AIR House – 3. miesto v súťaži Solar Decathlon 2013 pre český tím

Tento projekt vyniesol na vynikajúce 3. miesto v súťaži Solar Decathlon 2013 ďalší európsky tím, a to neuveriteľne z Českej republiky. Aj český tím prišiel na súťaž prvý raz, o to cennejšie je preto jeho fantastické umiestnenie v celkovom poradí na 3. mieste. Získal 1. cenu v kategóriách Architektúra a energetická bilancia, 2. miesto v kategórii Technika a 3. miesto v disciplínach Atraktivita pre trh, Komfort a Ohrev vody. Bronzová medaila v celkovom skóre potvrdila, že napriek všetkým úskaliam, ktoré môžu pri koordinácii veľkého tímu nastať, je integrálne navrhovanie tou správnou cestou.

V solárnom desaťboji bolo treba obstáť vo všetkých 10 disciplínach – všetky spolu súvisia a ovplyvňujú sa navzájom. Veľmi úspešné hodnotenie českého tímu vo viacerých disciplínach prinieslo vynikajúci výsledok, ktorý delilo od víťazného návrhu rakúskeho tímu nakoniec len 6 bodov. Obrovský úspech oboch týchto víťazných tímov podčiarkuje fakt, že boli na súťaži jediné z Európy, navyše prvý raz. Zároveň však naposledy, keďže do ďalšieho ročníka sa môžu prihlásiť už len americké inštitúcie…

Cesta do Kalifornie však nebola jednoduchá a nebola by možná ani bez podpory sponzorov a ďalších organizácií. Ako veľká devíza sa ukázalo spojenie s inovatívnymi a vizionárskymi partnermi, ktorí ponúkli svoje sily pri hľadaní nových riešení so zreteľom na trvalo udržateľnú budúcnosť. Skutočnou výzvou bolo v rámci desaťboja zladiť všetky disciplíny, čo je však práve ten spôsob myslenia, ktorý je pri udržateľnej architektúre nevyhnutný. Čo teda prinieslo spoločné úsilie?

Vízia a koncept

Výsledkom dvojročnej práce takmer 30-členného tímu plnej búrlivých zmien je energeticky sebestačný dom AIR House postavený na vízii, že najčistejšia energia je tá nespotrebovaná. AIR House získava všetku energiu na svoju prevádzku zo slnečného žiarenia. Energetický koncept vychádza z princípu „domu v dome“ a je doplnený jednoduchým inteligentným riadením. Veľký dôraz sa kladie aj na komplexný prístup k zdravému bývaniu. Návrh reaguje na súčasný demografický vývoj v Českej republike, kde sa v súvislosti so zmenami vo vekovej štruktúre populácie stane bývanie seniorov čoskoro závažnou témou. Dom je preto určený staršej generácii, ktorá už žije v období tzv. prázdneho hniezda.

Návrh vhodný pre dvojčlennú domácnosť kombinuje minimálny vnútorný obytný priestor s veľkorysým vonkajším priestorom. Dom inšpirovaný českou tradíciou chalupárstva je tak navrhnutý ako chata pre ekologicky zmýšľajúcich ľudí na vrchole produktívneho veku, ktorá môže na dôchodku slúžiť na plnohodnotné trvalé bývanie. Vďaka malým rozmerom a jednoduchému tvaru možno dom postaviť na štandardne veľkej záhrade. Vnútorná dispozícia kombinuje jeden obytný priestor a prefabrikovaný technologický modul s kúpeľňou, technickou miestnosťou, vonkajšou kuchyňou a skladom. Veľká terasa funguje ako rozšírenie vnútorného priestoru.

