Jak ovlivnila rekonstrukce budovy SvF STU její vnitřní prostředí?

Jak ovlivnila rekonstrukce budovy SvF STU její vnitřní prostředí? Výšková budova stavební fakulty dostala po více než třech desetiletích provozu nový ráz, a to v podobě moderního lehkého obvodového pláště. Následně proběhla výměna prvků vytápěcího systému, během níž byly nahrazeny zastaralé komponenty předávací stanice tepla. Jak tato rekonstrukce ovlivňuje vnitřní prostředí budovy s tepelně aktivovanými stropními konstrukcemi?

Abychom získali odpověď na tuto otázku, v referenčních místnostech budovy byly nainstalovány snímače indikátorů kvality vnitřního prostředí. Jejich úkolem je sbírat data o tepelné pohodě a kvalitě vzduchu v prostorách fakulty.

Od roku 1977, kdy byla dokončena výšková budova Stavební fakulty STU v Bratislavě, podléhal objekt opotřebování, proto bylo nutné začít budovu postupně obnovovat. Rekonstrukcí její fasády a prvků vytápěcího systému se mělo dosáhnout nejen snížení nákladů na provoz, ale očekávala se i optimalizace tepelného stavu v budově, který vzhledem k jejímu věku a fyzickému stavu nebyl vyhovující. Fasáda byla navržena tak, aby byla v kombinaci s tepelně aktivovaným stropem schopná zabezpečit tepelnou pohodu v jednotlivých kancelářských prostorách.

Vytápěcí systém SvF STU v Bratislavě

Blok C výškové budovy (obr. 1) Stavební fakulty STU v Bratislavě je v současnosti napojen na dálkové zásobování teplem, předávání tepla se uskutečňuje prostřednictvím primární předávací stanice tepla (OST) B a sekundární OST C (obr. 1) s tlakově nezávislým připojením. Primární předávavací stanice pro celý objekt fakulty je umístěna v bloku B. Samotná strojovna bloku C je spolu se sekundární předávací stanicí tepla situována v suterénních prostorách objektu C v 2. PP. Tam se nachází i sdružený rozdělovač a sběrač pro vytápění bloku C, největší auly fakulty, knihovny a vzduchotechniky.

Obr. 1  Umístění výškové budovy a předávacích stanic [1]

OST a regulace vytápěcího systému v bloku C

Strojovna zásobující teplem výškovou budovu prošla v roce 2011 významnou rekonstrukcí, v rámci níž byly vyměněny hlavní prvky vytápěcího systému, včetně zdroje tepla. Modernizací se zvýšil efektivní způsob přenosu primární energie a minimalizovaly se provozní náklady. Původní čtyři kusy stavebnicových výměníků tepla (dva pro každé tlakové pásmo) s výkonem 280 kW byly nahrazeny dvěma novými předávacími stanicemi s výkonem 400 kW (jedna pro každé tlakové pásmo). Rekonstrukce proběhla i v rámci čerpadlového hospodářství, v rámci něhož byla vyměněna oběhová čerpadla zabezpečovacího systému a chemické úpravy vody.

Protože se po rekonstrukci fasády objektu požadovalo pro zvýšení efektivnosti také využití stropního systému CRITTALL na chlazení objektu, bylo nutné instalovat i zdroj chladu a dva výměníky tepla s výkonem po 130 kW. Rekonstrukcí prošel i systém měření a regulace vytápění, kde byla navržena kvalitativní regulace spojená s kvantitativní regulací na koncových zdrojích. Jednotlivé větve vytápěcího systému se regulují podle vnější teploty ekvitermickou regulací pomocí trojcestných směsných ventilů. Nucený oběh zabezpečují oběhová čerpadla se třemi stupni otáček [1].

Zónování bloku C

Blok C je rozdělen na dvě tlaková pásma – první zabezpečuje vytápění a chlazení pro první až desáté poschodí, druhé zásobuje teplem jedenácté až třiadvacáté poschodí budovy. Obě tlaková pásma mají vlastní samostatné předávací stanice tepla. Z nich vedou rozvody do čtyřcestných sdružených rozdělovačů a sběračů, které rozdělují objekt na čtyři zóny – dvě jihozápadní a dvě jihovýchodní (obr. 2). Rozdělovač prvního tlakového pásma je umístěn v prvním PP bloku C (obr. 3), rozdělovač druhého tlakového pásma se nachází v samostatné místnosti v desátém NP. Ležaté rozvody od rozdělovače a sběrače vedou pod stropem suterénu a jsou na ně napojena svislá stoupací potrubí jednotlivých zón.

