Přirozené fyzikální meziprostory ve fasádní technice

Moderní architektura vyjadřuje symbiózu funkce, estetiky, techniky a ekonomie. Období střídání věku mechanické výroby věkem informatiky, charakterizované nástupem a rozvojem mikroelektroniky, se odráží i v architektuře. Ta stále více vyžaduje interdisciplinární přístup a integrované koncepce. Cesta k ekonomicky efektivní tepelné ochraně budov vede přes využívání ekologicky čistých, obnovitelných alternativních zdrojů energie. Jedním z nich je sluneční záření, jehož využití vede přes teorii přirozených fyzikálních meziprostorů. K nejrozšířenějším praktickým aplikacím fyzikální teorie meziprostorů v současném období patří dvojitá transparentní fasáda jako jedna z variant nové fasádní techniky budov.

Teoreticky správně koncipovaná dvojitá transparentní fasáda má svoje systémové znaky, vyjádřené přívlastky jako energetická fasáda a ekologická fasáda. Energetická fasáda se vyznačuje úsporností v každém ročním období. Ekologická klimafasáda napomáhá k hlubší symbióze architektonického prostředí a přírody. Výsledkem vzájemného spolupůsobení je vyšší úroveň architektonického prostředí.

Zmíněné přívlastky fasádní techniky budov lze terminologicky definovat jako dvojitou transparentní energetickou klimafasádu, která je nesporně jedním z prvků inteligentní budovy. Čím více prvků s využíváním přirozených fyzikálních jevů budova má, tím menší je potřebný příkon energie k zabezpečení požadovaných podmínek vnitřního klimatu v budově. Základním úkolem inteligentní budovy je, aby stavební konstrukce a její prvky částečně plnily i roli techniky prostředí. Dvojitá transparentní fasáda je příkladem takového prvku.

Modernizace původní klasické fasády administrativní budovy Východočeské energetiky v Hradci Králové představuje modelový přístup projektanta, investora i realizátora k aplikaci nové fasádní techniky. Fasáda využívá přirozeného fyzikálního jevu transformace alternativního zdroje energie, slunečního záření, v přirozeném fyzikálním meziprostoru. Tento vzorový model ústí do koncepce dvojité transparentní fasády, optimalizované v oblasti širokých možností její konstruk­ční tvorby.

Původní klasická fasáda		Současný stav budovy Východočeské energetiky (autoři architektury: P. Hájek, J. Pelikán)

Dvě modifikace
Původní konvekční fasáda budovy, založená na silikátovém materiálovém principu (modifikace A) s okny na bázi slitin hliníku bez přerušení tepelného mostu, s klasickým dvojnásobným skleněným systémem, už nevyhovovala současným požadavkům ČSN 73 0540. Při její rekonstrukci byla zvažována dvě variantní řešení. První řešení (modifikace B) představovalo budovu s konvekční fasádou s dodatečným tepelněizolačním systémem. Okna byla navržena na bázi slitin hliníku s přerušeným tepelným mostem a s moderním dvojnásobným skleněným systémem se speciální tepelnou i sluneční ochranou.

Druhá varianta (modifikace C) prezentovala dvojitou transparentní fasádu, jejíž vnitřní stěnu charakterizoval dodatečný tepelněizolační systém. Okna byla řešena podobně jako v modifikaci B, avšak s moderním nízkoemisním dvojnásobným skleněným systémem, jehož součástí je speciální tepelná ochrana.
Obě modifikace splňovaly požadavky ČSN 73 0540. Studia aplikace dvojité transparentní energetické klimafasády potvrdila vyšší efektivnost modifikace C, pro kterou se nakonec rozhodl i investor.

Grafické schéma vertikálního řezu jižní fasádou budovy
a) modifikace A – původní fasáda ve formě konvekční fasády na silikátové bázi,
b) modifikace B – fiktivní fasáda ve formě konvekční rekonstruované fasády s dodatečným tepelněizolačním systémem a totální výměnou okna,
c) modifikace C – rekonstruovaná modernizovaná fasáda ve formě dvojité transparentní fasády

Dvojitá transparentní fasáda byla pro potřeby modernizace budovy rozpracovaná a optimalizovaná v zásadních oblastech její konstrukční tvorby. První rozpracovanou oblast, geometrii meziprostoru, charakterizuje průchozí chodbový meziprostor. Účinná výška nebo výška sekce meziprostoru je totožná s konstrukční výškou podlaží, která představuje 3,3 metru. Optimalizovanou šířku sekce chodbového meziprostoru, stanovenou hodnotou 875 milimetrů, ovlivňuje existující konzolové vyložení stropní desky, dodatečný tepelněizolační systém a nároky na rozvodné kanály vzduchu. Chodbový meziprostor je v horizontálním směru délkově členěn transparentními příčkami ve vzdálenosti 7,2 metru. Takové členění umožňuje exaktní kontrolu průtoku vzduchu meziprostorem.

Konstrukci meziprostoru dvojité transparentní fasády nebylo možné kotvit do konzolovité stropní desky, proto je ukotvena až v skeletové nosné soustavě objektu. Protože modul nosné soustavy měří 3,6 metru a dvojité fasády 1,8 metru, mezi sloupy skeletu byl navržen nový kovový nosník, zabezpečující stejné podmínky kotevního systému i v prostorech mezi moduly nosné soustavy budovy.

