Experiment Sunlighthouse se zdařil

8. července 2014

Partneři sekce:

Projekt Sunlighthouse představuje milník v dalším vývoji energeticky efektivních budov. Moderní projektování a celostní pohled vytvářejí rovnováhu mezi někdy vzájemně si odporujícími požadavky na energetickou efektivnost a architekturu denního světla.

Fáze experimentu

V souladu s konceptem ActiveHouse byly pro Sunlighthouse stanoveny vysoké cíle v oblasti komfortu, energetické efektivity a šetrnosti vůči životnímu prostředí.
2008: vypsána soutěž; předseda poroty Prof. Arch. Ing. Walter Unterrainer
Vítěz: HEIN-TROY Architekten
Vědecká spolupráce na projektu – Dunajská univerzita a IBO:

stavebně-fyzikální výpočty
ekologické hodnocení
energetická optimalizace
evaluace denního světla

koncepce domovní techniky
2008 až 2010: Integrální plánování:
Arch. Juri Troy, Dunajská univerzita v Kremži, IBO, projektanti z oborů domovní techniky a elektro
22. dubna 2010: slavnostní zahájení výstavby
Květen 2010 až říjen 2010: fáze výstavby
Slavnostní otevření dne 28. října 2010
Listopad 2010 až leden 2012: veřejně zpřístupněno pro architekty a energetické odborníky z tuzemska i zahraničí
Závěr 2011: Hledání rodiny – 111 rodin se ucházelo o testování v praxi
Praktický test: Testující rodina (2 dospělí, 2 děti) obývala Sunlighthouse od 1. března 2012 do 28. února 2013.

Pro uživatele to znamená nejen vysloveně nízké provozní náklady, ale zejména vyšší kvalitu života ve formě čistého zdravého vzduchu ve vnitřním prostředí, vysokého podílu denního světla, celoročně příjemného klimatu ve vnitřním prostředí a perfektní kombinace vnějšího a vnitřního prostoru.

Rozsáhlým procesem monitoringu se podařilo získat cenné poznatky pro budoucí výstavbu a bydlení. Energetická bilance oken (tedy tepelné ztráty a využitelné solární zisky během topného období) je při dnešní generaci oken vyrovnaná; okna tím hrají při tvorbě obálky budovy velmi důležitou roli. Je zaručeno, že při projektování s denním světlem je k dispozici více možností, jak dosáhnout příslušného přirozeného osvětlení a větrání domu.

Autoři experimentu považují za důležité, aby Sunlighthouse nebyl považován za izolovaný vědecký a teoretický projekt. VELUX vychází z toho, že získané poznatky a principy „aktivního domu“ budou přeneseny do stavební praxe. Tento celostní přístup propojuje maximální šetrnost vůči zdrojům s akceptovatelnými stavebními i provozními náklady.

Model Homes 2020

Společným jmenovatelem pro vybudování celkem šesti modelových budov, nazývaných „Model Homes 2020“, byla ve stejné míře nejvyšší kvalita jak z hlediska komfortu a pocitu pohody jeho obyvatel, tak i z hlediska energetické efektivity a ekologické šetrnosti budovy.

Všechny domy v projektu Model Home 2020 vznikly s intenzivní podporou vědeckých institucí. V Rakousku se o to postarala Donau-Universität Krems (Dunajská univerzita Kremže), Österreichisches Institut für Bauen und Ökologie (Rakouský institut pro výstavbu a ekologii) a IFZ Graz (Meziuniverzitní výzkumné centrum pro techniku, práci a kulturu Štýrský Hradec).

Cíl

Aktivní dům není čistě jen energetický koncept budovy. Ve středu pozornosti stojí člověk se všemi svými potřebami, zdravím a pocitem pohody.

Aktivní dům je koncept budov, který dává vyniknout souhře energetické efektivity, vnitřního prostředí a dopadům budovy na životní prostředí.

Monitoring

Sunlighthouse byl podroben rozsáhlému a podrobnému monitorovacímu procesu. Fáze monitoringu trvala 1 rok (od 1. března 2012 do 28. února 2013); díky tomu byla sledována všechna roční období.