Obr. 2  Umístění kanceláří v jednotlivých zónách bloku C

Tepelně aktivované stropní systémy

Systémy tepelně aktivovaných stavebních konstrukcí se ve stavební praxi používají poměrně často jako řešení vytápění a chlazení v administrativních budovách vzhledem k použití velkých zasklených konstrukcí v obalovém plášti budov. V těchto budovách vzniká během léta vysoká tepelná zátěž, kterou je energeticky náročné vykrýt pomocí klimatizačních zařízení, což připravuje půdu pro efektivnější řešení – využití systémů sálavých systémů, včetně tepelně aktivovaných stropních konstrukcí.

Fyzikální princip a výhody tepelné aktivace stropní konstrukce

Fyzikální princip systému registrů trubek zabudovaných během betonáže do stropní konstrukce využívá pro vytápění (resp. chlazení) tepelnou kapacitu stavební konstrukce. Poloha trubek v rámci nosné konstrukce, obvykle železobetonu, určuje akumulační schopnost systému. Podle toho lze určit dobu výměny tepla do prostoru. Tato výměna tepla, která se uskutečňuje mezi stropní konstrukcí a prostorem, by měla při použití TABS (angl. Thermally Active Building Systems) probíhat z větší části radiací, čili sáláním.

Tepelně aktivovaný strop vytváří spolu s ostatními sálavými systémy vytápění a chlazení vhodnější vnitřní mikroklima než klasické konvekční vytápěcí systémy. Tento systém využívá zároveň potenciál samoregulační schopnosti vzhledem k nízkému rozdílu teplot mezi aktivní konstrukcí a místností. Protože akumulace konstrukce může probíhat v noci, je možné využít navíc noční tarif elektrické energie, který může snížit náklady na vytápění.

Obr. 3 Schéma zapojení rozdělovače a sběrače prvního tlakového pásma. Technologie: 1. hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků Racen HVDT 5, Q = 30 m3/h, 2. mokroběžné čerpadlo Grundfos UPS 40-120F, PN6, Q = 10 m3/h, Y = 50 j/kg, Pel = 460 W/1, 60 A/230 V, 3. trojcestný regulační směsný ventil kvs = 25 m3/h, DN 40, elektrický servopohon 230 V – dodávka MaR

Systém CRITTALL ve výškové budově SvF STU

Lehký obvodový plášť vytváří ve výškové budově vhodné podmínky pro vytápění využitím systémů tepelně aktivních prvků stavebních konstrukcí. V případě SvF STU je tepelně aktivovaný betonový strop pomocí systému CRITTALL. Tento teplovodní systém byl patentován už v roce 1907, avšak na Slovensku dosáhl rozmachu až v 60. letech 20. století, a to ve velkých administrativních budovách. V objektu výškové budovy ho tvoří železobetonová stropní deska s tloušťkou 210 mm, v níž jsou osazeny bezešvé ocelové trubky DN 15 (obr. 4a). Ty vedou zhruba přes 50 % stropu jednotlivých místností a tvoří meandr s rozestupem 150 mm.

Obr. 4  Stropní konstrukce: a) detail, b) termovizní snímek stropu během vytápěcího období (autor: Michal Lukačovič)

Integrované trubkové registry se nacházejí ve spodní části stropní konstrukce, přibližně 20 mm od jejího povrchu. Výpočtový teplotní spád vytápění při vnější výpočtové teplotě –11 °C je 55/45 °C (10 K). Nízkoteplotní teplovodní vytápěcí soustava s maximálním provozním tlakem 0,6 MPa má nucený oběh teplonosné látky. Během letních měsíců se systém CRITTALL využívá i na částečné pokrytí tepelné zátěže, přičemž za daného stavu skutečně vložených aktivních ploch lze počítat jen s pasivním chlazením objektu.

Rekonstrukce obvodového pláště bloku C SvF STU

Vzhledem ke stavu více než třicetiletého obvodového pláště bloku C proběhla v roce 2010 jeho výrazná rekonstrukce. Původní fasáda, konstrukčně řešená ze závěsných panelů složených z ocelového rámu, transparentní okenní části a neprůhledné parapetní části, už nedokázala efektivně plnit svůj účel, a tak byla nahrazena novou hliníkovou blokovou fasádou Element. Při výběru řešení a během stavebních prací bylo potřebné zohlednit fakt, že rekonstrukce probíhala během provozu budovy.

Obr. 5  Konstrukce okna: a) detail SV fasády, b) detail JZ fasády

Dva druhy nového opláštění objektu

Zatímco v případě severozápadní strany objektu je nová fasáda řešena jako jednoplášťová s použitím izolačního trojskla, v případě jihovýchodní strany byla navržena a realizována dvouplášťová fasáda s provětrávaným meziprostorem. V obou případech byly instalovány stínicí prvky – hliníkové lamelové žaluzie, které se nacházejí u jednoplášťové konstrukce fasády na transparentních částech z interiérové strany a ovládají se ručně. U dvouplášťové konstrukce jsou žaluzie umístěny v meziprostoru a ovládají se elektronicky z příslušné místnosti.

