prostoru. Neutrálního stavu, tedy tepelné pohody, je dosaženo při teplotě vzduchu 24,3 °C. Norma ČSN EN 16798-1 [4] předpokládá neutrální stav při provozní teplotě 22 °C.
Cílem tvorby vnitřního prostředí je dosáhnout stavu, který nazýváme „pohoda prostředí“, resp. tepelný komfort, který je považován za optimální stav, kdy uživatel prostředí nevnímá a může se plně soustředit na danou činnost, kterou může být práce, sport, odpočinek nebo zábava. Podle v současnosti používaných fyzikálních modelů je tepelného komfortu dosaženo, je-li zajištěna tepelná rovnováha při optimálních hodnotách fyziologických parametrů lidského těla. Fyzikální model používaný pro vyjádření tepelné rovnováhy vychází z rovnováhy mezi tepelnou produkcí člověka a sdílením tohoto tepla mezi člověkem a okolím.
Tepelný komfort a zdraví
Dosažení tepelného komfortu předpokládá zajištění zdravého vnitřního prostředí pro člověka. Pojem komfort a zdraví spolu sice mohou souviset, ale nejsou synonyma, tzn., že zajištění tepelného komfortu v závislosti např. na preferencích uživatelů z výše uvedeného příkladu kancelářského open-space prostoru nutně nemusí zajistit zdravé vnitřní prostředí. Navíc je více než pravděpodobné, že ani pevně nastavené a řídicími systémy udržované hodnoty parametrů vnitřního prostředí, resp. tepelného komfortu, nezajistí pocity tepelného komfortu všech uživatelů, i s ohledem na pravidlo prof. Fangera o 5 % nespokojených.
Existuje hypotéza, že dlouhodobé vystavení „termoneutrálním“ podmínkám může přispět k „závažnému“ překlopení energetické bilance člověka (Hansen, Gilman & Odland, 2010; van Marken Lichtenbelt & Kingma, 2013; van Marken Lichtenbelt, Kingma, van der Lans a Schellen, 2014), přičemž pozitivní energetická bilance je nejdůležitějším příčinným faktorem nadváhy a obezity. Účinky teploty prostředí na lidské zdraví je obtížné studovat, protože změny zdravotního stavu se vyvíjejí pomalu a mohou mít také nepřímou kauzalitu s teplotou. Nicméně z dosavadních poznatků se jeví, že onemocnění spojená s metabolickým syndromem souvisejí s trvale příjemnou teplotou prostředí (Keith et al., 2006; McAllister et al., 2009). Metabolický syndrom je celosvětově jedním z nejrozšířenějších nepříznivých zdravotních stavů a je charakterizován obezitou, doprovázenou vysokým rizikem rozvoje diabetu 2. typu, kardiovaskulárních onemocnění, a dokonce některých forem rakoviny (Singh et al., 2013). Vnitřní prostředí, resp. tepelný komfort, hraje významnou roli v energetické bilanci člověka. Pokud lidské tělo zůstává v termoneutrálních podmínkách, produkce metabolického tepla pro udržení tělesné teploty je minimální (Kingma, Frijns & van Marken Lichtenbelt, 2012). Naproti tomu se ukázalo, že mírný chlad může zvýšit lidský energetický metabolismus bez třesu (Davis, 1961; van Ooijen, van Marken Lichtenbelt, van Steenhoven a Westerterp, 2004; Warwick & Busby, 1990) a jak chlad, tak teplo ovlivňují další faktory související s metabolickým zdravím (Hanssen et al., 2015; Pallubinsky et al., 2017) [1].
Vliv teplot prostředí na lidský energetický metabolismus je relativně přímočarý, jak ukazuje Scholanderův model [1].
