AIR house: energeticky soběstačný dům

Český tým přijel na soutěž Solar Decathlon 2013 v Kalifornii poprvé, o to cennější je proto jeho fantastické umístění v celkovém pořadí na 3. místě. Získal 1. cenu v kategoriích Architektura a Energetická bilance, 2. místo v kategorii Technika a 3. místo v disciplínách Atraktivita pro trh, Komfort a Ohřev vody.

V solárním desetiboji bylo potřebné obstát ve všech 10 disciplínách – všechny spolu souvisejí a ovlivňují se navzájem. Velmi úspěšné hodnocení českého týmu v několika disciplínách přineslo vynikající výsledek, který dělilo od vítězného návrhu rakouského týmu nakonec jen 6 bodů. Obrovský úspěch obou těchto vítězných týmů podtrhuje fakt, že byly na soutěži jediné z Evropy, navíc poprvé. Zároveň však naposledy, jelikož do dalšího ročníku se mohou přihlásit už jen americké instituce… Cesta do Kalifornie však nebyla jednoduchá a nebyla by možná ani bez podpory sponzorů a dalších organizací. Jako velká deviza se ukázalo spojení s inovativními a vizionářskými partnery, kteří nabídli své síly při hledání nových řešení se zřetelem na trvale udržitelnou budoucnost. Skutečnou výzvou bylo v rámci desetiboje sladit všechny disciplíny, což je však právě ten způsob myšlení, který je při udržitelné architektuře nevyhnutelný. Co tedy přineslo společné úsilí?

Vize a koncept

Výsledkem dvouleté práce téměř 30členného týmu plné bouřlivých změn je energeticky soběstačný dům AIR House postavený na vizi, že nejčistší energie je ta nespotřebovaná. AIR House získává veškerou energii na svůj provoz ze slunečního záření. Energetický koncept vychází z principu „domu v domě“ a je doplněn jednoduchým inteligentním řízením. Velký důraz se klade i na komplexní přístup ke zdravému bydlení. Návrh reaguje na současný demografický vývoj v České republice, kde se v souvislosti se změnami ve věkové struktuře populace stane bydlení seniorů brzy závažným tématem. Dům je proto určen starší generaci, která už žije v období tzv. prázdného hnízda.

Návrh vhodný pro dvoučlennou domácnost kombinuje minimální vnitřní obytný prostor s velkorysým vnějším prostorem. Dům inspirovaný českou tradicí chalupářství je tak navržen jako chata pro ekologicky smýšlející lidi na vrcholu produktivního věku, která může v důchodu sloužit jako plnohodnotné trvalé bydlení. Díky malým rozměrům a jednoduchému tvaru lze dům postavit na standardně velké zahradě. Vnitřní dispozice kombinuje jeden obytný prostor a prefabrikovaný technologický modul s koupelnou, technickou místností, vnější kuchyní a skladem. Velká terasa funguje jako rozšíření vnitřního prostoru.

Zdraví a přírodní materiály

Strategie se v tomto směru neomezuje jen na technologická řešení nebo použití zdravotně neškodných materiálů, ale respektuje přirozené rytmy lidského těla a akceptuje sociální život obyvatel domu v přímé vazbě vnějšího a vnitřního prostoru. Celý dům je vyroben ze dřeva: nosná konstrukce, tepelná izolace, fasáda, vnitřní povrchy i zařizovací předměty. Nosná konstrukce domu je z masivních dřevěných CLT (cross laminated timber) panelů vyrobených z chemicky neošetřeného dřeva z lesů s PEFC certifikátem. Panely mají výborné akustické parametry, vysokou požární odolnost a pozitivně přispívají k tepelné stabilitě interiéru. Z CLT panelů je vyrobeno i zařízení interiéru.

Konstrukce, která dýchá

Nosná konstrukce je z exteriéru opatřena tepelněizolačními panely. Sendvičový panel s dřevovláknitou tepelnou izolací Steico je ze strany interiéru krytý OSB deskou a ze strany exteriéru DHF deskou. Skladba je navržena jako paropropustná (difuzně otevřená). Na rozdíl od difuzně uzavřené konstrukce u této funguje postupné vyrovnávání mezi vnitřním a vnějším prostředím (princip difuze). Namísto parozábrany obsahuje konstrukce tzv. parobrzdu, která nebrání vstupu vodní páry do konstrukce, jen omezuje její množství. V domě plní funkci parobrzdy vnitřní CLT panel spolu s OSB deskou. Důležité je umístění parobrzdy blízko vnitřního líce skladby a paropropustnost vrstev směrem ven, aby se vodní pára, která se do konstrukce dostane, mohla přirozeně odpařit.