Kvantitativní monitoring prováděný Dunajskou univerzitou Kremže

zjišťování skutečné spotřeby

teplo
teplá voda
ztráty vytápěcí techniky
elektřina pro domácnost
elektřina pro domovní techniku
zjišťování parametrů komfortu prostředí
vstup denního světla
teplota vnitřního prostředí
kvalita vzduchu

zjišťování skutečných zisků

fotovoltaika
solární kolektory

hodnocení a srovnávání s výpočty

Kvalitativní monitoring
Byl prováděn sociology IFZ Štýrský Hradec.

dotazování obyvatel domu a vyhodnocování jejich subjektivního vnímání kritérií komfortu, jako jsou teplota vnitřního prostředí, množství denního světla, pohoda, rozdíl oproti předchozímu bydlení, příjemnost užívání atd.
performance budovy a chování obyvatel

Výsledky kvalitativního výzkumu nejsou v tomto textu citovány (pozn. red.).

Výběr testující rodiny

Aby bylo možno učinit závěry týkající se spotřeby energie za reálných podmínek bydlení, hledala se testující rodina, která bude v Sunlighthouse bydlet po dobu jednoho roku. O „bydlení na zkoušku“ v Sunlighthouse se ucházelo 111 rodin.

Nezávislá porota tvořená psychology a odborníky na komunikaci se rozhodla pro rodinu Dorfstetterových (30, 32, 3, 5 let).

Analýza kvality osvětlení

Jasným cílem byly u Sunlighthouse mimořádně světlé místnosti, které si i ve dnech, kdy je zataženo, vystačí v převážné míře s denním světlem. Z toho pak vyplývá i redukce umělého osvětlení na nutné minimum. Pro vytvoření vyvážených světelných poměrů bylo zejména dbáno na rovnoměrné osvětlení – to znamená také světlo hluboko v prostoru.

Činitel denní osvětlenosti se používá v řadě zemí jako běžná a jednoduchá metoda měření množství denního světla. Tento kvocient udává, kolik % denního světla, které je k dispozici venku při zatažené obloze, se objevuje na vnitřní ploše ve výšce 85 cm nad podlahou. Čím vyšší je kvocient denního světla, tím více denního světla je v místnosti. Místnosti s kvocientem denního světla průměrně 2 % a více jsou považovány za přiměřeně osvětlené. Místnost nebo prostor vnímáme jako skutečně světlý, pokud kvocient dosahuje 5 % a více.

Rozložení jasů zatažené oblohy
Kvocient denního světla se zjišťuje vždy při zatažené obloze.
Jas v zenitu je trojnásobně vyšší oproti jasu na horizontu.

Reálné měření při difuzní obloze v létě
Výpočty kvocientů denního světla ve vybraných prostorách, vycházející z měření venkovní a vnitřní intenzity osvětlení, poskytly tyto výsledky (obr. 2):

obytná část průměrně 3,3 %
ložnice rodičů průměrně 3,8 %
prostor pro hraní a chodba průměrně 7,4 %

Obr. 2 Počítačová simulace pomocí VELUX Daylight visualizer

Dosažitelnost optimálního množství denního světla zabezpečuje, kromě zvýšení vizuálního komfortu uvnitř Sunlighthouse, také vysokou autonomii při jeho využívání. Tím se rovněž snížuje energetické potřeba při využití umělého osvětlení i zlepšuje průběh světlem indukovaných fotofyziologických procesů.

Hodnoty zjištěné v souvislosti s monitoringem potvrzují prognózy kvantitativního vstupu denního světla, vypracované ve fázi plánování pomocí laboratorních pokusů a počítačové simulace. Úroveň kvocientu denního světla ve výši 0,9 %, požadovaná dle normy DIN 5034 část 1, Denní světlo ve vnitřních místnostech, je jednoznačně překročena (obr. 3).

Analýza proslunění

Proslunění interiéru umožňuje existenci vysoké intenzity osvětlení a podporuje průběh biochemických procesů. Proto má zejména v zimních měsících rozhodující význam, jak dostatečně a jak dlouho mohou být místnosti zásobovány přímým slunečním světlem (obr. 4).

Proslunění
Výpočetní a vizualizační metoda, vyvinutá vlastními silami katedrou pro výstavbu a životní prostředí na základě myšlenky Renate Hammerové a Petera Holzera, zobrazuje objem prostoru v Sunlighthouse, kam vstupuje v určité časy nebo po určitou dobu přímé denní světlo (je prosluněný).

Výsledek
Výzkumy popisují vysoký stupeň proslunění v zimních měsících v prostoru přízemí od východu až do západu slunce. Normami stanovené proslunění v zimních dnech v délce 1 hodiny je výrazně překročeno (v Sunlighthouse bylo naměřeno více než 6 hodin).
Zároveň je snížené oslnění v letních měsících ovlivněno pozicí domu, geometrií stavby a oken.

