Projekt nízkoenergetické budovy využívající aktivně i pasivně sluneční energii
Objekt
Demonstrační a výukové středisko pro propagaci obnovitelných zdrojů energie ve stavebnictví. Školicí středisko bude navrženo jako nízkoenergetický objekt s integrovanými prvky využívání sluneční energie s co nejvyšším stupněm autonomie (voda, energie, odpady). Objekt bude sloužit k internátním kurzům, školením, měřením atd. se zaměřením na problematiku využití sluneční energie v architektuře v klimatických podmínkách střední Evropy. Objekt bude obsahovat zázemí terénní výzkumné stanice pro měření v okolí stavby, uvažována však nejsou trvalá výzkumná pracoviště. Areál bude poskytovat přechodné ubytování pro 40 - 50 osob, středisko bude trvale obydleno správcem, který bude zajišťovat jeho celoroční provoz. Parcela pro výstavbu vzdělávacího centra se nachází v jižních Čechách, v atraktivní a přírodně významné příhraniční oblasti Novohradska, v údolí říčky Stropnice.
Model objektu zabudovaný do krajiny
Architektonické řešení stavby:
Vzdělávací středisko je navrženo jako nízkoenergetický dům, využívající aktivními systémy i pasivně energii slunce. Projekt je ukázkou koncepčního přístupu k problematice stavění, maximálně soběstačného objektu nezávislého na okolí, šetřícího přírodní zdroje při provozu. Je navržen také s ohledem na materiálovou i energetickou náročnost při realizaci i jeho pozdější zánik.
Urbanistická hlediska:
Hmotově se vzdělávací středisko skládá ze 4 hlavních objemů, které jsou navzájem propojené. Využití jednotlivých částí odpovídá rozdílným funkcím, které dům obsahuje. Jsou uspořádány do tvaru U - okolo polozavřeného dvora, přes který vedou hlavní přístupy do objektu. Takové hmotové schéma odpovídá místně obvyklému systému rozvolněné zástavby usedlostí, většinou tříkřídlých uzavřených dvorců.
Při orientaci ke světovým stranám je dodržena základní podmínka solární architektury v orientaci aktivních fasád budovy k jihu. Maximální proslunění objektů musí respektovat i navržená zeleň. Proto od objektu výukového centra k jihu nelze vysadit žádnou vysokou zeleň, aby nedocházelo ke stínění stavby a tím ke snížení energetických zisků. Jižní a severní trakty jsou dvoupodlažní a jejich tvar je optimalizován tak, aby si navzájem nestínily. Oba trakty jsou k jihu obráceny prostory se speciálním tepelným režimem, které pomáhají lépe využít sluneční energii. Východní křídlo areálu se vstupním prostorem spojuje severní trakt ubytování s jižním společenským traktem, tato část budovy je přízemní, s pochozí terasou na ploché střeše.
Použité technologie jsou začleněny do objektu tak, aby návštěvníci měli možnost být s nimi v přímém kontaktu, měli možnost prohlédnout si fungující zařízení a pochopit jejich principy a přínos k ochraně našeho životního prostředí. Interiérové prostory budou řešeny bezbariérově, přístup do patra galerie je umožněn pomocí pojízdné plošiny na přímém schodišti.
Konstrukce a použité materiály
Na objektu budou přednostně použity materiály a konstrukce s nízkým obsahem "zabudované" energie - tj. energie potřebné na jejich výrobu a dopravu.
Objekt bude celý realizován jako lehká dřevostavba, jižní trakt s použitím dřevěných lepených prvků, severní a vstupní část jako konstrukce z masivního dřeva s malými rozpony konstrukcí. Fasády budou provedeny s větraným pláštěm ze dřeva a budou dobře zatepleny. Ve fasádách nebudou používány těžké materiály, které akumulují teplo. Jako akumulační konstrukce budou naopak navrženy podlahy společenské části a podlaha galerie, stěna oddělující společenskou místnost od skleníku a stěna oddělující hotelové pokoje od chodby. Tyto stěny budou tepelně izolovány ze strany pobytových prostorů. Okna budou použita těsná, prostory budou především větrány uměle, s rekuperací tepla. Pro snížení energetických ztrát zejména v noci jsou na okna do severních fasád navrženy tepelněizolační okenice.
