Vplyv zasklených fasád na spotrebu energie

Cieľom príspevku je analýzou vybraného objektu poukázať na možnosti zníženia tepelnej záťaže budovy v letnom období. Na základe tejto analýzy sa prezentujú vplyvy rôznych konštrukcií tienenia a aplikácie rôznych typov sklenených konštrukcií na spotrebu energie budovy a na jej vnútornú klímu, ktorá je veľmi dôležitá, keďže účinná a úspešná duševná činnosť je možná len pri optimálnych podmienkach vnútorného životného prostredia.

Spotreba energie budov v Maďarsku predstavuje 40 % z celkovej energetickej spotreby. Otázka znižovania spotreby energie budov má preto prioritu, navyše sa zohľadňuje aj jej vplyv na zníženie emisií CO₂ a trvalo udržateľný rozvoj. Tie isté snahy sú zrejmé aj v európskom kontexte. Európsky parlament a Rada Európy vydali smernicu 2002/91/EU o energetickej hospodárnosti budov (EPBD), v ktorej sa predpisuje vypracovanie interných regulácií pre jednotlivé krajiny. V Maďarsku rieši požiadavky na energetickú spotrebu budov a metodiku hodnotenia budov vyhláška č. 7/2006 TNM. V nej sú stanovené požadované hodnoty na vonkajšie obalové konštrukcie a zasklené steny, ktoré znižujú pôvodné hodnoty o 30 až 40 %. V čase vzniku vyhlášky to bolo výrazné sprísnenie požiadaviek, domáci stavebný priemysel však daným požiadavkám vyhovel. Postupom času sa napriek tomu ukázalo, že je nevyhnutné ďalej znižovať energetickú spotrebu. V tomto zmysle sa prijala schválená prepracovaná smernica EPBD 31/2010/EU. Všetky nové občianske budovy postavené po 31. decembri 2018 a všetky ostatné nové budovy postavené po 31. decembri 2020 by mali mať spotrebu energie blízku nule.

Nové budovy majú pravidlá, ale čo tie staré?
Čo sa však deje so starými budovami? Obnova verejných budov vybudovaných v období rokov 1960 až 1970, žiaľ, nesleduje kritériá na stále prísnejšie predpisy. Skúsenosti poukazujú na značné nedostatky, ktoré plynú najmä z ekonomických dôvodov. Cieľom príspevku je prezentovať výsledky energetickej analýzy vybranej školskej budovy vybudovanej v 60. rokoch 20. storočia. Porovnáva sa vplyv výmeny skleneného obalového plášťa na zmenu spotreby energie a aj vplyv na zaradenie budovy do energetickej triedy. V súčasnosti treba počítať v budovách už aj s klimatizáciou. Administratívne ani významné školské budovy sa už nestavajú bez klimatizačného zariadenia. Z tohto dôvodu je dôležitým faktorom aj spotreba energie na chladenie. Aby sa pri nej dosiahla čo najnižšia hodnota, vyžaduje sa úzka spolupráca projektanta stavebnej časti a projektanta technologického zariadenia od začiatku navrhovania budovy až po jej realizáciu. Práve fáza projektovania má rozhodujúci vplyv na výšku spotreby energie v objekte.

Analyzovaná budova
Analyzovaná školská budova má šesť nadzemných podlaží a jedno podzemné podlažie, kde sú pivnice.
Hlavné tvarové charakteristiky:
Celková pôdorysná plocha: 9 009 m²
Vykurovaná plocha: 9 009 m²
Vykurovaný objem:  3 355 m³
Výška: 29,7 m

Budova sa v minulosti čiastočne rekonštruovala. Vymenili sa okná a dvere, použilo sa zasklenie typu 4-16-4 Low-E s hliníkovým rámom. Dva schodiskové priestory orientované na južnú stranu zostali bez rekonštrukcie s pôvodným matným zasklením s hrúbkou 4 mm. Vykurovanie budovy a prípravu teplej vody zabezpečuje systém diaľkového vykurovania. V budove sa odovzdáva teplo prostredníctvom vykurovacích telies vybavených regulačnými ventilmi s termostatickými hlavicami. V objekte nie je chladenie. Na splnenie požiadaviek v aule a spoločenskej miestnosti na prízemí sú k dispozícii dve vetracie jednotky s rekuperáciou, každá so vzduchovým výkonom 2 200 m3/h. Vetracie jednotky tvoria doplnkové vykurovanie k vykurovacej sústave s vykurovacími telesami na zvyšovanie komfortu osôb, ktoré sa nachádzajú v aule.