Mírný chlad, resp. teploty prostředí nevyvolávající třesavku, vedou k netřesové termogenezi (NST non-shivering thermogenesis); termochemická termogeneze probíhající v hnědé tukové tkáni. Hnědý tuk při aktivaci chladem produkuje více tepla než jakákoli jiná tkáň v těle. V roce 2009 byl výzkumný tým z Maastrichtu mezi prvními, kdo prokázal existenci funkčně aktivní hnědé tukové tkáně u dospělých lidí (van Marken Lichtenbelt et al., 2009; Saito et al., 2009; Virtanen et al., 2009), obr. 2. Netřesová termogeneze (NST) může představovat až 30 % klidového metabolismu u zdravých mladých dospělých (van Ooijen et al., 2004) a v extrémních případech dokonce až 40 % (Vosselman, Vijgen, Kingma, Brans a van Marken Lichtenbelt, 2014).
![Obr. 2 Netřesová termogeneze (nonshivering thermogenesis) a aktivita hnědého tuku v těle dospělého (šipky) před (PRE) a po (POST) aklimatizaci na chlad [1]](/docu/clanky/0278/027840o2.png)
Obr. 2 Netřesová termogeneze (nonshivering thermogenesis) a aktivita hnědého tuku v těle dospělého (šipky) před (PRE) a po (POST) aklimatizaci na chlad [1]
Typické teploty vzduchu pro maximální NST jsou kolem 14–16 °C pro lehce oblečené, štíhlé dospělé. Jiná studie však ukazuje, že vystavení 19 °C, pociťované jako mírná a snesitelně nízká teplota, již vede k předvídatelnému zvýšení energetického výdeje (Celi et al., 2010). Studie aklimatizace na chlad též odhalila, že pravidelná expozice po dobu dvou hodin denně po dobu šesti týdnů teplotě 17 °C zvýšila NST, a dokonce vedla k významné ztrátě tělesného tuku (Yoneshiro et al., 2013). Důležitým poznatkem též je, že chladová aklimatizace vede ke snížení tepelné nepohody v chladných podmínkách (Hanssen et al., 2016). To znamená, že se změnou fyziologické reakce na chlad dochází i ke změně psychické. Postupně chladnější situace vede ke komfortu a vyšší akceptaci.
Vystavení mírnému chladu vedoucí k chladové aklimatizaci přináší i první náznak účinku chladové aklimatizace na imunitní systém, kdy při 10denním přerušované vystavení chladu u zdravých hubených subjektů byly pozorovány značné změny exprese markerů imunitních buněk v kosterním svalu (van der Lans et al., 2015) [1].
Na základě provedených studií lze tedy konstatovat, že (mírné) teplotní odchylky mimo tepelně neutrální zónu ovlivňují energetický metabolismus lidí, ale také metabolismus glukózy a snižují rizika kardiovaskulárních onemocnění. Současná hypotéza autorů v této věci je, že dočasné vystavení (mírnému) teplu a chladu zlepšuje naše metabolické zdraví (Schrauwen & van Marken Lichtenbelt, 2016).
Autoři studií uvádějí, že k potvrzení výsledků u různých populací a ke stanovení lepších časových a intenzitních účinků, stejně jako ke studiu dalších parametrů souvisejících se zdravím, je ještě zapotřebí více studií, nicméně pravidelné vystavování mírným změnám teploty může zvýšit odolnost vůči extrémnějším teplotám.
Navzdory zmíněné potřebě dalšího výzkumu autoři naznačují, že bylo shromážděno dostatek fyziologických informací o účincích vnitřní teploty na zdraví, aby bylo možné tyto poznatky začít uplatňovat v praxi.
Limity tepelného komfortu
Dostupné údaje o změnách komfortu při aklimatizaci na teplo/chlad jsou v souladu s modelem adaptivního komfortu, který ukazuje, že změny denních a sezónních teplot mohou být uživateli vnímány bez pocitu diskomfortu (de Dear & Brager, 1998; Nicol & Humphreys, 1973). Navíc se ukázalo, že lidé, nezávisle na ročním období, akceptují v dynamické situaci denní časovou odchylku 8 K (např. 17–25 °C) (Schellen, van Marken Lichtenbelt, Loomans, Toftum a de Wit, 2010). Ačkoli starší lidé uváděli mírně nižší komfort, než mladí dospělí, obě skupiny uvedly, že teploty byly přijatelné. Navíc je dobře známo, že v závislosti na tepelné historii subjektů mohou být nízké nebo vysoké teploty v dynamickém tepelném prostředí dokonce vnímány jako příjemné a podporující tzv. alliestézii (Cabanac, 1971; de Dear, 2011; Parkinson & de Dear, 2015).
