Prirodzené fyzikálne medzipriestory vo fasádnej technike

Teoreticky správne koncipovaná dvojitá transparentná fasáda má svoje systémové znaky, vyjadrené prívlastkami ako energetická fasáda a ekologická fasáda. Energetická fasáda sa vyznačuje úspornosťou v každom ročnom období. Ekologická-klíma fasáda napomáha k hlbšej symbióze architektonického prostredia a prírody. Výsledkom vzájomného spolupôsobenia je vyššia úroveň architektonického prostredia. Spomínané prívlastky fasádnej techniky budov možno terminologicky definovať ako dvojitú transparentnú energetickú klíma fasádu, ktorá je nesporne jedným z prvkov inteligentnej budovy. Čím viac prvkov s využívaním prirodzených fyzikálnych javov budova má, tým menší je potrebný príkon energie na zabezpečenie požadovaných podmienok vnútornej klímy v budove. Základnou úlohou inteligentnej budovy je, aby stavebná konštrukcia a jej prvky čiastočne plnili aj úlohu techniky prostredia. Dvojitá transparentná fasáda je príkladom takéhoto prvku.

Modernizácia pôvodnej klasickej fasády administratívnej budovy Východočeskej energetiky v Hradci Králové v Českej republike predstavuje modelový prístup projektanta, investora i realizátora k aplikácii novej fasádnej techniky. Fasáda využíva prirodzený fyzikálny jav transformácie alternatívneho zdroja energie, slnečného žiarenia, v prirodzenom fyzikálnom medzipriestore. Tento vzorový model vyúsťuje do koncepcie dvojitej transparentnej fasády, optimalizovanej v oblasti širokých možností jej konštrukčnej tvorby.

Dve modifikácie

Pôvodná konvekčná fasáda budovy, založená na silikátovom materiálovom princípe (modifikácia A) s oknami na báze zliatin hliníka bez prerušenia tepelného mostu, s klasickým dvojnásobným skleným systémom, už nevyhovovala súčasným požiadavkám ČSN 73 0540. Pri jej rekonštrukcii sa zvažovali dve variantné riešenia. Prvé riešenie (modifikácia B), predstavovalo budovu s konvekčnou fasádou s dodatočným tepelnoizolačným systémom. Okná boli navrhnuté na báze zliatin hliníka s prerušeným tepelným mostom, s moderným dvojnásobným skleným systémom so špeciálnou tepelnou aj slnečnou ochranou.

Druhý variant (modifikácia C), prezentoval dvojitú transparentnú fasádu, ktorej vnútornú stenu charakterizoval dodatočný tepelnoizolačný systém. Okná boli riešené podobne ako v modifikácii B, avšak, s moderným nízkoemisným dvojnásobným skleným systémom, súčasťou ktorého je špeciálna tepelná ochrana.

Grafická schéma vertikálneho rezu južnou fasádou budovy
A – modifikácia A – pôvodná fasáda vo forme konvekčnej fasády na silikátovej báze,
B – modifikácia B – fiktívna fasáda vo forme konvekčnej rekonštruovanej fasády s dodatočným tepelnoizolačným systémom a totálnou výmenou okna,
C – modifikácia C – rekonštruovaná modernizovaná fasáda vo forme dvojitej transparentnej fasády

Obe modifikácie spĺňali požiadavky ČSN 73 0540. Štúdia aplikácie dvojitej transparentnej energetickej klíma fasády potvrdila vyššiu efektívnosť modifikácie C, pre ktorú sa nakoniec rozhodol aj investor.

Dvojitá transparentná fasáda sa bola potreby modernizácie budovy rozpracovaná a optimalizovaná v zásadných oblastiach jej konštrukčnej tvorby. Prvú rozpracovanú oblasť, geometriu medzipriestoru, charakterizuje priechodný chodbový medzipriestor. Účinná výška alebo výška sekcie medzipriestoru sa stotožňuje s konštrukčnou výškou podlažia, ktorá predstavuje 3,3 metra. Optimalizovanú šírku sekcie chodbového medzipriestoru, stanovenú hodnotou 875 milimetrov, ovplyvňuje existujúce konzolové vyloženie stropnej dosky, dodatočný tepelnoizolačný systém a nároky na rozvodné kanály vzduchu. Chodbový medzipriestor je v horizontálnom smere dĺžkovo členený transparentnými priečkami vo vzdialenosti 7,2 metra. Takéto členenie umožňuje exaktnú kontrolu prietoku vzduchu medzipriestorom.

Konštrukciu medzipriestoru dvojitej transparentnej fasády nebolo možné kotviť do konzolovitej stropnej dosky, preto je ukotvená až v skeletovej nosnej sústave objektu. Keďže modul nosnej sústavy meria 3,6 metra a dvojitej fasády 1,8 metrov, medzi stĺpmi skeletu sa navrhol nový kovový nosník, zabezpečujúci rovnaké podmienky kotevného systému aj v priestoroch medzi modulmi nosnej sústavy budovy.  V samotnej realizácii sa použili Vierendelove nerezové nosníky. Do nosníkov sú kotvené teleskopické konzoly nosnej sústavy medzipriestoru, nesúce vertikálne prvky stĺpikov. Tie v dolnej časti staticky podopiera kĺb a v hornej posuvné lôžko, s možnosťou dilatácie stĺpika smerom hore a dilatácie sklenej dosky vonkajšej transparentnej steny smerom dole.