Súčinitele prechodu tepla vonkajšej obalovej konštrukcie, okien a dverí
Spotrebu energie budov ovplyvňujú v značnej miere zasklené plochy vonkajšej obalovej konštrukcie (ich podiel) a jej tepelnotechnické  vlastnosti. V zimnom období majú vplyv na tepelnú stratu budovy, v letnom období na tepelnú záťaž budovy. Účinok letného nestacionárneho tepelného zaťaženia na vnútornú klímu môžu ovplyvniť nielen tepelno-technické vlastnosti zasklených plôch, ale aj použitie, resp. absencia vonkajšieho tienenia.

Na základe skladby vrstiev vonkajšej konštrukcie vybranej školy prevyšujú súčinitele prechodu tepla stien značne hodnoty povolené vládnym nariadením č. 7/2006. Okná a vonkajšie dvere sa pri čiastočnej rekonštrukcii budovy vymenili, preto vyhovujú požadovaným kritériám. Kvalifikáciu fasádnych konštrukcií a okien budovy obsahuje tab. 1.

Údaje z tab. 1 poukazujú na to, že budova vôbec nespĺňa v súčasnosti platné kritériá na kvalitu konštrukcií. Os budovy má orientáciu východ – západ, takže miestnosti sú orientované buď na sever, alebo na juh. V miestnostiach orientovaných na juh je v letných horúčavách vplyvom zvýšeného slnečného žiarenia a v dôsledku chýbajúceho tienenia vysoká teplota vnútorného vzduchu. Výsledky miestnych meraní priebehu teploty vnútorného vzduchu znázorňuje graf na obr. 1. Kým na južnej strane boli v období medzi 18. až 21. augustom namerané hodnoty teploty vnútorného vzduchu medzi 31 až 35 °C, na severnej strane sa približovala teplota vnútorného vzduchu k hodnote až 30 °C. Z obr. 1 jasne vyplýva, že v dôsledku silného priameho slnečného žiarenia teplota vnútorného vzduchu v miestnostiach výrazne prevýšila teplotu vonkajšieho vzduchu. Z uvedeného dôvodu je nevyhnutné budovu klimatizovať a vybudovať vonkajšie tienenie. Keďže sklenený portál schodísk predstavuje až 27 % plochy južnej fasády, treba ho pred tým tiež vymeniť.

Obr. 1 Priebeh dennej teploty vzduchu v miestnostiach orientovaných na sever a juh

Obr. 2  Časová zmena tepelných tokov cez zasklené plochy fasády

Výsledky počítačovej simulácie
Pri energetickej analýze sa použil vlastný počítačový simulačný program. Na základe tejto analýzy sa prezentujú vplyvy rôznych konštrukcií tienenia a aplikácie rôznych typov sklenených konštrukcií na spotrebu energie budovy a na jej vnútornú klímu.

Pomocou počítačového simulačného pro­gramu sa v rámci energetickej analýzy budovy urobili tieto simulácie:

• časový priebeh tepelného toku cez južnú sklenenú fasádu pri jej rôznych vyhotoveniach,
• časová zmena výsledného tepelného zaťaženia budovy pri rôznych vyhotoveniach sklenenej fasády,
• ročná energetická potreba budovy pri rozličných vyhotoveniach južnej sklenenej fasády.

Pri sklenenej fasáde schodísk sa vykonali simulácie spotreby energie pri alternatívach:
A.    súčasný stav, okná s pôvodnými rámami,
B.    aplikácia novej sklenenej fasády,
C.    aplikácia novej sklenenej fasády s antireflexnou vrstvou,
D.    aplikácia novej sklenenej fasády s vonkajším tienením okien proti slnečnému žiareniu.