Dům v domě

Koncept „domu v domě“ pracuje s principem dvou „kůží“. První tvoří tepelně izolovaný obal obytného prostoru. Druhá kůže (dřevěná pergola, horizontální a vertikální stínicí lamely) funguje jako nárazníková zóna a zmírňuje tepelnou zátěž. Vodorovná orientace lamel směrem na jih zastiňuje fasádu proti vysoce položenému polednímu slunci, svisle orientované lamely na západní straně zase proti nízkému západnímu slunci. Prostor mezi oběma „kůžemi“ funguje jako prostředník mezi interiérem a exteriérem.

Energie

AIR House je koncipován jako energeticky nulový dům, veškerou energii získává ze ­slunečního záření. Při výběru technologií bylo hlavním hlediskem jednoduché a přirozené fungování domu, které by vyhovovalo potřebám a možnostem zvolené cílové skupiny. Z pohledu energetické bilance, technické sou­stavy a komfortu vnitřního prostředí musel dům na základě podmínek soutěže vyhovět množství kritérií, často přísnějších, než jsou požadavky běžného uživatele, které navíc musely platit ve dvou zcela odlišných klimatických podmínkách. V kalifornském subtropickém klimatu musel dům perfektně fungovat během soutěže a v mírném vnitrozemním podnebí České republiky musí obstát celoročně.

Tomu se musela přizpůsobit i celková koncepce. Na optimalizaci a ověření návrhu se použily dynamické simulace s hodinovým krokem. Na jejich základě se potom optimalizovaly součinitele prostupu tepla konstrukcí, parametry zasklení či návrh stínicích prvků. Pro představu, jak bude dům reagovat na určité situace, se ověřoval vliv větrání a akumulační hmoty. Analýzy byly nezbytné pro koordinaci pasivních prvků a návrhu aktivních technologií.

Český tým nezapomněl ani na komunikaci s návštěvníky soutěže.

Fotovoltaický systém

Fotovoltaický systém domu se skládá z 33 ks monokrystalických panelů se jmenovitým výkonem 185 Wp a celkovým výkonem 6,105 kWp. FV panel pracuje optimálně s účinností 14,5 % při pracovní teplotě 25 ˚C. Použitý je fotovoltaický systém GRID ON od firmy SunnyWatt. FV panely jsou umístěny na kovové konstrukci nad stínicími žebry „canopy“ s jižní orientací v 5 řadách ve sklonu 10°. Na střeše jsou 3 panelová pole, každé má 11 panelů zapojených do série.

Jednosměrné napětí se transformuje na střídavé (60 Hz) pomocí střídače SMA Sunnyboy 5000-US, který hledá optimální bod výkonu na voltampérové charakteristice, čímž se optimalizuje maximální možný výkon FVE. Životnost panelů včetně střídače je naprojektována přibližně na 25 až 30 let. Veškerá elektrická energie se v Kalifornii dodávala do sítě v solárním městečku. V ČR bude elektrická energie primárně napájet spotřebiče v domě a přebytky se budou vykupovat formou „zeleného bonusu“. Zároveň bude možné přeměnit systém na ­hybridní a využívat záložní baterie. Dům se tak stane energeticky nezávislým na distribučních sítích. Umožní se i testování domu, který je částečně či plně nezávislý na dodávkách elektrické energie z rozvodné sítě.

Vzduchotechnická ­soustava

Systém větrání s rekuperací tepla slouží k zabezpečení optimální výměny vzduchu a minimalizuje tepelné ztráty při větrání, které představují u běžných rodinných domů až 40 % celkové tepelné ztráty objektu. V AIR House se kvalita vnitřního vzduchu zabezpečuje pomocí teplovzdušné větrací jednotky Duplex RB4 EC ATREA. V podmínkách České republiky se bude dům většinu roku větrat přirozeně. V zimním období a pro účely soutěže se bude využívat rekuperace odpadového tepla. Cirkulačním vzduchem se budou upravovat i tepelně-vlhkostní parametry vnitřního vzduchu při nedostatečném výkonu sálavých stropních panelů. Teplovzdušná větrací jednotka je napojena na nadřazenou regulaci a inteligentní řízení domu se shromažďováním dat. Zdrojem tepla a chladu je tepelné čerpadlo vzduch–voda Altherma LT (Low Temperature split) DAIKIN odebírající nízkopotenciální energii z okolního vzduchu.

