Fyzikálny medzipriestor dvojitej transparentnej fasády - experiment IN-SITU

1. Úvod

Budova Národnej banky Slovenska v Bratislave bola realizovaná v rokoch 1997 - 2002. Program trvalo udržateľného rozvoja európskeho stavebníctva našiel aj v jej návrhu a realizácii odozvu v úsilí o ekologické a energeticky racionálne architektonicko-technické riešenie inteligentných budov. Dvojitá transparentná fasáda predstavuje užšiu symbiózu tvorby umelého životného - architektonického prostredia s prírodou, vyjadrenú nekonvekčným poňatím jej klimatického a energetického konceptu (napríklad možnosť prirodzeného vetrania z medzipriestoru fasády a pod.). Z hľadiska koncepcie konštrukčného riešenia jedná sa o dvojitú transparentnú fasádu s chodbovým prirodzeným fyzikálnym medzipriestorom, s celoročne otvoreným okruhom účinnej výšky totožnej s výškou jedného podlažia a s jednoduchým bezpečnostným skleným systémom aplikovaným pre vonkajšiu predsadenú stenu (Obr.1).

2. Predmet, cieľ a metodika príspevku

Predmet príspevku je prirodzený fyzikálny medzipriestor (dynamika pohybu vzduchu - prietoku je založená na prirodzenej konvekcii a účinku vetra) dvojitej transparentnej fasády chodbového typu (š = 600 mm), s vystriedanou funkciou (vstup - výstup) rozvodných kanálov vzduchu (Obr.1).

Cieľ príspevku je kvantifikácia teplotného, aerodyamického a energetického režimu prirodzeného fyzikálneho medzipriestoru dvojitej transparentnej fasády.

Metodika príspevku je experiment in-situ, teda pri zaťažení budovy skutočnými podmienkami vonkajšej klímy.

Obr.1. Skúmané fyzikálne parametre dvojitej transparentnej fasády
A1 - vertikálny rez - vstupný modul, A2 - vertikálny rez - výstupný modul, B - horizontálny rez vstupným a výstupným modulom

3. Experiment in-situ. Základné údaje, fyzikálne parametre, meracia technika

Experiment bol realizovaný na 17.NP vo výške 56,3 m. Orientácia experimentálne sledovanej časti medzipriestoru bola SW (240°). Dĺžka experimentu bola 18 mesiacov (6 mesiacov overovacia séria, 12 mesiacov vlastné meranie).

V experimente boli sledované nasledovné fyzikálne parametre (Obr.1):

A. Teplota

θ_ae - teplota vzduchu vonkajšej klímy (°C) (Obr.3),
θ_ai - teplota vzduchu vnútornej klímy (°C) (Obr.3),
θ₁ = θ_a,VSTUP - teplota vzduchu vstupujúceho do fasády (°C),
θ₂ = θ_a,VÝSTUP - teplota vzduchu vystupujúceho z fasády (°C),
θ₃ = θ_am,d1 - teplota vzduchu v dolnej časti medzipriestoru - vstupný modul (°C),
θ₄ = θ_am,d2 - teplota vzduchu v dolnej časti medzipriestoru - výstupný modul (°C),
θ₅ = θ_am,s1 - teplota vzduchu v strednej časti medzipriestoru - vstupný modul (°C) (Obr.4),
θ₆ = θ_am,s2 - teplota vzduchu v strednej časti medzipriestoru - výstupný modul (°C),
θ₇ = θ_am,h1 - teplota vzduchu v hornej časti medzipriestoru - vstupný modul (°C),
θ₈ = θ_am,h2 - teplota vzduchu v hornej časti medzipriestoru - výstupný modul (°C),
θ₉ = θ_sim,VONK,1 - teplota na vnútornom povrchu medzipriestoru - vonkajšia stena dvojitej fasády - vstupný modul (°C) (Obr.5),
θ₁₀ = θ_sim,VNÚT,1 - teplota na vnútornom povrchu medzipriestoru - vnútorná stena dvojitej fasády - vstupný modul (°C),
θ₁₁ = θ_sim,VONK,2 - teplota na vnútornom povrchu medzipriestoru - vonkajšia stena dvojitej fasády - výstupný modul (°C),
θ₁₂ = θ_sim,VNÚT,2 - teplota na vnútornom povrchu medzipriestoru - vnútorná stena dvojitej fasády - výstupný modul (°C),
θ₁₃ = θ_si,1 - teplota na vnútornom povrchu dvojitej fasády - vstupný modul (°C) (Obr.5),
θ₁₄ = θ_si,2 - teplota na vnútornom povrchu dvojitej fasády - výstupný modul (°C),

B. Relatívna vlhkosť

φ_ae - relatívna vlhkosť vzduchu vonkajšej klímy (%) (Obr.3),
φ_ai - relatívna vlhkosť vzduchu vnútornej klímy (%) (Obr.3),

C. Pohyb vzduchového prúdu

v₁ = v_m,d1 - pohyb vzduchu v dolnej časti medzipriestoru - vstupný modul (m.s^-1),
v₂ = v_m,s1-2 - pohyb vzduchu v strednej časti medzipriestoru na rozhraní vstupného a výstupného modulu (m.s^-1) (Obr.6),
v₃ = v_m,h2 - pohyb vzduchu v hornej časti medzipriestoru - výstupný modul (m.s^-1),

D. Slnečné žiarenie

I_m,v,SW - globálne slnečné žiarenie dopadajúce na vertikálnu rovinu v orientácii SW (W.m^-2),
I_m,v,p - globálne slnečné žiarenie na vertikálnu rovinu v orientácii SW prepustené predsadenou vonkajšou transparentnou stenou (W.m^-2) (Obr.7),

