Pasívne využitie solárnej energie vo funkcionalistickej vile Tugendhat

Článok predkladá prípadovú štúdiu zameranú na funkciu ónyxovej steny, ktorá tvorí dominantu hlavného obytného priestoru vily Tugendhat. Merania a simulácia v programe BSim [2] mali potvrdiť hypotézu, že ónyxová stena nie je len estetickým prvkom, ale zastáva aj akumulačnú funkciu.

V literatúre [1] môžeme nájsť vyhlásenie prof. Eugena Dostála, ktoré vlastne vystihuje podstatu funkcionalizmu: „Svetlo, slnko a vzduch sú kúzelníkmi modernej medicíny“. Funkcionalizmus využíva pri svojom návrhu prvky solárnej architektúry – ide predovšetkým o správnu orientáciu budovy na svetové strany, o tvorbu akumulačných jadier a pôdorysné tepelné zónovanie.

Za tzv. mekku bielych krabíc sa považuje mesto Brno. Dôvodom tohto označenia je práve veľké množstvo funkcionalistických víl z 20. storočia, ktoré sa tu nachádzajú. Jednou z najznámejších je vila Tugendhat, navrhnutá architektom Ludwigom Miesom van der Rohe. Vila bola dostavaná v roku 1930 a v roku 2001 bola zapísaná do zoznamu UNESCO [1].

Charakteristika riešenej miestnosti

Ónyxová stena sa nachádza v hlavnej obytnej hale na 1. NP vily. Táto hala je špecifická tým, že je z JV a JZ strany úplne zasklená. Z JV strany prilieha k obytnej hale zimná záhrada. Na obr. 1 je v pôdoryse 1. NP zaznačená pozícia ónyxovej steny, na priloženej fotografii vidieť stenu z prednej strany. Materiál steny predstavuje odrodu chalcedónu (SiO₂) so súčiniteľom tepelnej vodivosti stanoveným približne na hodnotu λ = 7,25 (W/(m . K). Stena má hrúbku d = 70 mm. Rozmery kamenných dosiek sú zrejmé z obr. 2.

Obr. 1 Predný pohľad na ónyxovú stenu [zdroj: David Židlický [3]]; pôdorys 1. NP vily Tugendhat s lokalizáciou obytnej haly a ónyxovej steny (dole) [zdroj: autori]

Metódy použité na overenie hypotézy

Vyslovená hypotéza sa overovala vlastným meraním in situ a simuláciou oslnenia v programe BSim. Vlastné meranie prebiehalo dňa 14. 7. 2009, keď bol prístup verejnosti do vily uzavretý. Meranie sa zaznamenávalo ústredňou Almemo 3290-8 v intervale 5 minút. Zaznamenávali sa tieto veličiny: teplota povrchu tp (°C), rýchlosť prúdenia pri povrchu v (m/s) a hustota tepelného toku z/do povrchu q (W/m²). Snímače boli umiestnené na prednej a zadnej strane steny vo výške približne 0,6 m nad podlahou (obr. 2).

Obr. 2 Pohľad na ónyxovú stenu z prednej strany s lokalizáciou snímačov [zdroj: autori]

Teplota vnútorného vzduchu v obytnej hale ti (°C) sa priebežne merala na niekoľkých miestach v rámci inej výskumnej úlohy. Potom sa však zistilo, že v období, keď prebiehalo meranie steny (14. 7. 2009), došlo k strate dát. Záznam bol aktívny až od 17. 7. 2009. Na základe porovnania teplôt vzduchu získaných z miestností na 2. NP (tam sa záznam dochoval) sa odhadlo, že teplota vzduchu v obytnej hale sa mohla dňa 14. 7. 2009 pohybovať v intervale 24 až 29 °C.

Simulácia oslnenia

V programe BSim sa zostavil geometrický model obytnej haly s ónyxovou stenou (obr. 3).

Obr. 3 Model v programe BSim – oslnenie ónyxovej steny dňa 14. 7. 2009 o 5:50 hod. ráno (vľavo) a o 18:50 hod. (vpravo) [zdroj: autori]

Zo simulácie oslnenia haly vyplynulo, že dňa 14. 7. by solárna radiácia mala najviac ovplyvňovať merané parametre od 5:50 do 7:20 a od 18:10 do 18:50 hod. V týchto hodinách dopadajú slnečné lúče do blízkosti ónyxovej steny a je pravdepodobné, že stena absorbuje žiarenie, ktoré sa odráža od povrchu podlahy. Vo všeobecnosti je v letnom období slnko vysoko nad horizontom a jeho lúče nedopadajú priamo na ónyxovú stenu. Výnimkou je len približne 40 minút v skorých ranných hodinách, keď lúče ožarujú malú časť zadnej strany steny (obr. 3 vľavo). V lete je hala pomerne dobre zatienená nielen previsom strechy, ale aj opadavým stromom, ktorý sa nachádza na JV strane vedľa zimnej záhrady. Tieto skutočnosti sa však nedajú simuláciou zachytiť. Z ďalších simulácií vyplynulo, že priame slnečné žiarenie dopadá na stenu v zimnom období. V tomto čase však už nebolo možné vykonať ďalšie merania z dôvodu pamiatkovej obnovy vily.