Pro zastřešení jsou použity vegetační střechy. Nejen jako ochrana konstrukcí před povětrnostními vlivy, ale také pro zpomalení odtoku vody z krajiny a udržení příznivých klimatických podmínek. Střechy budou osázeny travními kulturami a budou navrženy jako extenzivní - tj. bezúdržbové.
Většinu svislých a šikmých ploch fasád obrácených k jihu tvoří koncentrační kolektory s Fresnelovými čočkami, nebo ploché kolektory Heliostar. Jižní stěna bytu správce, apartmánů a části společenské místnosti bude tvořit dvojitá fasáda, umožňující výhled do exteriéru, s lepšími izolačními vlastnostmi a energetickým využitím předehřátého vzduchu v zimě, v létě s možností odvětrání horkého vzduchu z meziprostoru mimo interiér objektu.
Před společenskou místností z jižní strany je navržen přilehlý skleník, energeticky využitelný, s možností propojení skleníku se společenskou místností otevřením prosklených částí.
Speciální technologie
V objektu je navržena řada speciálních, především solárních zařízení. Z architektonického hlediska nejsou tyto prvky skrývány, jsou pro návštěvníky zpřístupněny, a tak se stávají zároveň exponáty. Stručně lze k použitým solárním technologiím uvést, že navržené stavby mají využít sluneční energii jak pasivně, tj. přímým ohřevem interiéru stavby, tak aktivními principy a to akumulací zejména do vodních nádrží. Samostatnost a minimalizaci poruch technického zařízení by měly zajistit vlastní zdroje elektrického proudu získávané slunečními články v zásadě podle principu nutnosti funkce solárních systémů v době slunečního svitu.
Pro zachování jednotnosti myšlenky této navržené stavby na trvale udržitelné životní prostředí se samozřejmě počítá s přípravou teplé užitkové vody solárními kolektory. Návrhem velkých kolektorových polí budou přebytky energie využívány také pro vytápění, či ukládány pro pozdější využití. Protože z ekonomických důvodů není vhodné realizovat tak velkou akumulaci, která by vystačila na vytápění po celé zimní období, bude potřebná doplňková energie získávána spalováním biomasy z nově zřízených pěstebních ploch. Likvidace odpadních vod je uvažována v kořenové čistírně umístěné severovýchodně od stavby.
Popis technologie - využití alternativních zdrojů
Stavba je koncipována jako nízkoenergetický objekt. Prvotním návrhem bylo vybudování solárního systému s dlouhodobou akumulací tepla schopného pokrýt celoroční energetické potřeby objektu. Po předběžném výpočtu tepelných ztrát objektu a energetických nároků na přípravu TUV jsme došli k potřebnému objemu vodních akumulačních nádrží, který představoval cca 1000 m3. Po posouzení nákladů na vybudování zásobníku a porovnáním s cenou štěpků jako alternativního paliva bylo rozhodnuto osadit objekt pouze integrovanými zásobníky a tomu potom přizpůsobit plochu kolektorů.
|
Popis funkce systému
Jako zdroj tepla pro vytápění objektu slouží akumulační nádrže, které se stále udržují v pohotovostním stavu na teplotě, která odpovídá energii na 24 hodinový provoz objektu.
Nádrže se budou udržovat na požadované teplotě následujícími technologiemi, seřazenými podle priority:
1. energií přímo dodanou ze slunečních kolektorů
2. energií přímo dodanou z ostatních akumulačních nádrží
3. energií dodanou z ostatních akumulačních nádrží, ohřátých na potřebnou teplotu tepelným čerpadlem
4. kotlem na biomasu - štěpky
Zdrojem teplé vody (TUV) jsou tři akumulační zásobníky. Jako zásobník tepla pro přípravu TUV slouží především nádrže v jižním traktu, které potřebujeme udržovat na minimální teplotě, aby koncentrační kolektory SOLARGLAS mohly plnit svoji klimatizační funkci, aby se společenské prostory nepřehřívaly. Pokud bude teplota nedostatečná, potom budou využity ostatní akumulační nádrže, případně tepelné čerpadlo či kotel na biomasu.
Plochy kolektorových polí byly zvoleny na jednotlivých traktech tak, aby byly v souladu s objemy akumulačních nádrží. To znamená, že kolektory předávají energii do nádrží, které s nimi přímo sousedí, a tím byl minimalizován transport teplonosné látky.
