Administrativní budova v pasivním standardu
Projekt budovy poradenského centra se vzdělávací zahradou byl připravován Nadací Partnerství od roku 2006. Budova centra nevládních a neziskových organizací na Údolní 33 v Brně je navržena v pasivním energetickém standardu. Tato administrativní budova je jako první svého typu u nás přístupná veřejnosti a prostřednictvím svého provozovatele otevřeně publikuje své technické parametry dosažené za provozu.
- měrná potřeba tepla na vytápění:
EA,H = 7,0 kWh/(m2a) (požadavek ≤15),
- měrná potřeba tepla na chlazení:
EA,C = 18,8 kWh/(m2a) (požadavek ≤30),
- měrná potřeba primární energie:
PEA = 54,0 kWh/(m2a) (požadavek ≤120).
Zde je vidět, že budova je navržena tak, aby tyto hodnoty byly splněny s rezervou.
Obr. 2 Vizualizace
Stavebnětechnické řešení
Nosnou konstrukci objektu tvoří železobetonový kombinovaný skelet – kombinace nosných stěn a sloupů a monolitických stropních desek. Objekt je založen na základové desce. Abychom snížili podíl neobnovitelných primárních zdrojů při realizaci stavby, je lehký obvodový plášť proveden jako montovaná skeletová dřevostavba s izolacemi na bázi dřeva a konopí. Vnější dřevěné prosklené výplně otvorů jsou opatřeny izolačními trojskly a jsou opatřeny vnějším stíněním hliníkovými žaluziemi vybavenými systémem přenosu denního světla.
Dělicí konstrukce uvnitř objektu jsou provedeny z cihel a omítek z nepálené hlíny. Vnitřní dveře a prosklené stěny jsou masivní dřevěné. Povrch podlah je proveden z povlakové krytiny probarvené ve hmotě. Svěží zelená podlaha je průnikem venkovního prostředí do vnitřních vrstev pater domu, vkládaných do svahu. Ostatním prvkům je ponechána jejich přirozená barevnost podle materiálu, z něhož jsou vyrobeny.
Stavebně-energetická koncepce byla navržena jako tepelně robustní konstrukce, která eliminuje tepelné ztráty a zároveň dokáže účelně využít tepelné zisky v případě jejich prospěšnosti, nebo je naopak omezuje a tlumí, pokud vedou k nadměrnému přehřívání vnitřního prostoru. V případě kancelářské budovy ovšem nelze vše zajistit samotným architektonicko-stavením řešením, a proto jsou v druhé řadě navrženy aktivní prvky a technologie, které účinně reagují na proměnné venkovní podmínky a uživatelské požadavky při nízké spotřebě energie dodávané zvenčí.
Vytápění, chlazení, vzduchotechnika
Problematika projektování administrativních budov v pasivním standardu spočívá v zásadě v tom, jak omezit tepelné ztráty, dokázat využít tepelné zisky v budově, a hlavně jak omezit vnitřní a vnější tepelné zisky v budově v době, během které převyšují hodnotu tepelných ztrát. Od počátku projekčních prací jsme se potýkali s problémem přehřívání budovy; vnitřní výpočtové tepelné zisky se rovnaly přibližně tepelným ztrátám při venkovní návrhové teplotě. Proto bylo zvoleno tzv. chytré řízení venkovních žaluzií, které jsou rozděleny do dvou zón – horní, zajišťující osvětlení stropu, a spodní, která reaguje na potřebu nutnosti omezení, nebo naopak využití tepelných zisků v místnosti. Systém je plně automatizován a zároveň je řízen v součinnosti s pobytem osob v jednotlivých místnostech (obr. 3). Obdobně hladina umělého osvětlení je autonomně regulována podle skutečné aktuální intenzity na srovnávací rovině v zónách podle hloubky místností.