Zdravie a prírodné materiály

Stratégia sa v tomto smere neobmedzuje len na technologické riešenia alebo použitie zdravotne neškodných materiálov, ale rešpektuje prirodzené rytmy ľudského tela a akceptuje sociálny život obyvateľov domu v priamej väzbe vonkajšieho a vnútorného priestoru. Celý dom je vyrobený z dreva: nosná konštrukcia, tepelná izolácia, fasáda, vnútorné povrchy aj zariaďovacie predmety. Nosná konštrukcia domu je z masívnych drevených CLT (cross laminated timber) panelov vyrobených z chemicky neošetreného dreva z lesov s PEFC certifikátom. Panely majú výborné akustické parametre, vysokú požiarnu odolnosť a pozitívne prispievajú k tepelnej stabilite interiéru. Z CLT panelov je vyrobené aj zariadenie interiéru.

Konštrukcia, ktorá dýcha

Nosná konštrukcia je z exteriéru opatrená tepelneizolačnými panelmi. Sendvičový panel s drevovláknitou tepelnou izoláciou Steico je zo strany interiéru krytý OSB doskou a zo strany exteriéru DHF doskou. Skladba je navrhnutá ako paropriepustná (difúzne otvorená). Na rozdiel od difúzne uzatvorenej konštrukcie, pri tejto funguje postupné vyrovnávanie medzi vnútorným a vonkajším prostredím (princíp difúzie). Namiesto parozábrany obsahuje konštrukcia tzv. parobrzdu, ktorá nebráni vstupu vodnej pary do konštrukcie, len obmedzuje jej množstvo. V dome plní funkciu parobrzdy vnútorný CLT panel spolu s OSB doskou. Dôležité sú umiestnenie parobrzdy blízko vnútorného líca skladby a paropriepustnosť vrstiev smerom von, aby sa vodná para, ktorá sa do konštrukcie dostane, mohla prirodzene odpariť.

Dom v dome

Koncept „domu v dome“ pracuje s princípom dvoch „koží“. Prvú tvorí tepelne izolovaný obal obytného priestoru. Druhá koža (drevená pergola, horizontálne a vertikálne tieniace lamely) funguje ako nárazníková zóna a zmierňuje tepelnú záťaž. Vodorovná orientácia lamiel smerom na juh zatieňuje fasádu proti vysoko položenému poludňajšiemu slnku, zvislo orientované lamely na západnej strane zas proti nízkemu západnému slnku. Priestor medzi oboma kožami funguje ako prostredník medzi interiérom a exteriérom.

Energia

AIR House je koncipovaný ako energeticky nulový dom, všetku energiu získava zo slnečného žiarenia. Pri výbere technológií bolo hlavným hľadiskom jednoduché a prirodzené fungovanie domu, ktoré by vyhovovalo potrebám a možnostiam zvolenej cieľovej skupiny. Z pohľadu energetickej bilancie, technickej sústavy a komfortu vnútorného prostredia musel dom na základe podmienok súťaže vyhovieť množstvu kritérií, často prísnejších, než sú požiadavky bežného užívateľa, ktoré navyše museli platiť v dvoch celkom odlišných klimatických podmienkach. V kalifornskej subtropickej klíme musel dom perfektne fungovať počas súťaže a v miernom vnútrozemskom podnebí Českej republiky musí obstáť celoročne. Tomu sa musela prispôsobiť aj celková koncepcia. Na optimalizáciu a overenie návrhu sa použili dynamické simulácie s hodinovým krokom. Na ich základe sa potom optimalizovali súčinitele prechodu tepla konštrukciou, parametre zasklenia či návrh tieniacich prvkov. Na predstavu, ako bude dom reagovať na určité situácie, sa overoval vplyv vetrania a akumulačnej hmoty. Analýzy boli nevyhnutné na koordináciu pasívnych prvkov a návrhu aktívnych technológií.