Fasádní koncentrační kolektory SOLARGLAS SF1 slouží jako předehřev pro vakuové kolektory HELIOSTAR H400V, se kterými jsou zapojeny do série. V případě vysoké teploty v zásobnících lze tyto kolektory obejít zkratem a tím zamezit zvýšení tepelné zátěže interiéru. Aby byla z interiéru odjímána energie přímého slunečního záření, která je Fresnelovou čočkou zkoncentrována na otevřený hliníkový absorbér, je nutné, aby teplota absorbéru nebyla vyšší než 40 °C. Pro optimální využití získané energie v akumulačních nádobách a její využití v systémech vytápění a přípravy TUV je potřeba v závislosti na teplotách v jednotlivých nádržích řídit jejich nabíjení a vybíjení. Toho bude dosaženo vhodným spínáním oběhových čerpadel a otvíráním vhodných elektromagnetických ventilů.
Teprve v okamžiku, kdy bude tepelným čerpadlem vyčerpán energetický potenciál všech akumulačních nádob, bude jako doplňkový zdroj tepla spuštěn kotel na biomasu, který může dodávat teplo přímo do systému vytápění nebo postupně nahřívat akumulační nádoby. Tímto provozním režimem bude zajištěna i optimální funkce kotle na biomasu, neboť ho bude možné provozovat na 100% jeho výkonu a případné přebytky tepla akumulovat do nádrží. Tak bude dosaženo i příznivých ekologických aspektů při spalování biomasy (nízké hodnoty škodlivin ve spalinách oproti neefektivnímu spalování při sníženém výkonu kotle).
Schéma zapojení vytápěcího systému
Vytápění a větrání objektů
Pro krytí tepelných ztrát jednotlivých objektů budou použity dva systémy vytápění. Teplovodní vytápění pro severní ubytovací trakt a teplovzdušné vytápění pro zbývající objekty.
Teplovodní vytápění bude použito v severním ubytovacím traktu z důvodů hospodárnosti. Umožní se tak vytápět pouze ty pokoje, ve kterých budou ubytovaní návštěvníci. Bude zde nainstalována nízkoteplotní teplovodní soustava s teplotním spádem 45/35 °C, která umožní i využití tepla přímo z kolektorových systémů.
Ve zbývajících objektech bude realizováno teplovzdušné vytápění s použitím kompaktních vzduchotechnických jednotek ATREA. Celkem budou použity tři vzduchotechnické jednotky. Teplovzdušné vytápění bude provedeno s rekuperací tepla z odváděného vzduchu. To představuje hlavní výhodu teplovzdušného vytápění, neboť velkou část tepelných ztrát v zimním období, v době se slunečním svitem, bude možné hradit tepelnými zisky ze slunečního záření, které projde zasklením do interiéru. Přívod čerstvého vzduchu pro vzduchotechnické jednotky bude realizován přes potrubí, uložené v základech budov, což v zimním období zajistí jeho předehřev a naopak v letním období, kdy je potřeba jen větrat (popř. chladit), zajistí ochlazení přiváděného vzduchu. Odtah bude odváděcím potrubím, které bude instalováno v horní části prosklených prostor, kde se bude hromadit teplý vzduch.
Teprve v případě, že systém zpětného získávání tepla nebude schopen pokrýt tepelné ztráty jednotlivých objektů, bude vzduch dohříván teplou vodou z akumulačních nádob přes výměník voda-vzduch v jednotkách VZT.
Simulace energetické bilance objektu
Pro zjištění optimálních skladeb především obvodových konstrukcí a pro návrh a optimalizaci solárního systému (velikosti ploch kolektorových polí v závislosti na objemu akumulačních nádrží) v objektu jsme použili soubor modelovacích programů pod označením TRNSYS 15. V první fázi modelování jsme optimalizovali objekt z hlediska konstrukčního za účelem vyvážení poměru maximálních tepelných ztrát objektu k použité tloušťce izolace v obvodových, podlahových a střešních konstrukcích. Tato optimalizace byla provedena v programu PREBID, který počítá maximální ztráty jednotlivých teplotních zón objektu podle normy DIN 4701 (viz graf č. 1).