Kvalita vzduchu v místnostech
Pro zajištění dobré kvality vzduchu byl použit hybridní větrací systém.

Mechanická ventilace s rekuperací tepla v chladném období (venkovní teplota pod 14 °C)
Větrání okny přiměřeně potřebě (otevření a zavření oken v závislosti na teplotě vzduchu v místnosti, venkovní teplotě, koncentraci CO2, vlhkosti vzduchu uvnitř a rychlosti větru) v teplejším ročním období (venkovní teplota nad 14 °C)

Výsledek
Průměrná měsíční koncentrace CO2 ve vzduchu v prostoru Sunlighthouse se pohybuje mezi 437 ppm a 797 ppm. Předpokládaná venkovní koncentrace CO2 350 ppm je tím překročena o méně než 447 ppm.

Průměrná relativní vlhkost vzduchu se pohybuje mezi 25 % a 60 %, a leží tedy uvnitř rozsahu hodnot doporučeného dle EN 15251. Zvýšené, resp. snížené hodnoty koncentrace CO2 a relativní vzdušné vlhkosti vyplývají mj. z přítomnosti většího počtu osob, resp. z jejich nepřítomnosti a rovněž ze změny (podmíněné venkovní teplotou) větrání okny na mechanické větrání a z parametrů jeho nastavení. V dotaznících zadaných obyvatelům domu je kvalita vzduchu v místnostech označována převážně jako „jednoznačně přijatelná“. Změny systému na počátku topného období způsobují nepatrný pokles kvality (obr. 5). Naměřené hodnoty viz obr. 6, subjektivní hodnocení viz obr. 7.

Obr. 5 Vyhodnocení koncentrace CO2 ve vzduchu v ložnici dle EN 15251

Teplota v prostoru
Klimatické podmínky během fáze monitoringu:

pozoruhodně vysoké měsíční průměrné teploty během letních měsíců
dlouhotrvající zima s nedostatkem slunečního svitu a sněhem až do Velikonoc
nízké teploty během zimního období
průměrná venkovní teplota během sledovaného období od 1. 3. 2012 do 28. 2. 2013 činila 9,7 °C
srovnání s nejteplejším a nejchladnějším rokem v rámci sledovaného období od roku 2002. Údaje se vztahují k dokumentaci, kterou najdete na stránce Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG – Centrální úřad pro meteorologii a geodynamiku).

Výsledek:
Průměrné teploty v červenci 2012:
Te: 22,8 °C Ti: 24,4 °C
Průměrné teploty v lednu 2013:
Te: –0,5 °C Ti: 21,3 °C

Pro účely kvalitativního a kvantitativního hodnocení teploty vnitřního prostředí se naměřené hodnoty srovnávají s informacemi podanými obyvateli domu o subjektivním vnímání teploty.
Průměrná teplota vnitřního prostředí tedy činí 22 °C (obr. 8, 9, 10).

Obr. 8 Naměřená teplota vzduchu

Poznámka:
V prvním období veder zasahovali obyvatelé do režimu větrání často ručně a větrali během dne. To vyústilo ve vyšší teploty prostoru. Při druhé vlně veder v srpnu již důvěřovali automatice, a docílili tak příjemnějších vnitřních teplot.

Subjektivní vnímání teploty je většinou označováno jako „neutrální“.

Toto kvalitativní označení vnitřních teplot potvrzuje jejich početní hodnocení dle EN 15251, podle které leží tyto teploty převážně v hodnotové kategorii I – tedy nejlepší.

Spotřeba a produkce energie
Koncept:

co nejnižší možná celková spotřeba energie
nízká spotřeba primární energie
pokrytí výhradně obnovitelnými energetickými zdroji
žádná spotřeba energie na chlazení budovy
snaha o Plus-Energie-Standard
snaha o neutralitu CO2 v provozu (se zohledněním veškeré spotřeby: teplo na vytápění, teplá voda, ztráty ve vedení, elektřina pro domácnost, elektřina pro domovní techniku)

Výsledek (viz též obr. 11, 12, tab. 1, 2)

Jak bylo plánováno, je SLH co do celkové energetické bilance

on-site-plus-energy-house a také
on-site-zero-carbon-emission-house.