Termovize objektu

Na obr. 6 a 7 vidíme značné rozdíly v chování obou druhů plášťů během vytápěcího období, oba pláště však zabezpečují dobrou tepelnou ochranu. Červené body na snímku jednoplášťové fasády vznikly v důsledku otevření oken (obr. 6). Vzhledem k tomu, že v případě dvojité fasády neprobíhá výměna vzduchu přímo mezi interiérem a exteriérem, na termovizním snímku lze pozorovat proudění vzduchu v meziprostoru fasády (žlutá barva) (obr. 7).

Obr. 6  Termovize jednoplášťové fasády výškové budovy (autor: Michal Lukačovič)

Obr. 7  Termovize dvojité fasády výškové budovy (autor: Michal Lukačovič)

Monitorování parametrů vnitřního prostředí a instalovaná měřicí technika

Za účelem sledování jednotlivých ukazatelů kvality prostředí, jako jsou teplota vzduchu, relativní vlhkost, koncentrace oxidu uhličitého a osvětlenost, byly na SvF STU a ve vybraných učebních a kancelářských prostorách instalovány v roce 2013 snímače kvality vnitřního prostředí napojené na centrálu měření. Z naměřených výsledků lze zaznamenávat, vyhodnocovat a následně upravovat kvalitu vnitřního prostředí v budově.

Hodnocené prostory

Referenční místnosti, v nichž probíhá sběr údajů, byly určeny v rámci projektu Kompetenční centrum inteligentních technologií pro elektronizaci a informatizaci systémů. V těchto místnostech byly instalovány vhodné snímače vybraných fyzikálních veličin. Při výběru místností se přihlíželo k jejich různé orientaci na světové strany, různým poschodím či režimu užívání. Cílem bylo zabezpečit různorodé hodnoty, které by se daly pokládat za referenční pro co největší část budov Stavební fakulty STU.

Instalovaná měřicí technika

Pro hodnocení vnitřního prostředí je potřebné instalovat měřiče hlavně v interiéru, a to v jednotlivých místnostech. V interiéru se sleduje vnitřní teplota vzduchu, úroveň CO2, relativní vlhkost vzduchu, VOC, jas, teplota na povrchu zasklených ploch, teplota přívodní vytápěcí vody či teplota vratné vytápěcí vody a v kancelářích i teplota stropního vytápění.

K měření jednotlivých parametrů vnitřního prostředí v místnostech slouží měřicí centrála, v níž jsou instalovány tyto typy snímačů:

• snímač povrchové teploty zasklení (obr. 8b),
• snímač intenzity osvětlení (obr. 8c),
• snímač kvality ovzduší (obr. 8c),
• snímač stropního vytápění.

Obr. 8  Instalované snímače: a) snímač povrchové teploty zasklení, b) snímač intenzity osvětlení a snímač kvality ovzduší

Seznam a umístění snímačů

V tab. 1 je vyobrazen seznam snímačů a zařízení v místnosti C14/19. Stejné typy snímačů jsou instalovány i v dalších třech kancelářích bloku C.

Jednotlivé snímače v kancelářích jsou rozmístěny takto:

• snímač teploty zasklení je umístěn v pravém horním rohu okna ve výšce 2,5 až 2,6 m nad podlahou,
• snímače intenzity osvětlení jsou umístěny ve výšce přibližně 0,7 m na desce pracovního stolu,
• skupina snímačů kvality ovzduší (teplota, VOC, CO2 a relativní vlhkost) je instalovaná v kanceláři C6/09 na stěně ve výšce 1,7 m nad podlahou, v kanceláři C6/20 ve výšce 1,1 m nad podlahou, v kanceláři C14/6 na stěně ve výšce 1,61 m nad podlahou a v kanceláři C14/15 na stěně ve výšce 1,735 m nad podlahou; rozptyl výšek umístění závisí na dispozičním řešení a rozmístění nábytku v jednotlivých kancelářích,
• snímač stropního vytápění je zabudován ve stropě ve výšce 2,66 až 2,686 m nad podlahou.