Fotovoltický systém

Fotovoltický systém domu sa skladá z 33 ks monokryštalických panelov s menovitým výkonom 185 Wp a celkovým výkonom 6,105 kWp. FV panel pracuje optimálne s účinnosťou 14,5 % pri pracovnej teplote 25 ˚C. Použitý je fotovoltický systém GRID ON od firmy SunnyWatt. FV panely sú umiestnené na kovovej konštrukcii nad tieniacimi rebrami „canopy“ s južnou orientáciou v 5 radoch v sklone 10°. Na streche sú 3 panelové polia, každé má 11 panelov zapojených do série. Jednosmerné napätie sa transformuje na striedavé (60 Hz) pomocou striedača SMA Sunnyboy 5000-US, ktorý hľadá optimálny bod výkonu na voltampérovej charakteristike, čím sa optimalizuje maximálny možný výkon FVE. Životnosť panelov vrátane striedača je naprojektovaná približne na 25 až 30 rokov. Všetka elektrická energia sa v Kalifornii dodávala do siete v solárnom mestečku. V ČR bude elektrická energia primárne napájať spotrebiče v dome a prebytky sa budú vykupovať formou „zeleného bonusu“. Zároveň bude možné premeniť systém na hybridný a využívať záložné batérie. Dom sa tak stane energeticky nezávislý od distribučných sietí. Umožní sa aj testovanie domu, ktorý je čiastočne či plne nezávislý od dodávok elektrickej energie z rozvodnej siete.

Vzduchotechnická sústava

Systém vetrania s rekuperáciou tepla slúži na zabezpečenie optimálnej výmeny vzduchu a minimalizuje tepelné straty pri vetraní, ktoré predstavujú pri bežných rodinných domoch až 40 % celkovej tepelnej straty objektu. V AIR House sa kvalita vnútorného vzduchu zabezpečuje pomocou teplovzdušnej vetracej jednotky Duplex RB4 EC ATREA. V podmienkach Českej republiky sa bude dom väčšinu roka vetrať prirodzene. V zimnom období a na účely súťaže sa bude využívať rekuperácia odpadového tepla. Cirkulačným vzduchom sa budú upravovať aj tepelno-vlhkostné parametre vnútorného vzduchu pri nedostatočnom výkone sálavých stropných panelov. Teplovzdušná vetracia jednotka je napojená na nadradenú reguláciu a inteligentné riadenie domu so zhromažďovaním dát. Zdrojom tepla a chladu je tepelné čerpadlo vzduch – voda Altherma LT (Low Temperature split) ­DAIKIN odoberajúce nízkopotenciálnu energiu z okolitého vzduchu.

Solárny systém

Solárny systém slúži na prípravu teplej vody a dokurovanie v dome. Skladá sa z dvoch plochých lyrových solárnych termických kolektorov KPG1 REGULUS. Slnečné žiarenie prechádza solárnym sklom a zachytáva sa na účinnom selektívnom absorbéri. Plocha kolektora je 2,39 m2. Kolektory sú umiestnené na nadstrešnej konštrukcii domu s južnou orientáciou a sklonom 25°. Tepelná energie získaná zo solárnych kolektorov sa distribuuje do integrovaného zásobníka tepla IZT ATREA. Navrhnutý solárny systém umožnil 100-percentné pokrytie potreby tepla na prípravu teplej vody počas súťaže. V klimatických podmienkach strednej Európy pokrývajú solárne systémy 50 až 60 % ročnej potreby teplej vody v bežnej domácnosti (100 % v letnom období a 10 % v zime). V období s nízkou intenzitou slnečného svitu sa príprava teplej vody doplní tepelným čerpadlom.

Koreňová čistiareň

Odpadové vody z domu sa odvádzajú (čerpadlo WILO) do vonkajšieho dvojkomorového septiku, odkiaľ sa po zbavení mechanických častí prečerpávajú kalovým čerpadlom do biočistiarne odpadových vôd. Koreňová čistiareň odpadových vôd zabezpečuje čistenie tzv. šedej vody (odpadová voda z umývadla, drezu, sprchy, umývačky riadu a práčky). Dom je vybavený aj umelou mokraďou, kde cez koreňový systém bahenných rastlín pomaly preteká voda. Mikroorganizmy žijúce v koreňovom systéme rozkladajú nečistoty a viažu ich na seba. Bahenné rastliny sú nasadené v štrku, čo minimalizuje výpar vody a zabraňuje usídleniu hmyzu. Prečistená voda sa využíva na závlahu.

