Mnoho budov je stále navrhováno bez zohlednění zásad udržitelného rozvoje a šetření energií. Má-li řešení budovy a sytému vytápění, větrání a klimatizace zajistit jak kvalitní vnitřní prostředí v budově, tak minimální spotřeby energie, vyžaduje komplexní přístup. Důležitá je jak velmi úzká spolupráce jednotlivých specialistů s architektem, využívání moderních nástrojů pro posouzení energetických koncepcí a v neposlední řadě ochota architekta k úpravám.
Koncepce a Umístění Budovy
Autor prezentuje koncepci využití stropního sálavého chlazení s kumulací do stavební konstrukce (tzv. aktivace betonu) pro nově budovanou Národní technickou knihovnu. Budova má devět podlaží, z nichž tři jsou podzemní. Je situována v areálu ČVUT v Praze 6 Dejvicích. Budova knihovny je samostatně stojící a sousedí jihovýchodní fasádou s budovou fakulty strojní ČVUT.
Budova je rozdělaná do několika samostatných funkčních celků. Hlavní část je vlastní knihovní prostor umístěný v třetím až šestém nadzemním podlaží podél jiho-východní, jiho-západní a severo- západní fasády. Část prostoru je oddělena pro studovny, čítárny a počítačové studovny. V severo-východní části za atriem jsou kancelářské prostory. V přízemí a druhém NP jsou prodejní plochy, restaurace a pasáže.
Nosný skelet je z monolitického železobetonu, stropní desky jsou křížem předpjaté a sloupy mají mohutné hlavice. Vnitřní příčky jsou lehké ze sádrokartonu nebo skla. Fasáda je dvojitá odvětraná. Vnitřní část je z oblačního dvojskla a částečně se zděnými parapety. Vnější fasáda je ze skleněných profilů Profilit. V budově je pro třetí až šesté podlaží použito aktivace betonu pro vytápění a chlazení.
Princip Aktivace Betonu
Systém spočívá v předchlazení (případně předehřevu) betonové stropní desky zabudovanými vodními smyčkami trubek. Při aktivaci betonu (chlazení stavebních desek) se kombinuje sálavé chlazení s akumulací chladu do masivní betonové desky. Vzhledem k riziku kondenzace vlhkosti na povrchu desky a nemožností rychlé regulace povrchové teploty pracují systémy s teplotami bezpečně nad teplotou rosného bodu, tj. Při sálavém chlazení je pak průtok větracího vzduchu omezeno pouze na hygienické minimum. Vzduch je přiváděn do prostor knihovny po obvodu a odváděn přes atrium.
Čtěte také: Chlazení betonu
V kancelářích na severovýchodní fasádě se předpokládá přirozené větrání okny. Pro počítačové učebny, restaurační a obchodní prostory se předpokládá běžné chlazení ventilátorovými konvektory (fan-coil). Předpokladem je využití zdroje chladu v nočních hodinách k předchlazení betonu v prostoru knihovny případně i kancelářích a během dne bude zdroj chladu sloužit pro běžnou klimatizaci počítačových učeben a provozoven.
Simulace a Modelování
V první části byla řešena dvojitá otevřená provětrávaná fasáda objektu NTK. Studie byla vypracována z důvodu zhodnocení vhodnosti použití této koncepce dvojité provětrávané fasády se zaměřením na letní extrémy. Určení vnitřní teploty respektive rozdílu mezi teplotou venkovní a teplotou ve fasádě je důležité pro posouzení zjednodušujících okrajových podmínek pro celkový model budovy NTK.
Pro řešení teplotních podmínek v mezifasádním prostoru byl sestrojen model segmentu dvojitého zaskleného pláště s jižní orientací. Modelovaná fasáda je vícepodlažní objekt, kde každé podlaží je zastoupeno jednou zónou. Spodní hrana zasklení je ve výšce 3,5 m nad zemí, horní hrana přečnívá o 1,2 m nad střechou. Celková výška fasády je 20,4 m. Jedná se o pěti zónový model s vnějšími horizontálními žaluziemi o výšce 1,4m v mezifasádním prostoru v jednotlivých zónách.
Geometrický model byl doplněn o modely přirozeného proudění vzduchu zahrnující především proudění způsobené rozdílem hustot a omezeně i proudění způsobené účinky větru. Výsledkem počítačové simulace fasády jsou průběhy teplot vzduchu v mezifasádním prostoru. Simulace prokázal, že fasáda je dostatečně otevřená a teploty v mezifasídním prostoru budou jen mírně vyšší než teploty ve vnějším prostředí.
Vzhledem k tomu, že hlavní důraz byl kladen na řešení celkové energetické bilance v prostorách knihovny, byl model sestaven jako celek s rozdělením do třinácti zón. Čtyři zóny pro jednotlivá podlaží knihovny, další čtyři pro kanceláře, dvě zóny pro klimatizované počítačové učebny, dvě zóny pro dvoupatrové studovny a jedna zóna pro atrium.