Solární systém

Solární systém slouží k přípravě teplé vody a dotápění v domě. Skládá se ze dvou plochých lyrových solárních termických kolektorů KPG1 REGULUS. Sluneční záření prochází solárním sklem a zachycuje se na účinném selektivním absorbéru. Plocha kolektoru je 2,39 m2. Kolektory jsou umístěny na nadstřešní konstrukci domu s jižní orientací a sklonem 25°. Tepelná energie získaná ze solárních kolektorů se distribuuje do integrovaného zásobníku tepla IZT ATREA. Navržený solární systém umožnil 100procentní pokrytí potřeby tepla na přípravu teplé vody během sou­těže. V klimatických podmínkách střední Evropy pokrývají solární systémy 50 až 60 % roční potřeby teplé vody v běžné domácnosti (100 % v letním období a 10 % v zimě). V období s nízkou intenzitou slunečního svitu se příprava teplé vody doplní tepelným čerpadlem.

Celý dům je vyroben ze dřeva, z CLT panelů je vyrobeno i zařízení interiéru.

Kořenová čistička

Odpadní vody z domu se odvádějí (čerpadlo WILO) do vnějšího dvoukomorového septiku, odkud se po zbavení mechanických částí přečerpávají kalovým čerpadlem do biočističky odpadních vod. Kořenová čistička odpadních vod zabezpečuje čištění tzv. šedé vody (odpadní voda z umyvadla, dřezu, sprchy, myčky nádobí a pračky). Dům je vybaven i umělým mokřadem, kde přes kořenový systém bahenních rostlin pomalu protéká voda. Mikroorganismy žijící v kořenovém systému rozkládají nečistoty a vážou je na sebe. Bahenní rostliny jsou zasazeny ve štěrku, což minimalizuje výpar vody a zabraňuje usídlení hmyzu. Pročištěná voda se využívá na závlahu.

Úspora vody

Běžná umyvadlová baterie spotřebuje 13 litrů vody za minutu. V koupelně AIR House je ­použita umyvadlová baterie Axor Starck ­Organic (Hansgrohe), která má dvě polohy pro nastavení intenzity proudu (3,5 l/min a 5 l/min). Díky EcoSmart technologii – příměsi vzduchu a speciálnímu omezovači průtoku – je i při malé spotřebě vody proud postačující na důkladné namočení rukou. Baterie šetří nejen vodou, ale i surovinami a zdravím. Tělo je duté, čímž se minimalizuje spotřebovaný materiál a tím i energie. Oddělený vodní proud brání přímému kontaktu vody s tělem baterie. Pitná voda se tak nedostane do styku s olovem a niklem.

Sálavé vytápění a chlazení

AIR House je vybaven stropními panely na sálavé vytápění a chlazení, které jsou primárním systémem nízkoteplotního vytápění a vysokoteplotního chlazení domu. Použit je systém stropních sálavých panelů REHAU, jehož základem jsou v pásech vyráběné panely ze sádrokartonu se zafrézovanými drážkami a vloženými trubičkami RAUTHERM S 10,1 × 1,1 mm s rozestupem 45 mm jako dvojitý meandr. Chladicí výkon dosahuje až 75 W/m2. Z pohledu tepelného komfortu je výhodou malé proudění vzduchu v místnosti, při němž se minimálně víří mikroorganismy a prach. Teplota v místnosti je v porovnání s použitím vytápěcích těles rovnoměrnější, což umožňuje její snížení o 1 až 3 °C, aniž by se narušila tepelná pohoda člověka.

Dům inspirovaný českou tradicí chalupářství je navržen jako chata pro ekologicky smýšlející lidi na vrcholu produktivního věku, která může v důchodu sloužit jako plnohodnotné trvalé bydlení.

Větrání

Kvalita vnitřního vzduchu v domě se zabezpečuje větráním a použitím takových materiálů, které neuvolňují odérové ani prchavé organické látky. V podmínkách České republiky se bude dům většinu roku větrat přirozeně. Pro zimní období a pro účely soutěže slouží vzduchotechnická jednotka s rekuperací odpadního tepla s účinností až 93 %. Vzduchovody tvořené ohybnými hliníkovými hadicemi s mikroperforací a plastovým stavebnicovým systémem jsou vybaveny tepelnou a hlukovou izolací, která omezuje tepelné ztráty a orosování.

Zdravé osvětlení

Jako ideální zdroje světla se v AIR House zvolily LED světelné zdroje, které jsou v exteriéru výlučnými svítidly. V interiéru se LED osvětlení používá jen někde a s rozvahou (kuchyňská linka, nepřímé osvětlení koupelny) a doplňuje ho místní žárovkové osvětlení. Důvodem je fakt, že lidský organismus funguje v určitém přirozeném rytmu a řídí ho tzv. vnitřní biologické hodiny. V přírodním prostředí je jejich nejdůležitějším synchronizátorem pravidelné střídání světla a tmy. V prostředí s převážně umělým osvětlením je zásadní barevné spektrum světelného zdroje. Modré světlo, typické při LED, stimuluje aktivitu. Večer je naopak vhodné plnospektrální žárovkové osvětlení, které podporuje tvorbu melatoninu, hormonu spánku a tělesné regenerace.