Jako zdroj tepla bylo zvoleno tepelné čerpadlo země – voda. Tento typ zdroje je vhodný zejména z pohledu použití koncových prvků – systém aktivovaných železobetonových konstrukcí BKT, při jejichž použití teplota vody za čerpadlem dosahuje 35 °C. To má za následek velmi vysoké COP celého zařízení. Nepoměrně složitější byla otázka typu zdroje chladu. V případě použití strojního chlazení bychom totiž vyčerpali téměř celý limit spotřeby primární energie pouze na chlazení. Zde jsme prověřovali možnost použití absorpčního chlazení, kde bychom jako pohonu využili termické solární kolektory umístěné na ploché střeše. Vzhledem k plánovanému využití střechy k výukovým účelům a vzhledem k výraznému ovlivnění vzhledu budovy byl tento způsob zavrhnut. Nakonec zvítězilo přirozené chlazení chladicí vodou přímo z vrtů, a to bez použití tepelného čerpadla – pouze pomocí práce oběhových čerpadel, která dopravují vodu z vrtů po upravení na požadovanou teplotu do BKT. Chladicí energie je rovněž odebírána do akumulační nádoby v okamžiku, kdy tepelné čerpadlo pracuje v režimu vytápění (chlad je v tomto případě odpadní produkt). Po celkovém zbilancování ročních potřeb tepla a chladu byly tyto hodnoty použity k dimenzování vrtného pole. V našem případě bylo vyvrtáno osm 130metrových sond. Vzhledem k tomu, že budova potřebovala za rok výpočtově více chladicí energie než topné, byla tato hodnota limitní pro návrh vrtné metráže (celé vrtné pole má tendenci se v průběhu let postupně ohřívat). Ta byla vypočtena tak, aby ani po 25 letech provozu nepřevyšovala vratná teplota z vrtů na konci chladicí sezóny hodnotu 15 °C. Jako koncový prvek zajišťující přenos tepla nebo chladu do jednotlivých místností byl zvolen systém aktivovaných železobetonových konstrukcí – BKT (obr. 4).
Toto řešení umožňuje akumulovat topnou nebo chladicí energii do masivního železobetonového stropu a díky tomu pokrýt případné výkonové špičky v jednotlivých místnostech. Toto řešení se provádí tak, že do neutrální osy stropu se na výztuž připevní potrubí, ve kterém cirkuluje voda, obdobně jako u podlahového vytápění. Zároveň však toto řešení neumožňuje rychle reagovat na případné náhlé požadavky uživatelů – reakční doba po regulačním zásahu je několik hodin. Masivní betonový stop má však také svoji samoregulační schopnost, tj. pokud se zvýší teplota v místnosti například přítomností více osob, zvýší se teplota v místnosti, a tím se zvýší teplotní rozdíl mezi stropní konstrukcí. To má za následek zvýšení chladicího nebo topného výkonu stropní konstrukce. Všechny prostory v objektu jsou řízeně větrány, u místností s větší obsazeností je uzavírán přívod vzduchu v době nepřítomnosti osob nebo v případě otevření okna. Větrání zajišťuje centrální vzduchotechnická jednotka s vysokou účinností rekuperace tepla a vlhkosti.
Obr. 3 Schéma řízení typické místnosti
Obr. 4 Realizace aktivovaných železobetonových konstrukcí BKT
Měření a regulace
Budova je vybavena a plně automatizována systémem měření a regulace. V rámci jednotlivých místností je řízení úrovně osvětlení pracující v součinnosti s řízením žaluzií a pohybu osob (obr. 3). V automatickém režimu se systém po opuštění místnosti přepne do útlumového režimu – žaluzie se úplně zatemní, nebo naopak vytáhnou (v závislosti na potřebě stínit, nebo naopak získat tepelnou energii z venkovního prostředí), vypne se osvětlení a uzavře přívod vzduchu. Jednoduchým zásahem na regulátoru v jednotlivých místnostech je možné místnost vymanit z automatického řízení a uživatel je oprávněn si řídit jak osvětlení, tak žaluzie sám. Rovněž je možné otevření oken a využití přirozeného větrání, v tomto případě se uzavře rovněž přívod vzduchu. Toto řešení uživatelské svobody bylo v průběhu projektu mnohokráte diskutováno, obzvláště s budoucími nájemci. Vzhledem k tomu, že nájemci jsou ve velké většině zástupci ekologických organizací nebo environmentálně znalých firem, dá se v tomto případě předpokládat uvědomělé a energeticky úsporné chování uživatelů.