E. Vietor

v_w,x - rýchlosť (m.s^-1) a smer vetra (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW)

V experimente in-situ boli vyššie uvedené parametre (Obr.1) snímané a zaznamenávané:

• teplota vzduchu: θ₁, θ₂, θ₃, θ₄, θ₅, θ₆, θ₇, θ₈, θ_ai, θ_ae: tienenými snímačmi Pt 100 fy HAYASHI DENKO Co., Ltd., Tokyo, Japonsko
• teplota povrchov: θ₉, θ₁₀, θ₁₁, θ₁₂, θ₁₃, θ₁₄: snímačmi Pt 100 fy HAYASHI DENKO Co., Ltd., Tokyo, Japonsko
• relatívna vlhkosť vzduchu: φ_ae, φ_ai: prevodníkmi MWPA 12-3321423 fy SENZORIKA s.r.o., Praha, ČR
• rýchlosť pohybu vzduchového prúdu: v₁, v₂, v₃: prevodníkmi EE61-VC5 fy E+E Elektronik, Rakúsko
• globálne slnečné žiarenie: I_m,v,p, I_m,h: pyranometrami CM11 fy KIPP&ZONEN B.V., Holandsko
• vietor - rýchlosť a smer: v, (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW): meteorologickou stanicou IMS AMS 111 fy MicroStep - MIS, SR

Priebežný záznam snímaných fyzikálnych parametrov bol spracovaný meracou ústredňou AGILENT 34970A fy AGILENT TECHNOLOGIES, CA, USA.

Obr.2. Meracia ústredňa	Obr.3. Prevodník teploty a vlhkosti	Obr.4. Chránená sonda pre meranie teploty vzduchu
Obr.5. Sondy pre meranie povrchových teplôt	Obr.6. Sondy pre meranie rýchlosti prúdenia vzduchu	Obr.7. Solarimeter

4. Výsledky experimentu

Z rozsiahleho dlhodobého experimentálneho vyšetrovania fyzikálneho režimu medzipriestoru dvojitej transparentnej fasády sme pre predmetný príspevok vybrali len kritické letné obdobie (s najvyššou energetickou účinnosťou) a v ňom periódu typického pekného letného počasia (Obr.8).

Z priebehu nameraných hodnôt sledovaných fyzikálnych parametrov môžeme konštatovať:

Obr.8. Priebehy meraných fyzikálnych veličín v perióde typického pekného letného počasia

• interakcia teploty vzduchu vonkajšej klímy θ_ae (°C) a pocitovej teploty pohody θ_ai (°C) pre administratívnu prácu pri ľahkom až priemernom oblečení odpovedá projektovanému klimatickému a energetickému konceptu budovy. Pre 26 ≤ θ_ae (°C) ≤ 32 je teplota vnútornej klímy v intervale 22 ≤ θ_ai (°C) ≤ 27.
• v medzipriestore dvojitej transparentnej fasády dochádza za každého klimatického zaťaženia budovy v priebehu celého roku (aj za bezvetria) ku pohybu vzduchu - k prietoku vzduchu medzipriestorom. Táto skutočnosť je základným predpokladom správnej fyzikálnej funkcie dvojitej transparentnej fasády a svedčí o správnom aerodynamickom dimenzovaní jej medzipriestoru (celkový aerodynamický odpor).
• za bezvetria (v_w ≤ 0,5 m.s^-1) je v prirodzenom medzipriestore dvojitej transparentnej fasády vertikálne stúpajúci vzduchový prúd z konvekcie o rýchlosti 0,1 ≤ v_m (m.s^-1) < 0,3 v závislosti od teploty vonkajšej klímy θ_ae (°C) a účinku globálneho slnečného žiarenia na vonkajšiu (vertikálnu) transparentnú stenu konkrétnej orientácie I_m,v.SW (W.m^-2).
• za účinku vetra v_w > 0,5 m.s^-1 je v prirodzenom medzipriestore dvojitej transparentnej fasády pohyb vzduchu z konvekcie a vetra o rýchlosti 0,3 ≤ v_m (m.s^-1) < 1,5. Pre jeho smer je určujúce rozloženie vysoko variabilného aerodynamického koeficienta externého tlaku C_pe (-) na budovu.
• za periódy pekného letného bezveterného počasia s maximálnou teplotou vonkajšej klímy max θ_ae ≈ 30°C a účinkom globálneho slnečného žiarenia na vonkajšiu transparentnú stenu dvojitej fasády max I_m,v,SW ≈ 600 W.m^-2 je maximálna hodnota vzostupu teploty v experimentálne sledovanom prirodzenom fyzikálnom medzipriestore dvojitej transparentnej fasády max Δθ_am ≈ 25 K.

5. Záver

Dlhodobý rozsiahly experimentálny výskum poskytuje veľké množstvo nových poznatkov o teplotnom, aerodynamickom a energetickom režime prirodzených fyzikálnych medzipriestorov dvojitých transparentných fasád.

Predmetný experimentálny výskum predstavuje rovnako nenahraditeľný etalón pre odladenie dynamických simulačných programov pre numerické výpočtové experimenty tohto klimaticky závislého problému.

Poďakovanie

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

Literatúra

[1] BIELEK, B., BIELEK, M., KUSÝ, M., PAŇÁK, P. Dvojité transparentné fasády budov. 2.diel : Vývoj, simulácia, experiment a konštrukčná tvorba fasády budovy NBS v Bratislave. Coreal, spol. s r.o., Bratislava 2002.
[2] BIELEK, M., BIELEK, B., SZABÓ, D. Fyzikálny režim medzipriestoru dvojitej transparentnej fasády budovy NBS v Bratislave - experiment in-situ. STU - Stavebná fakulta, Bratislava, 2005.