Čtěte také: Realizace strojních betonových podlah
Model budovy byl vzhledem k technickým možnostem použitého softwaru zjednodušen. Vlastní tvar jednotlivých podlaží se v podstatě shoduje s tvarem budovy, jen zakřivené tvary fasády byly nahrazeny lomenými. Proudění budovou je uvažováno nucené s konstantním průtokem vzduchu.
Tepelné Zátěže a Provozní Režimy
Tepelné zátěže jednotlivých prostor jsou od 9 W/m2 pro knihovnu po 40 W/m2 pro klimatizované počítačové učebny. Předpokládá se působení vnitřní tepelné zátěže během provozu knihovny a to od 7:00 do 21:00. V prostoru knihovny a čítáren je uvažováno stropní chlazení s akumulací do stavební konstrukce, tzv. aktivace betonu (slab cooling). Do betonové desky je v hloubce 150 mm přiváděn v nočních hodinách (od 20:00 do 8:00) chladicí výkon 40 W/m2, což odpovídá teplotám chladicí vody 18/21 °C s roztečí trubek 150 mm. Plocha chladicích stropů je menší nežli celková plocha stropu (přibližně 71 %). Vzhledem k výsledkům simulace byla doplněna aktivace betonu i po dobu jedné hodiny během dne (13:30 do 14:30).
V počítačových učebnách je nastavena teplota 26 °C (předpoklad použití klimatizace) po dobu provozu knihovny (7:00 do21:00). Počítačová simulace určí potřebné citelné chladicí výkony klimatizace nutné pro dodržení této teploty. V několika krocích byly upřesněny zadávané podmínky, a to především vnitřních zisků v prostoru knihovny. Dále byly ověřeny použité součinitele přestupu tepla konvekcí.
Pro stropní chlazení se často uvažuje zvýšení součinitele přestupu tepla oproti volné konvekci u nechlazených ploch. Pro hodnocení tepelné pohody především u sálavých systémů by, měla být používána operativní teplota zahrnující teplotu vzduchu, střední radiační teplotu a rychlost proudění vzduchu. Pro malé rychlosti proudění, které lze předpokládat i v prostorech knihovny lze operativní teplotu vyhodnotit jako aritmetický průměr teploty vzduchu a střední radiační teploty.
Počítačová simulace byla provedena programem ESP-r, který řeší energetické bilance jednotlivých zón s hodinovým krokem se zahrnutím dynamického chování budovy, systému i klimatických dat. Simulace byla zaměřeny pouze na letní období. Simulována byla perioda od května do září. Režim byl uvažován pouze chladicí, proto může, především v květnu a září, docházet k poklesu teplot pod přípustné hodnoty (vytápění v simulaci není uvažováno).
Čtěte také: Aplikace strojní jádrové omítky
Výsledky Simulace a Provozní Zkušenosti
Výsledkem simulace budovy jsou průběhy teplot v prostorách knihovny a průběhy chladicích výkonů předávaných do stropu a ostatních klimatizačních systémů. Výsledky jsou prezentovány pro dvě základní varianty provozu chladicích stropů. Ve variantě 1 (V1) jsou stropy v provozu na plný výkon (cca 40 W/m2) v nočních hodinách (od 20:00 do 8:00) a jednu hodinu během dne (13:30 do 14:30), stropní chlazení se vypne pokud teploty vzduchu v knihovně klesnou pod 20 °C.
Budova byla v letošním roce uvedena do provozu. Proběhly první zkoušky stropního vytápění a chlazení doplněné o sledování povrchových teplot. Kombinace přirozeného větrání a krátkodobého provozu aktivace betonu ukazuje velmi zajímavé výsledky. Komfortního vnitřního prostředí a spokojenosti většiny zaměstnanců je dosahováno při minimální spotřebě energie na provoz klimatizace.
Počítačové simulace ověřily možnost použití sálavého chladicího systému s akumulační hmotou (aktivace betonu) pro připravovaný objekt Národní technické knihovny. Simulováno bylo léto typického roku, a bylo předpokládáno plné vytížení knihovny. Pro tyto podmínky se maximální vnitřní teploty vzduchu v létě budou pohybovat okolo 27 °C v případě provozu s denním přichlazováním a okolo 28 °C v případě pouze nočního chlazení betonu. Nejnepříznivější je situace v VI.NP knihovny a studovně ve IV. a V. V původním projektu se nepředpokládala aktivace betonu v kancelářské části objektu. Simulace ukázala riziko nárůstu teplot v letních měsících a na základě těchto výsledků byla instalován aktivace betonu i v této části.
tags: #strojní #chlazení #betonu #postupy