Charakteristiky jednotlivých alternatív riešenia obsahuje tab. 2. Súčiniteľ tienenia zahŕňa pomer zasklievania, reflexiu slnečného žiarenia a účinok tienenia.

Nestacionárne letné tepelné zaťaženia južnej sklenenej fasády
Na potreby tepelnotechnického hodnotenia budovy sa použil vlastný simulačný počítačový program. Pomocou simulácie sa na základe návrhových podmienok  meteorologických údajov určilo tepelné zaťaženie pri rôzne orientovaných fasádach a celkové tepelné zaťaženie budovy.

Na obr. 2 je znázornený časový priebeh zmeny vonkajšieho tepelného zaťaženia na jednotlivých zasklených fasádach. Na obr. 3 je znázornené výsledné tepelné zaťaženie budovy. Je zrejmé, že 80 % z celkovej tepelnej záťaže prechádza cez zasklené časti fasády. V prípade zmeny sklenenej fasády a vybudovania vonkajšieho tienenia by sa tepelná záťaž znížila až o 47 %. Získané výsledky sú zhrnuté v tab. 3, ktorá obsahuje maximálne hodnoty tepelnej záťaže pri nestacionárnom tepelnom zaťažení budovy.

Ročná potreba energie budovy
Požiadavky na ročnú potrebu energie sa určili na základe platného vládneho nariadenia č. 7/2006. Táto požiadavka je v súlade s predpismi, direktívami a odporúčaniami EÚ. Na energetické hodnotenie sa použil vlastný simulačný program. Určila sa spotreba primárnej energie na výrobu teplej vody, na vzduchotechniku a na osvetlenie budovy.

Spotreba energie prepočítaná na primárnu energiu:
Teplá voda: 8,4 kWh/m² . rok
Vzduchotechnika: 9 kWh/m² . rok
Osvetlenie: 18,0 kWh/m² . rok
Spolu:  32,3 kWh/m² . rok

Prepočtové koeficienty na primárnu energiu:

• na elektrickú energiu: e = 2,5 v čase špičkového odberu,
• na elektrickú energiu: e = 1,8 v čase mi­mo špičkového odberu,
• diaľkové vykurovanie: e = 1,12.

Výsledky výpočtov sú znázornené v grafe na obr. 4 a v tab. 4. Pri súčasnom stave budovy je spotreba energie vztiahnutá na primárnu energiu 242,8 kWh/(m² . rok), čomu zod­povedá stupeň zaradenia do energetickej triedy s označením H, to znamená slabá. Aplikáciou modernej sklenenej fasády a vybudovaním tienenia okien budovy by táto spotreba energie klesla na hodnotu 134,5 kWh/(m² . rok) a následne by sa stupeň zatriedenia budovy posunul do kategórie s označením E, to znamená lepší priemer.

Obr. 3 Časový priebeh nestacionárneho tepelného zaťaženia budovy

Obr. 4 Štruktúra spotreby primárnej energie pri jednotlivých alternatívach rekonštrukcie budovy

Súhrnné zhodnotenie
Na dosiahnutie zníženia celkovej spotreby energie v Maďarsku je nevyhnutné znížiť spotrebu energie budov. Tepelnotechnické vlastnosti budov občianskej vybavenosti vybudované v rokoch 1960 až 1970 výrazne zaostávajú za súčasnými požiadavkami. Tieto budovy však možno obnovovať len postupne, v závislosti od disponibilných finančných zdrojov. Práve rôzne možnosti na získavanie prostriedkov z fondov EÚ môžu urýchliť proces obnovy budov.