Inteligentní řízení

Řídicí systém měření a regulace (MaR) a inteligentní domácí elektroinstalace (KNX) jsou v domě propojeny (na míru s webovým ovládacím nástrojem) do jednoho celku. V České republice se energetický management s prediktivním řízením u rodinných domů běžně nepoužívá. Použité systémy jsou intuitivní a minimalizují energii potřebnou na obsluhu a údržbu TZB technologií. Jejich inteligence spočívá ve včasném reagování na potřeby uživatelů domu i vnější vlivy počasí.

Měření a regulace

Volně programovatelný řídicí systém od firmy Sauter umožňuje efektivní řízení technologií HVAC, zabezpečuje požadované vnitřní prostředí (teplota, relativní vlhkost, výměna vzduchu), bezpečný provoz technologického zařízení budovy (TZB) a minimalizuje energii potřebnou na obsluhu a údržbu TZB technologií. Řídicí systém monitoruje a ovládá rekuperační jednotku a okna, chod tepelného čerpadla, vytápění a chlazení pomocí sálavých panelů, ohřev vody solárními kolektory a obsluhuje vodní hospodářství.

Používá se modulární řídicí stanice řady modulo5, která komunikuje na celosvětově standardizovaném protokolu BACnet/IP. Stanice pracují na základě přednastavených parametrů úplně autonomně. Pro zabezpečení vysoké kvality vnitřního vzduchu je MaR nadstandardně vybavena snímači CO2 a VOC. Vnitřní prostředí AIR House lze díky spolupráci řízení, meteoserveru a meteostanice včas regulovat a šetřit tak energií na úpravu parametrů vzduchu. V ekonomickém režimu řídicího systému se automaticky optimalizuje provoz domu podle výsledků energetického managementu.

Úspěšný tým z České republiky

Domácí elektroinstalace

Inteligentní domácí elektroinstalace (KNX) zabezpečuje světelnou pohodu v interiéru a exteriéru stmívatelnými LED zdroji světla, které reagují na intenzitu slunečního svitu. Inteligentní řízení slouží i k nastavení a ovládání tematických světelných scén. Elektroinstalace je řešena pomocí komponentů firmy Schneider Electrics. Pro ovládání systému osvětlení a celých světelných scén se použily programovatelné vypínače. Osvětlení interiéru lze přepnout do úsporného režimu, který je řízen senzory pohybu a vnitřního osvitu na KNX sběrnici. Světelná soustava se s ohledem na větší cenovou dostupnost řešila kombinací stmívatelných zdrojů, které pracují na komunikační sběrnici DALI, a nestmívatelných zdrojů, ovládaných reléovým akčním členem. Výhodou je možnost změny funkcí vypínačů nebo možnost přiřadit je v návaznosti na řídicí systém, např. ovládáním okna nebo nárazovým větráním v koupelně.

Řízení vytápění

Systém sálavého vytápění a chlazení se ovládá automatizační stanicí AS525 (SAUTER). Stanice měří teplotu, vlhkost, průtok a další fyzikální veličiny. Servopohon reguluje smíchávání vody na ventilech a řídí chod čerpadel, ventilátorů a klapek. Dále monitoruje a optimalizuje všechna technická zařízení budovy v oblasti tepelné a chladicí techniky, vzduchotechniky a vodního hospodářství.

Od teorie k praxi

Účast v soutěži znamenala pro celý tím úžasnou zkušenost a příležitost zažít vznik domu od návrhu po stavbu vlastníma rukama a posunout akademickou teorii k praxi. Zároveň dokázala, jak vysoce efektivní je multidisciplinární spojení studentů – v tomto případě bakalářského, magisterského a doktorandského studia několika fakult a škol pod vedením studentů Fakulty architektury ČVUT v úzkém spojení se Stavební fakultou ČVUT. Tým fungoval podobně jako středně velká firma, v níž spolupracují architekti, stavební inženýři, specialisté na TZB, elektro a fotovoltaiku, logistiku a samozřejmě i lidé z oblasti PR. Cílem bylo navrhnout a postavit prototyp energeticky soběstačného domu a zvyšovat povědomí o energetické účinnosti a využití solární energie spolu s propagací české architektury a inženýrství ve světě. A to se maximálně podařilo.

TEXT: SF
Foto: ČVUT,DEPARTMENT OF ENERGY, SOLAR DECATHLON

Článok bol zverejnený v časopise ASB.