Posouzení místností bloku C na základě vnitřní teploty

Pro posouzení podle normy STN EN 15251 byl vybrán časový vzorek jeden rok (2014), přičemž se posuzovaly teploty interiéru čtyř referenčních místností výškové budovy během pracovní doby (8:00 až 16:00), kdy se v objektu nachází většina zaměstnanců [2]. Podle uvedené normy bylo možné zatřídit místnosti do jedné ze čtyř kategorií vnitřního prostředí. Na obr. 8 vidíme, že nominální úrovně očekávání u nových a zrekonstruovaných budov – kategorie II (20–24 °C při vytápění, 23–26 °C při chlazení) – během celého vyhodnocovaného období nebylo dosaženo. U všech čtyř místností bylo provedeno posouzení z hlediska tepelného stavu podle STN EN 15251. Z výsledků na obr. 10 vyplývá, že blok C výškové budovy neposkytoval vyhovující tepelnou pohodu, a to především ve vytápěcím období.

Obr. 9  Rozmístění snímačů v místnosti C14/19

Obr. 10  Zatřídění vnitřního prostředí jednotlivých místností do kategorií podle teploty interiéru

Z grafů na obr. 8 je zjevné, že lepší tepelné pohody bylo dosaženo v případě severozápadní strany, kde je použit jednoduchý obvodový plášť (kanceláře C14/15 a C6/20).
Navzdory tomu, že žádná evropská nebo slovenská norma nepočítá s vlivem vlhkosti na vnímání tepelného komfortu, tyto dva parametry s sebou úzce souvisí a mají na sebe nezanedbatelný vliv. Při téže teplotě, ale jiné relativní vlhkosti, může být komfort značně rozdílný. Obr. 11 zobrazuje předpokládané vnímání vlhkosti vzduchu v závislosti na vnitřní teplotě během jednoho pracovního týdne ve vytápěcí sezoně (1.12. až 5.12.2014). Nejvhodnějšího stavu prostředí bylo dosaženo v kanceláři č. 15 ve 14. poschodí, která se v tom období nacházela hlavně v oblasti tepelně-vlhkostního komfortu. Během uvažovaného období se však žádná místnost nenacházela v oblasti nepříjemného sucha nebo vlhkosti.

Obr. 11  Zatřídění referenčních místností vnímání vlhkosti v závislosti na teplotě vzduchu

Posouzení místností bloku C na základě vlhkosti a kvality vzduchu

Hodnoty relativní vlhkosti vzduchu byly uspokojivé ve více než 90 % času (obr. 12). V pří­padě hodnot nevyhovujících normativním požadavkům šlo převážně o hladinu vlhkosti, která byla nižší, než uvádějí technické normy. Při hodnocení kvality vzduchu byla indikátorem hladina koncentrace CO2 v místnosti nad úrovní koncentrace CO2 v exteriéru (počítali jsme s hodnotou 420 ppm). Maximálního limitu pro kategorii II, 500 ppm nad úrovní koncentrace venku, bylo dosaženo přibližně za 60 % času (nejlepší ze všech výsledků) v kanceláři 1406 v důsledku nízké obsazenosti (jedna osoba) a méně časté přítomnosti uživatele (obr. 12). Druhého nejlepšího výsledku bylo dosaženo v kanceláři 1415 i navzdory faktu, že místnost využívají dvě osoby. Nejhorší výsledky byly získány v místnosti v šestém poschodí, a to i navzdory nízké obsazenosti (jedna osoba), vzhledem k nízké frekvenci otevírání oken.

Obr. 12  Zatřídění referenčních místností do čtyř kategorií podle relativní vlhkosti vzduchu a kvality vzduchu

Závěr

Venkovní klimatické podmínky, sluneční záření, změny vnitřních tepelných zisků a nízká schopnost akumulace lehkého obvodového pláště mají za následek dynamické změny v tepelné rovnováze budovy. Vzhledem k pomalým reakcím tepelně aktivovaného stropu na změnu v energetické bilanci není vytápěcí systém schopný reagovat na tyto změny dostatečně rychle, a tak zajistit požadovanou tepelnou pohodu. To spolu s nedostatečným hydraulickým regulováním a absencí individuální regulace způsobuje zvýšenou teplotu v kancelářích, a to hlavně v kancelářích s dvojitou fasádou a orientací na jihozápad. Správné hydraulické regulování a sofistikovanější ovládání vytápění/chlazení systému například s použitím ovládací jednotky a regulací podle teploty vzduchu v referenční místnosti by mohlo eliminovat vzniklé nedostatky.

Foto a obrázky: archiv autorů

Literatura

1. Takács, J. – Derzsi, I.: Hydraulické aspekty prevádzky vykurovacej sústavy vo výškovom objekte. Bratislava, 2015.
2. STN EN 15251 Vstupní parametry vnitřního prostředí na návrh a hodnocení energetické hospodárnosti budov zaměřené na kvalitu vnitřního vzduchu, tepelné prostředí, osvětlení a hluk.
3. Puškár, A.: Termovízne posúdenie tepelnoizolačných vlastností obalových konštrukcií budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave. Bratislava, 2015.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.