Úspora vody

Bežná umývadlová batéria spotrebuje 13 litrov vody za minútu. V kúpeľni AIR House je použitá umývadlová batéria Axor Starck ­Organic (Hansgrohe), ktorá má dve polohy na nastavenie intenzity prúdu (3,5 l/min a 5 l/min). Vďaka EcoSmart technológii – prímesi vzduchu a špeciálnemu obmedzovaču prietoku – je aj pri malej spotrebe vody prúd postačujúci na dôkladné namočenie rúk. Batéria šetrí nielen vodou, ale aj surovinami a zdravím. Telo je duté, čím sa minimalizuje spotrebovaný materiál a tým aj energia. Oddelený vodný prúd bráni priamemu kontaktu vody s telom batérie. Pitná voda sa tak nedostane do styku s olovom a niklom.

Sálavé vykurovanie a chladenie

AIR House je vybavený stropnými panelmi na sálavé vykurovanie a chladenie, ktoré sú primárnym systémom nízkoteplotného vykurovania a vysokoteplotného chladenia domu. Použitý je systém stropných sálavých panelov REHAU, ktorého základom sú v pásoch vyrábané panely zo sadrokartónu so zafrézovanými drážkami a vloženými rúrkami RAUTHERM S 10,1 × 1,1 mm s rozstupom 45 mm ako dvojitý meander. Chladiaci výkon dosahuje až 75 W/m2. Z pohľadu tepelného komfortu je výhodou malé prúdenie vzduchu v miestnosti, pri ktorom sa minimálne víria mikroorganizmy a prach. Teplota v miestnosti je v porovnaní s použitím vykurovacích telies rovnomernejšia, čo umožňuje jej zníženie o 1 až 3 °C bez toho, aby sa narušila tepelná pohoda človeka.

Vetranie

Kvalita vnútorného vzduchu v dome sa zabezpečuje vetraním a použitím takých materiálov, ktoré neuvoľňujú odérové ani prchavé organické látky. V podmienkach Českej republiky sa bude dom väčšinu roka vetrať prirodzene. Na zimné obdobie a účely súťaže slúži vzduchotechnická jednotka s rekuperáciou odpadového tepla s účinnosťou až 93 %. Vzduchovody tvorené ohybnými hliníkovými hadicami s mikroperforáciou a plastovým stavebnicovým systémom sú vybavené tepelnou a hlukovou izoláciou, ktorá obmedzuje tepelné straty a orosovanie.

Zdravé osvetlenie

Ako ideálne zdroje svetla sa v AIR House zvolili LED svetelné zdroje, ktoré sú v exteriéri výlučnými svietidlami. V interiéri sa LED osvetlenie používa len niekde a s rozvahou (kuchynská linka, nepriame osvetlenie kúpeľne) a dopĺňa ho miestne žiarovkové osvetlenie. Dôvodom je fakt, že ľudský organizmus funguje v určitom prirodzenom rytme a riadia ho tzv. vnútorné biologické hodiny. V prírodnom prostredí je ich najdôležitejším synchronizátorom pravidelné striedanie svetla a tmy. V prostredí s prevažne umelým osvetlením je zásadné farebné spektrum svetelného zdroja. Modré svetlo, typické pri LED, stimuluje aktivitu. Večer je, naopak, vhodné plnospektrálne žiarovkové osvetlenie, ktoré podporuje tvorbu melatonínu, hormónu spánku a telesnej regenerácie.

Inteligentné riadenie

Riadiaci systém merania a regulácie (MaR) a inteligentná domáca elektroinštalácia (KNX) sú v dome prepojené (na mieru s webovým ovládacím nástrojom) do jedného celku. V Českej republike sa energetický manažment s prediktívnym riadením pri rodinných domoch bežne nepoužíva. Použité systémy sú intuitívne a minimalizujú energiu potrebnú na obsluhu a údržbu TZB technológií. Ich inteligencia spočíva vo včasnom reagovaní na potreby užívateľov domu aj vonkajšie vplyvy počasia.
 