Potřeba tepla pro vytápění místností a pro ohřev vody dodržuje svými 23,1 kWh/m²a a 5,0 kWh/m²a plánovanou výši, a dokonce je nižší.
Naproti tomu tepelné ztráty vytápěcí techniky své plánované hodnoty překračují. Činí 9,7 kWh/m²a, a tím výrazně překračují plánovanou hodnotu 5,1 kWh/m²a.
Spotřeba elektřiny pro domácnost činí 11,1 kWh/m²a, a překračuje tak plánovanou hodnotu ve výši 9,2 kWh/m²a o 20 %.
Spotřeba elektřiny pro domovní techniku dosahuje 5,1 kWh/m²a, a překračuje tak výrazně plánovanou hodnotu 2,5 kWh/m²a.
Pro monitorovací zařízení, jako jsou monitory, servery a systémy pro přenos dat, bylo spotřebováno 7,6 kWh/m²a.
Celková produkce energie činí 60,2 kWh/m²a, a překračuje tím nízko nasazenou plánovanou hodnotu 55,6 kWh/m²a o 20 %.
Tepelné čerpadlo a termické solární zařízení splnily to, co se od nich očekávalo.
V celkové energetické bilanci tedy vzniká, při vyčlenění spotřeby elektřiny pro účely monitoringu, celkový přebytek energie ve výši 5,7 kWh/m²a, čímž je dodržena a mírně překročena plánovaná hodnota 4,8 kWh/m²a.
Také v bilanci CO2 byla dosažena a dodržena plánovaná hodnota přebytku 0,1 kg/m²a.

Radar aktivního domu (Active House-Radar)

Tzv. radar aktivního domu ukazuje na první pohled, nakolik jsou plněna jednotlivá kritéria, tedy komfort, energie a životní prostředí. Čím plnější je diagram, tím lepší je výsledek. Zobrazení také ukazuje, jak všechny parametry v rámci jednotlivých kritérií souvisejí (obr. 13).

Obr. 13 Radar aktivního domu ukazuje, nakolik jsou plněna jednotlivá kritéria, tedy komfort, energie a životní prostředí.

Metoda hodnocení
Pro účel kvantifikace rizika přehřívání se používají dynamické simulační programy. V bytech bez mechanického chlazení (např. klimatizace) se uvažuje s tzv. adaptivními kritérii komfortu. Řada měření a dotazování dokazuje, že rozmezí teplot, které jsou ve vnitřním prostředí vnímány jako příjemné, se velmi výrazně zvětší, pokud budovy sice nemají mechanické chlazení, zato ale nabízejí uživatelům osobní možnost zásahu, jako třeba otevřít okno, přizpůsobit oblečení, ovládat stínicí techniku a podobně. V tomto případě závisí hranice komfortní teploty vnitřního prostředí na dlouhodobé venkovní teplotě. Tento fenomén je označován jako „adaptivní komfort“ a je definován pro budovy bez technického chlazení v příloze A.2 evropské normy EN 15251.

Požadavky by měly být splněny minimálně po 95 % doby.

Závěr

Po tisících hodinách podpory v oblasti koncepce, výpočtů, technického měření a sociálních studií lze nyní jasně konstatovat: Experiment se zdařil. Odvážná a současně citlivá architektura s perfektní dávkou denního světla a vynikající transpozicí venkovního a vnitřního prostoru ve spojení s vysoce kvalitní tepelnou ochranou, ekologicky zvoleným materiálem a efektivní domovní technikou daly vzniknout domu, který splňuje všechny požadavky: stimulující, světlem zalitý, CO2 neutrální dům s pozitivní energetickou bilancí, s nejlepším komfortem vnitřního prostředí při současném intenzivním prolnutí venkovního a vnitřního prostoru.

Experiment zůstává nadále experimentem. Není to předloha určená ke kopírování, ale metoda vědeckého získávání poznatků. V tomto smyslu poskytl Sunlighthouse odpovědi a ukázal potřebu dále jednat:

Syntéza na první pohled si odporujících kvalit v zajímavé oblasti ekologie, energetické efektivity, zásobení denním světlem, v blízkosti přírody a v propojení s okolním prostorem je realizovatelná. Klíčem k tomu je architektura vnímající citlivě lokalitu a účel.
Dům má zůstat domem, a ne strojem. Technické systémy budov musí být efektivní, ale robustní a co nejjednodušší. Zde je prostor pro další vývoj.
Zapojení venkovního prostoru, který mohou obyvatelé náležitě využívat, se ukazuje být elementární kvalitou vnitřního komfortu, prospěšného pro zdravý život. Naléhavě zde vyplývá nutnost systematického vědeckého zpracování těchto souvislostí.

DI. Michael Walter a kol.
Autor je jednatelem VELUX Österreich GmbH.
Obrázky: VELUX

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.