V príspevku sme predstavili jednu metodiku energetickej analýzy a jej aplikáciu v prípade konkrétnej budovy. Na základe výsledkov možno konštatovať, že:

• realizácia energeticky úsporných budov si vyžaduje spoluprácu architekta a projektanta technických zariadení budov od samého začiatku procesu výstavby,
• cez zasklené plochy konštrukcie sa dostáva do objektu rozhodujúci podiel letnej tepelnej záťaže, čo v prípade našej budovy predstavuje 80 %,
• výmenou zasklených plôch a použitím vonkajšieho tienenia sa značne zníži tepelná záťaž, v analyzovanom prípade nastalo zníženie o 47 %,
• ročná spotreba energie prepočítaná na pri­márnu energiu klesla z pôvodnej hodnoty 242,8 kWh/(m² . rok) na 134,5 kWh/(m² . rok), čo predstavuje úsporu 45,6 %.

Z prezentovaných výsledkov vidieť, že v súčasnosti je z energetického hľadiska nevyhnutné rekonštruovať všetky jestvujúce budovy. Riešenie tejto úlohy si vyžaduje zosúladenie činnosti architekta a projektanta technických zariadení budov, ktorá spočíva v obnove obalovej konštrukcie a zároveň v obnove technických zariadení budov modernejšou technológiou. Na účinnú duševnú prácu je nevyhnutná aplikácia klimatizácie.
Na dosiahnutie energetických úspor treba realizovať aj tienenie zasklených plôch. Práve týmito opatreniami dosiahnuté energetické úspory predstavujú dlhoročné zníženie prevádzkových nákladov. Odporúčané rekonštrukčné opatrenia sú potrebné nielen na zabezpečenie hospodárnosti, ale aj na zlepšenie komfortu vnútorného prostredia, keďže v súčasnosti sú v mnohých budovách v lete také teploty vnútorného vzduchu, ktoré neumožňujú účinnú duševnú prácu.

Pri komplexnom posúdení energeticky úsporných opatrení školských stavieb by bolo vhodné posudzovať aj vplyv obnovy netransparentných konštrukcií (stien, striech a podláh). Plochy a súčinitele prechodu tepla týchto konštrukcií značne ovplyvnia tepelnú bilanciu vykurovania a chladenia a tým aj výsledné zaradenie do energetickej triedy.

Dr. László Kajtár, János Szabó
Recenzoval: prof. Ing. Ivan Chmúrny, PhD.
Obrázky: archív autorov
Ilustračné foto: Tomáš Malý

L. Kajtár je zástupcom vedúceho tejto katedry.

Autori pôsobia na Katedre technických zariadení budov a stojných procesných technológií Budapeštianskej univerzity technických a ekonomických vied.

Literatúra
1.    Bánhidi, L. – Kajtár, L.: Komfortelmélet 2000 Budapest. Műegyetemi Kiadó.
2.    Ilaria, B. – Vincenzo, C.: Application of Energy Rating Methods to the Existing Building Stock: Analysis of Some Residential Buildings in Turin. In: Energy and Buildings, 2009, č. 41,s. 790 – 800.
3.    Kajtár, L. – Leitner, A. et al.: High Quality Thermal Environment by Chilled Ceiling in Office Building. In: 9th REHVA World Congress Clima „Well-Being Indoors” 2007, Helsinki, 2007.
4.    Kajtár, L. – Hrustinszky, T. et al.: Indoor Air Quality and Energy Demand of Buildings. In: 9th International Conference Healthy Buildings 2009, Syrakúzy, 2009.
5.    Fauchoux, T. M. – Simonson, C. J. – Torvi, A. D.: The Effect of Energy Recovery on Perceived Air Quality, Energy Consumption, and the Economics of fan Office Building. In: ASHRAE Transactions, 2007, zv. 112, časť 2, s. 440.
6.    Petráš, D – Lulkovičová, O. – Takács, J. – Füri, B.: Obnoviteľné zdroje energie na vykurovanie. In: Vykurovanie rodinných a bytových domov. Bratislava: JAGA, 2005. s. 193 – 217.
7.    Petráš, D. – Kalús, D. – Takács, J.– Matej, P: Racionálna spotreba energie pri prevádzke budov v areáli priemyselného závodu. In: Acta Mechanica Slovaca, 2004, roč. 8, č. 3-A.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.