Meranie a regulácia

Voľne programovateľný riadiaci systém od firmy Sauter umožňuje efektívne riadenie technológií HVAC, zabezpečuje požadované vnútorné prostredie (teplota, relatívna vlhkosť, výmena vzduchu), bezpečnú prevádzku technologického zariadenia budovy (TZB) a minimalizuje energiu potrebnú na obsluhu a údržbu TZB technológií. Riadiaci systém monitoruje a ovláda rekuperačnú jednotku a okná, chod tepelného čerpadla, vykurovanie a chladenie pomocou sálavých panelov, ohrev vody solárnymi kolektormi a obsluhuje vodné hospodárstvo. Používa sa modulárna riadiaca stanica radu modulo5, ktorá komunikuje na celosvetovo štandardizovanom protokole BACnet/IP. Stanice pracujú na základe prednastavených parametrov úplne autonómne. Na zabezpečenie vysokej kvality vnútorného vzduchu je MaR nadštandardne vybavená snímačmi CO2 a VOC. Vnútorné prostredie AIR House možno vďaka spolupráci riadenia, meteoservera a meteostanice včas regulovať a šetriť tak energiou na úpravu parametrov vzduchu. V ekonomickom režime riadiaceho systému sa automaticky optimalizuje prevádzka domu podľa výsledkov energetického manažmentu.

Domáca elektroinštalácia

Inteligentná domáca elektroinštalácia (KNX) zabezpečuje svetelnú pohodu v interiéri a exteriéri stmievateľnými LED zdrojmi svetla, ktoré reagujú na intenzitu slnečného svitu. Inteligentné riadenie slúži aj na nastavenie a ovládanie tematických svetelných scén. Elektroinštalácia je riešená pomocou komponentov firmy Schneider Electrics. Na ovládanie systému osvetlenia a celých svetelných scén sa použili programovateľné vypínače. Osvetlenie interiéru možno prepnúť do úsporného režimu, který je riadený senzormi pohybu a vnútorného osvitu na KNX zbernici. Svetelná sústava sa s ohľadom na väčšiu cenovú dostupnosť riešila kombináciou stmievateľných zdrojov, ktoré pracujú na komunikačnej zbernici DALI, a nestmievateľných zdrojov, ovládaných reléovým akčným členom. Výhodou je možnosť zmeny funkcií vypínačov alebo možnosť priradiť ich v nadväznosti na riadiaci systém, napr. ovládáním okna alebo nárazovým vetraním v kúpeľni.

Riadenie vykurovania

Systém sálavého vykurovania a chladenia sa ovláda automatizačnou stanicou AS525 (SAUTER). Stanica meria teplotu, vlhkosť, prietok a ďalšie fyzikálne veličiny. Servopohon reguluje zmiešavanie vody na ventiloch a riadi chod čerpadiel, ventilátorov a klapiek. Ďalej monitoruje a optimalizuje všetky technické zariadenia budovy v oblasti tepelnej a chladiacej techniky, vzduchotechniky a vodného hospodárstva.

Od teórie k praxi

Účasť v súťaži znamenala pre celý tím úžasnú skúsenosť a príležitosť zažiť vznik domu od návrhu po stavbu vlastnými rukami a posunúť akademickú teóriu k praxi. Zároveň dokázala, aké vysoko efektívne je multidisciplinárne spojenie študentov – v tomto prípade bakalárskeho, magisterského a doktorandského štúdia viacerých fakúlt a škôl pod vedením študentov Fakulty architektúry ČVUT v úzkom spojení so Stavebnou fakultou ČVUT. Tím fungoval podobne ako stredne veľká firma, v ktorej spolupracujú architekti, stavební inžinieri, špecialisti na TZB, elektro a fotovoltiku, logistiku a, samozrejme, aj ľudia z oblasti PR. Cieľom bolo navrhnúť a postaviť prototyp energeticky sebestačného domu a zvyšovať povedomie o energetickej účinnosti a využití solárnej energie spolu s propagáciou českej architektúry a inžinierstva vo svete. A to sa maximálne podarilo.

(sf)

Článok vznikol z podkladov českého tímu a www.airhouse.cz.

Foto: ČVUT, Department od Energy Solar Decathlon

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.