Nabízí se tedy otázka, resp. pochybnost, zda je správný přístup přizpůsobovat teploty interiéru a zužovat jejich rozsahy dle požadavků uživatelů s cílem eliminovat jejich nespokojenost a považovat tento stav za zajištění tepelného komfortu, který zároveň zajišťuje i zdravé vnitřní prostředí. Nebo zda by naopak tento přístup neměl být změněn ve smyslu zvětšení rozsahu interiérových teplot a jejich dynamické uplatnění, tj. nikoliv ustálená teplota interiéru v průběhu času, ale teplota proměnná, která by stimulovala lidský organismus (ovlivňovala produkci metabolického tepla) a přispívala tak k tvorbě zdravého vnitřního prostředí, přičemž další výhodou dynamického vnitřního tepelného prostředí je potenciál pro úsporu energie.
Závěr
Většinu svého života trávíme v dnešní době uzavřeni v interiérech budov, jejichž parametry jsou většinou téměř konstantní. Nejsme tedy nuceni, resp. naše organismy, se přizpůsobovat změnám teplot, jako tomu bylo dříve, kdy lidé trávili hodně času venku, tudíž naše schopnost aklimatizace je pravděpodobně nižší a náš rozsah teplot, při kterých pociťujeme tepelnou rovnováhu, je mnohem užší než dříve.
Lidské tělo je schopné značné adaptace, včetně aklimatizace teplotní. Nicméně s ohledem na současné rozsahy teplotních podmínek vnitřního prostředí budov této schopnosti příliš nevyužíváme, což může vést a s největší pravděpodobností i vede k tomu, že jsme méně odolnější změnám teplot, a tudíž i méně ochotnější tyto změny akceptovat, a to vše pravděpodobně vede k větší nespokojenosti s tepelným komfortem ve vnitřním prostředí budov a s požadavky na vyšší hodnoty teplot vzduchu a užší rozsah těchto interiérových teplot. Nicméně z výše uvedených studií vyplývá, že se tento stav příliš neslučuje se zdravým vnitřním prostředím, resp. že našemu organismu je prospěšnější prostředí tepelně dynamické, tj. prostředí, kde dochází ke změnám teplot v průběhu dne a ročního období. V důsledku toho je stimulována produkce metabolického tepla, což má pozitivní vliv na zdravotní stav nás uživatelů a potenciálně může být pozitivně ovlivněn i imunitní systém a resilience.
Literatura
- W.v.M. Lichtenbelt, M. Hanssen, H. Pallubinsky, B. Kingma, L. Schellen, (2017) Healthy excursions outside the thermal comfort zone, Building Research & Information, 45:7, 819-827, https://doi.org/10.1080/09613218.2017.1307647
- V.L. Castaldo, I. Pigliautile, F. Rosso, F. Cotana, F. De Giorgio, Anna Laura Pisello (2018), How subjective and non-physical parameters affect occupants’ environmental comfort perception, Energy & Buildings 178 (2018) 107–129
- ČSN EN ISO 7730, (2006), Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu
- ČSN EN 16798-1, (2020), Energetická náročnost budov – Větrání budov – Část 1: Vstupní parametry vnitřního prostředí pro návrh a posouzení energetické náročnosti budov s ohledem na kvalitu vnitřního vzduchu, tepelného prostředí, osvětlení a akustiky
- ANSI/ASHRAE Standard 55, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy
Článek přináší zajímavý a přínosný pohled na tepelnou interakci člověka a okolního prostředí. Současné vnímání tepelného komfortu doplňuje informacemi souvisejícími se zdravotním stavem, fyziologií a metabolismem člověka. Autorka si klade otázku, zda pro zdravý vývoj člověka není vhodné navrhovat a řídit teplotu v interiéru dynamicky a s větším rozsahem mezních hodnot. Současný trend jde právě opačnou cestou, dodržením návrhové teploty v interiéru. Doporučuji k vydání.