Geometrická optimalizácia medzipriestoru dvojitej transparentnej fasády vo vzťahu k existujúcim prvkom

Sklený systém vonkajšej transparentnej steny medzipriestoru je koncipovaný ako jednoduchý bezpečnostný, z tvrdeného kaleného skla. Sklené dosky sú bodovo kotvené k vertikálnym prvkom – stĺpikom medzipriestoru pomocou konzolových ramienok. Kotvenie je zabezpečené  dvomi nosnými bodovými podperami, situovanými v hornej časti transparentného dielca a štyrmi stabilizujúcimi bodovými podperami, zachytávajúcimi len horizontálne sily.

Vetracie otvory zabezpečujú prirodzené vetranie medzipriestoru a jadra budovy. To je primárnou požiadavkou aerodynamického konceptu dvojitej transparentnej fasády. Dynamiku pohybu vzduchu medzipriestorom určuje prirodzená konvekcia (bezvetrie), účinok vetra alebo ich kombinácia. Vetracie otvory umožňujú pohyb vzduchu. Počas bezvetria zabezpečuje prívod vzduchu dolný vetrací otvor medzipriestoru a horný  jeho odvod. Pri náraze vetra vzduch napĺňa medzipriestor fasády dolným aj horným vetracím otvorom. Vyprázdňovanie prebieha medzi nárazmi vetra oboma vetracími otvormi medzipriestoru.

Rozvodné kanály vnútra fasády sú konštruované na materiálovej báze zliatin hliníka. Zo vstupného vetracieho otvoru vybaveného žalúziami prúdi vzduch cez ochrannú sieťku do prívodného rozvodného kanála. Z neho ďalej cez otváravú podlahovú mriežku do dolnej časti medzipriestoru. Z hornej časti medzipriestoru prúdi vzduch do odvodného rozvodného kanála a cez ochrannú sieťku do výstupného vetracieho otvoru so žalúziami. Je žiaduce, aby voľná plocha vetracích otvorov, ochrannej sieťky (proti vtáctvu a hmyzu) ako aj voľná plocha podlahového či podhľadového roštu rozvodných kanálov boli podľa možnosti rovnaké.

Transformáciu krátkovlnného slnečného žiarenia na dlhovlnné tepelné žiarenie v medzipriestore dvojitej fasády zabezpečuje lamelová slnečná ochrana. Jej funkciu neovplyvňujú nárazové účinky vetra. Lamely slnečnej ochrany sú vyrobené z eloxovaného hliníka so stupňom reflexie 50 %. Tepelnú záťaž budovy zo slnečného žiarenia kvantifikuje koeficient celkovej priepustnosti slnečnej energie.. Koeficient udáva koľko energie z dostupného slnečného žiarenia sa dostáva do jadra budovy – do miestností.

Detail konštrukcie medzipriestoru dvojitej transparentnej fasády a jeho kotevného systému

Koncepcia overenia fasády

Na koncepciu a optimalizáciu základných prvkov prirodzeného fyzikálneho medzipriestoru dvojitej transparentnej fasády modernizovanej budovy Východočeskej energetiky v Hradci Králové nadväzujú dve ďalšie etapy. Prvou je fyzikálno-technické a funkčné kvantitatívne overenie fasády, druhou konštrukčná tvorba detailov, prvkov a sústavy fasády ako celku, s vysokými nárokmi na funkčnosť. Nezabúda sa ani na fyzikálnu kvantifikáciu (overenú dvoj a trojdimenzionálnymi modelmi) a estetickú úroveň architektonického diela s charakterom inteligentnej budovy.

Fyzikálno-technické a funkčné kvantitatívne overenie dvojitej transparentnej fasády sa vykonáva metódou výpočtových experimentov, charakteru dynamických numerických simulácií, v okrajových podmienkach modelu vonkajšej klímy, vo forme testovacieho referenčného roku. Tento proces zahŕňa klimatický – ekologický a energetický koncept budovy s cieľom jeho optimalizácie, teplotný, aerodynamický a energetický režim prirodzeného fyzikálneho medzipriestoru a energetické relácie budovy vrátane energetickej návratnosti investície. Predmetné fyzikálno-technické overenie dvojitej transporentnej fasády nie je možné zrealizovať bez dvoch vážnych aerodynamických vstupov, ktoré sa dané aerodynamikou budovy kvantifikovanej  aerodynamickým koeficientom celkového tlaku na budovu a aerodynamikou medzipriestoru, kvantifikovanej celkovým aerodynamickým odporom.

Doc. Ing. Boris Bielek, PhD., prof. dr.h.c. Ing. Milan Bielek, DrSc.
Fotografie: Ing. arch. Petr Hájek
Technické výkresy: Doc. Ing. Boris Bielek, PhD., prof. dr.h.c. Ing. Milan Bielek, DrSc.

Autori pôsobia ako odborní pedagógovia na Stavebnej fakulte STU v Bratislave.

Tento príspevok bol podporovaný Agentúrou na úpdporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-20-044405 a Vedeckou grantovou agentúrou MŠ SR a SAV v projekte VEGA 1/3319/06.