Diskusia

Na presnejšiu interpretáciu meraných výsledkov sme si na webe Weather Underground [4] spätne overili klimatické dáta (najmä oblačnosť) z najbližšej meteorologickej stanice (letisko Brno-Tuřany) z dňa 14. 7. 2009. Bol to daždivý deň, pričom asi do 12:00 hod. bola obloha jasná, medzi 12:00 až 15:00 hod. polojasná až oblačná a od 15:00 hod. bola opäť jasná až polojasná. Teplota vzduchu sa pohybovala v intervale od 20,4 do 32 °C.

Na grafe na obr. 4 je zachytený priebeh nameraných tepelných tokov q (W/m²) na prednej (PD) a zadnej (ZD) strane ónyxovej steny. Ďalej je tu zachytený záznam rýchlosti prúdenia vnútorného vzduchu v (m/s) pri povrchu steny. Merané tepelné toky predstavujú zdieľanie tepla (prevažne konvekciou) medzi povrchom steny a vzduchom v miestnosti. Na grafe sú znázornené intervaly, keď na prednom a zadnom povrchu steny dochádza k akumulácii tepla z okolitého vzduchu (-q) a k vyžarovaniu tepla do okolitého vzduchu (+q). Sivým podfarbením sú označené časové intervaly zistené simuláciou. V týchto intervaloch je povrch steny intenzívnejšie ovplyvňovaný odrazeným slnečným žiarením. Ranná špička ovplyvňuje tepelný tok na zadnej strane steny (ZD), podvečerná špička zasa na prednej strane (PD). Prudké výkyvy meranej rýchlosti na prednej strane steny medzi cca 10:40 až 12:40 hod. si vysvetľujeme tým, že tu dochádzalo k rýchlemu ohriatiu vnútorného vzduchu vplyvom slnečného žiarenia (jasná obloha) a takto ohriaty vzduch prúdil nahor pozdĺž steny. Na konci merania vidieť opäť výkyv rýchlostí aj tepelných tokov spôsobený zrejme prievanom (otvorené dvere, okná).

Obr. 4 Graf priebehov tepelných tokov a rýchlostí vzduchu na prednej a zadnej strane steny [zdroj: autori]

Obr. 5 Graf priebehov tepelných tokov a povrchových teplôt na prednej a zadnej strane steny [zdroj: autori]

Za predpokladu jednorozmerného vedenia tepla rovinnou stenou možno tepelný tok cez stenu vyjadriť vzťahom

Na základe tohto vzťahu možno z priebehov povrchových teplôt na prednom a zadnom povrchu usúdiť, kedy prebieha akumulácia tepla v ónyxovej stene (-q) a kedy vyžarovanie tepla zo steny do okolia (+q). Z grafu na obr. 5 sú ešte zrejmé časové medzery 1 a 2 spôsobené rôznymi teplotami vzduchu ti v priestoroch pred a za ónyxovou stenou. Časová medzera 2 je dlhšia vplyvom podvečerného slnečného žiarenia, ktoré zapríčiňuje ohriatie vzduchu pred stenou. Teplota okolitého vzduchu je tu teda dlhšie vyššia než teplota povrchu steny a akumulácia tu trvá dlhší čas.

Záver

Z vyššie uvedených poznatkov vyplýva, že ónyxová stena rozdeľuje celý priestor haly nielen esteticky, ale aj mikroklimaticky. Teplota vzduchu ti v časti haly pred stenou je cez deň preukázateľne vyššia než teplota vzduchu v časti za stenou, a to aj počas menej slnečného dňa.

Realizovaným meraním sme preukázali akumulačnú funkciu ónyxovej steny, ktorá je principiálne blízka Trombeho stene. Na detailnejšie skúmanie akumulačných vlastností ónyxovej steny by bolo vhodné vykonať merania v zimných mesiacoch a pri jasnej oblohe. Predmetom ďalšieho výskumu by mohlo byť zaradenie CFD simulácie na skúmanie obrazov prúdenia v okolí steny, ako aj vyčíslenie množstva tepelnej energie, ktorú je ónyxová stena schopná naakumulovať a vyžiariť predovšetkým v zimných mesiacoch a v prechodnom období.

Článok vznikol s podporou špecifického výskumu VG FAST 2011 – projekt č. 1316 – Vplyv slnečnej energie a energie zeme na zníženie energetickej náročnosti budov. Poďakovanie patrí aj Ing. arch. Ivete Černej (riaditeľke a správkyni vily Tugendhat), ktorá nám umožnila zrealizovať meranie ónyxovej steny.

Literatúra
1.    Kolektív autorov: Slavné brněnské vily. 1. vydání. Praha: FOIBOS, a. s., 2008. 177 s. ISBN 80-903661-5-5. Kapitola pátá, Triumf funkcionalismu, s. 51 – 52.
2.    Danish Building Research Institute Aalborg University Copenhagen. BSim [online]. Posledná revízia 1. 10. 2013 [cit. 7. 2. 2015]. Dostupné na: http://sbi.dk/en/bsim.
3.    Ateliér Židlický: Vila Tugendhat, fotogalerie 2010. Vila Tugendhat [online]. 2010-2015, [cit. 7. 2. 2015]. Dostupné na: http://www.tugendhat.eu/cz/fotogalerie/fotogalerie-2010.html.
4.    The Weather Channel, LLC. LKTB – letiště Tuřany, Česko. Weather Underground [online] 2015, [cit. 7. 2. 2015]. Dostupné na: http://www.wunderground.com/history/airport/LKTB/2009/7/14/MonthlyHistory.html.

Ing. Lenka Maurerová, doc. Ing. Jiří Hirš, CSc.
Autori pôsobia v Ústave technických zariadení budov Stavebnej fakulty Vysokého učení technického v Brne.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.