Při samotné realizaci byly použity Vierendelovy nerezové nosníky. Do nosníků jsou kotveny teleskopické konzoly nosné soustavy meziprostoru, nesoucí vertikální prvky sloupků. Ty v dolní části staticky podpírá kloub a v horní posuvné lůžko s možností dilatace sloupku směrem nahoru a dilatace skleněné desky vnější transparentní stěny směrem dolů.

Skleněný systém vnější transparentní stěny meziprostoru je koncipován jako jednoduchý bezpečnostní, z tvrzeného kaleného skla. Skleněné desky jsou bodově kotveny k vertikálním prvkům – sloupkům meziprostoru pomocí konzolových ramínek. Kotvení je zabezpečeno dvěma nosnými bodovými podpěrami, situovanými v horní části transparentního dílce a čtyřmi stabilizujícími bodovými podpěrami, zachytávajícími jen horizontální síly.

Větrací otvory zabezpečují přirozené větrání meziprostoru a jádra budovy. To je primárním požadavkem aerodynamického konceptu dvojité transparentní fasády. Dynamiku pohybu vzduchu meziprostorem určuje přirozená konvekce (bezvětří), účinek větru nebo jejich kombinace. Větrací otvory umožňují pohyb vzduchu. Během bezvětří zabezpečuje přívod vzduchu dolní větrací otvor meziprostoru a horní jeho odvod. Při nárazu větru vzduch naplňuje meziprostor fasády dolním i horním větracím otvorem. Vyprazdňování probíhá mezi nárazy větru oběma větracími otvory meziprostoru.

Rozvodné kanály vnitřku fasády jsou konstruovány na materiálové bázi slitin hliníku. Ze vstupního větracího otvoru vybaveného žaluziemi proudí vzduch přes ochrannou síťku do přívodního rozvodného kanálu a z něj dále přes otevírací podlahovou mřížku do dolní části meziprostoru. Z horní části meziprostoru proudí vzduch do odvodního rozvodného kanálu a přes ochrannou síťku do výstupního větracího otvoru se žaluziemi. Je žádoucí, aby volná plocha větracích otvorů, ochranné síťky (proti ptactvu a hmyzu), jakož i volná plocha podlahového či podhledového roštu rozvodných kanálů byly podle možnosti stejné.

Transformaci krátkovlnného slunečního záření na dlouhovlnné tepelné záření v meziprostoru dvojité fasády zabezpečuje lamelová sluneční ochrana. Její funkci neovlivňují nárazové účinky větru. Lamely sluneční ochrany jsou vyrobeny z eloxovaného hliníku se stupněm reflexe 50 %. Tepelnou zátěž budovy ze slunečního záření kvantifikuje koeficient celkové propustnosti sluneční energie. Koeficient udává, kolik energie z dostupného slunečního záření se dostává do jádra budovy – do místností.

Koncepce ověření fasády
Na koncepci a optimalizaci základních prvků přirozeného fyzikálního meziprostoru dvojité transparentní fasády modernizované budovy Východočeské energetiky v Hradci Králové navazují dvě další etapy. První je fyzikálně-technické a funkční kvantitativní ověření fasády, druhou konstrukční tvorba detailů, prvků a soustavy fasády jako celku, s vysokými nároky na funkčnost. Nezapomíná se ani na fyzikální kvantifikaci (ověřenou dvojdimenzionálními a trojdimenzionálními modely) a estetickou úroveň architektonického díla s charakterem inteligentní budovy.

Fyzikálně-technické a funkční kvantitativní ověření dvojité transparentní fasády se vykonává metodou výpočetních experimentů, charakteru dynamických numerických simulací, v okrajových podmínkách modelu venkovního klimatu, ve formě testovacího referenčního roku. Tento proces zahrnuje klimatický – ekologický a energetický koncept budovy s cílem jeho optimalizace, teplotní, aerodynamický a energetický režim přirozeného fyzikálního meziprostoru a energetické relace budovy včetně energetické návratnosti investice.

Předmětné fyzikálně-technické ověření dvojité transparentní fasády není možné realizovat bez dvou vážných ­aerodynamických vstupů, které jsou dány aerodynamikou budovy kvantifikované aerodynamickým koeficientem celkového tlaku na budovu a aerodynamikou meziprostoru kvantifikované celkovým aerodynamickým odporem.

Geometrická optimalizace meziprostoru dvojité transparentní fasády ve vztahu k existujícím prvkům

doc. Ing. Boris Bielek, Ph.D., prof. dr. h. c. Ing. Milan Bielek, DrSc.
Foto: Ing. arch. Petr Hájek
Technické výkresy: autoři

Autoři působí jako odborní pedagogové na Stavební fakultě STU v Bratislavě.

Tento příspěvek byl podpořen Agenturou na podporu výzkumu a vývoje na základě Smlouvy č. APVV-20-044405 a Vědeckou grantovou agenturou MŠ SR a SAV v projektu VEGA 1/3319/06.