Vzhledem k použití BKT, tj. prvku s dlouhou reakční dobou, byla zvolena řídicí nadstavba systému, a to tzv. prediktivní regulace – MPC. Základním smyslem MPC je snížit energetickou náročnost budov na vytápění a chlazení použitím pokročilých metod matematického modelování a regulace. Využitím poznatků moderní matematiky, především matematické optimalizace, lze totiž ušetřit nezanedbatelnou část energií (typicky 15 až 20 procent, někdy až 40 procent – to u objektů, které nejsou vhodně provozovány). Oproti tomu náklady na optimalizaci jsou velmi nízké – moderní hardware specializovaný na automatizaci budovy je dnes poměrně levný. Systém řeší snižování energetické náročnosti tím, že zavádí takové regulační postupy energetických vstupů (elektrické energie k ohřívání vody či ke chlazení a větrání, otopné vody obecně, regulace jednotlivých ventilů apod.), které je minimalizují a zároveň v budově udržují tepelný komfort. Dosavadní technologie jsou v současné době na hranici svých možností a dalších úspor se výrobcům těchto systémů daří dosahovat jen za cenu neúměrného zvyšování investic. Na druhou stranu moderní regulační postupy, jako je prediktivní regulace, dokážou využívat rezerv, které jsou pro klasické systémy skryté. Hlavními výhodami MPC je zahrnutí předpovědi počasí (zde se sbírají předpovědní data z meteorologického serveru), předpověď vývoje teploty v místnostech a modelování tepelné setrvačnosti v místnostech. Systém postupně v průběhu životnosti budovy veškeré dopady analyzuje a sebraná data použije pro příští nastavení. Systém se tímto způsobem vlastně sám učí.
Závěr
V tomto projektu jsme byli postaveni před náročný úkol – navrhnout administrativní budovu v pasivním energetickém standardu. Budova využívá energetického potenciálu podloží, tepelných čerpadel k získávání tepelné energie, přirozeného chladu z podloží k získávání chladicí energie. Je zde využito koncových prvků, které pracují s nízkými teplotami otopné vody a s vysokými teplotami chladicí vody. To umožňuje provozovat tepelná čerpadla v režimu s vysokou účinností (COP) a dále to, že chlazení probíhá v nekondenzačním režimu, a tudíž není nutné využívat energii pro zkondenzování vody. Vzhledem k zájmu a postoji klienta by měla probíhat spolupráce projekčního týmu i v následujících letech tak, aby mohlo dojít k vyhodnocení zkušebního provozu a správnému vyladění systémů. U budovy NNO budou informace a data z provozu využita k prezentaci projektu a dále k využití pro studijní účely. Tento způsob navrhování budov je v souladu s náplní Odborné sekce 06 v rámci Společnosti techniky prostředí – Integrované navrhování a hodnocení budov (INHOB), jejímž členem je i autor tohoto článku. Cílem této sekce je vytvoření poptávky po budovách, ve kterých se slučuje vysoká kvalita vnitřního prostředí s nízkou spotřebou energie. Dále se budeme ve spolupráci s investorem snažit o dosažení certifikátu GREEN WAY, který si jako certifikační program klade za cíl jen určitý segment z globálního pohledu velkých certifikačních systémů typu LEED či BREEAM, tj. zaměřuje se pouze na minimalizaci spotřeby indexované energie, na zajištění vnitřního prostředí staveb s maximální snahou o důslednost a transparentnost, která se projevuje navenek reálnou nízkou spotřebou energií na zajištění vnitřního prostředí staveb.
Foto a vizualizace: Ing. arch. Adam Halíř
(Projektil architekti)
Obrázek: autor
Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.