Graf č. 1 - Porovnání tepelných ztrát objektu
Pro detailní zjištění energetické bilance (ztrát, zisků) objektu, s ohledem na zadané podmínky tepelné pohody jednotlivých zón budovy a dynamického chování navrhovaného solárního systému v čase v závislosti na pokrývaní energetických potřeb objektu, byl vytvořen simulační model v programu IISiBat, integrující tři samostatné moduly
Výpočet dynamického chování ze zadaného simulačního modelu umožňuje programu IISiBat vložená databáze TRY (test reference year), která obsahuje celoroční průběh klimatických podmínek (globální a přímé sluneční záření dopadající na horizontální plochu, rychlost a směr větru, teplotu a vlhkost vzduchu) referenčního roku v hodinových intervalech. Pro modelování našeho systému byla použita databáze TRY vytvořená pro Prahu v rámci grantové úlohy GARD kolektivem, vedeným doc. Ing. Jiřím Sedlákem, CSc. z VUT Brno. Pro následný propočet dopadající radiace na plochy budovy a kolektorů, definované azimutem a sklonem normály plochy k horizontální rovině slouží radiační procesor, který je součástí knihovny programu. Knihovna obsahuje také prvky potřebné pro vytvoření jednotlivých modulů tvořící propojený simulační model.
Výsledky simulace
Výsledky simulace jsou zobrazené na následujících grafech.
Graf č. 2 udává roční průběh ztrát budovy
Spodní křivka ukazuje průběh teplot v TRY, zde byl použit model pro PRAHU vypracovaný z dvacetiletých průměrů kolektivem pod vedením doc. Sedláka z VUT Brno. Vrchní křivka ukazuje celkové ztráty objektu jako součet ztrát jednotlivých zón se zadanými požadovanými teplotami.
Graf č. 2
Graf č. 3 - Měsíční bilance energie naakumulované a potřebné
Na sloupcovém grafu je modrou a žlutou barvou znázorněna energie potřebná, která je definovaná jako součet tepelných ztrát objektu a energie potřebné na ohřev 6 m3 na 60°C TUV z akumulace severního objektu a energie na ohřev 1 m3 na 60°C ze zásobníku jižního objektu. Červenou barvou je potom znázorněn energetický potenciál akumulačních nádrží jako kumulativní zisky z kolektorových polí. V červenci až srpnu potom zisky klesají a energie naakumulovaná v zásobnících se příliš nemění. To je dáno tím, že kolektory pracují při vysokých teplotách a klesá jejich účinnost. Pro lepší využitelnost získané energie ze Slunce by bylo potřebné zvětšit akumulační objemy. Šedou barvou je znázorněn rozdíl naakumulované a potřebné energie. Graf ukazuje, jak velkou roli na celkové energetické náročnosti budovy sehrává příprava TUV. Z grafu vyplývá, že využití slunečních kolektorů na přípravu TUV má u nízkoenergetických domů vždy smysl.
Graf č. 3
Graf č. 4 - Roční průběh teplot v zásobnících
Červenou barvou jsou znázorněny teploty v zásobníku severního a modrou jižního traktu. Jižní objekt je osazen 24 m2 plochých kolektorů a 81 m2 koncentračních střešních kolektorů, které odvádějí energii do akumulačního objemu 36 m3. Předpokládaný denní odběr je 1 m3 vody o teplotě 60°. Severní trakt je osazen 88 m2 plochými vakuovými kolektory HELIOSTAR H400V a 54 m2 koncentračními fasádními kolektory SOLARGLAS SF 1. Z této akumulace se pokrývají ztráty objektu a příprava 6 m3 TUV o teplotě 60 °C.
Graf č. 4
Tento projekt byl podpořen z prostředků Výzkumného záměru MŠM 000020001 "Solární energetika přírodních a energetických systémů" a Výzkumného záměru CEZ MSM 21000011 a vycházel z výsledků projektu GAČR 103/99/056 "Vývoj energetických fasád s využitím optických rastrů".
Kontakt:
Bořivoj Šourek 1) 2), Vladimír Jirka 1), Jozef Korečko 1), Marek Řehoř 3)
1) ENKI, o.p.s., Dukelská 145, Třeboň, tel./fax.: +420 384 724 346, e-mail: jirka@enki.cz, korecko@enki.cz
2) ČVUT v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6, e-mail: sourek@fsid.cvut.cz
3) Architektonická dílna, nám. Českého povstání 2, 161 00 Praha 6, e-mail: marek.rehor@seznam.cz
