Dostavba a rekonstrukce školní budovy ZŠ Slivenec
1. Úvod
V roce 2007 jsme v ateliéru zpracovávali návrh na energeticky pasivní stavbu mateřské školky a tělocvičny ve Slivenci (v současné době je vydáno stavební povolení a na stavbu mateřské školky probíhá výběr dodavatele) a návrh na propojení celého komplexu, kde mateřská školka i tělocvična bude součástí areálu stávající základní školy. Na jeden z pavilónů základní školy bylo v té době vydáno stavební povolení na dostavbu a rekonstrukci. V rámci našeho návrhu jsme vzali dostavbu tohoto pavilónu na vědomí, pro studii jsme ho architektonicky poupravili a sjednotili s návrhem celku. Z celé akce, i když jsme s tím na počátku nepočítali, jsme nakonec jako první dostali zadáno přepracovat projekt dostavby a rekonstrukci tohoto pavilónu na energeticky úspornou budovu dle našich architektonických úprav. Projektové práce proběhly v roce 2008 a v roce 2009 byla budova dostavěna a zrekonstruována.
2. Rekonstrukce a dostavba
2.1. Popis budovy
Budova je z roku 1968. Má dvě nadzemní a jedno technické podzemní podlaží. Je zděná z plynosilikátových tvárnic s plochou střechou. V roce 1996 byla budova rekonstruhována a v přízemí byla po rozšíření půdorysu zřízena školní jídelna a kuchyně. Přístavba byla provedena z pórobetonových tvárnic a zastřešena tak, aby umožňovala dostavbu v druhém patře. V patře byly před dostavbou pouze kabinety a sborovna. V suterénu je plynová kotelna zásobující teplem celý areál školy.
Obr. 1 Původní stav budovy
Dostavbou se užitná plocha zvětšila v patře o dvě nové učebny a další kabinet. Budova byla propojena v patře můstkem - chodbou se sousedním školním pavilonem.
2.2. Energetický audit
Energetický audit zpracovaný společností EkoWATT CZ s.r.o. vyhodnotil dvě možné varianty rekonstrukce. První varianta uvažovala s rekonstrukcí dle principů pasivních domů, to znamená se zateplením na vyšší než doporučené hodnoty, s výměnou všech oken s nadstandardní tepelně izolační výplní a s instalací řízeného větrání s rekuperací.
Druhá varianta uvažovala s běžnou rekonstrukcí, to znamená s doporučeným zateplením, ponecháním oken vyměněných v roce 2000 a bez instalace řízeného větrání vzduchu.
| Varianta 1 | Varianta 2 | |
|---|---|---|
| Spotřeba energie na vytápění | 30,6 GJ/rok | 135,7 GJ/rok |
| Náklady na úsporná opatření | 4484,09 tis. Kč | 2263,98 tis. Kč |
| Potenciál energetických úspor v porovnání se stávajícím stavem | 249,5 GJ/rok tj. 53,52 tis. Kč/rok | 144,4 GJ/rok tj. 30,97 tis. Kč/rok |
| Úspora energie | 89 % | 52 % |
| Průměrný součinitel prostupu tepla U | 0,25 W/(m2K) | 0,44 W/(m2K) |
| Klasifikační ukazatel prostupu tepla obálkou budovy | B úsporná budova | C1 vyhovující budova |
Porovnání variant
Reálná doba návratnosti byla vyhodnocena u obou variant za hranicí životnosti navrhovaných opatření. V současné době, a lze tento trend předpokládat i do budoucna, dochází k ročnímu zvýšení cen energie o cca 10%. Z ekonomického hlediska při započítání 10% nárůstu cen energií vyplývá, že dojde ke zkrácení doby návratnosti navrhovaných opatření v případě varianty 1 na 26 let (prostá návratnost) a 39 let (diskontovaná návratnost). V případě varianty 2 na 23 let (prostá návratnost) a 33 let (diskontovaná návratnost).
Ekonomicky tedy varianty vycházejí přibližně podobně, ale variantou 1 získáme kvalitativně lepší standard díky řízené výměně vzduchu, kterou v případě školských zařízení považujeme za klíčový. Vyhláška 410/2005 Sb. o hygienických požadavcích na prostory a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých říká, že v učebnách musíme zajistit 20 - 30 m3/hod čerstvého vzduchu na jednoho žáka. Toho bez řízené výměny vzduchu v současném stavebním standardu (těsná okna atd.) nelze dosáhnout. V závěru popíšeme malý experiment, který jsme v realizované stavbě provedli, a který tento předpoklad prokázal.
2.3. Rekonstrukce podle principů pasivního stavění
Základním vylepšením energetických parametrů budovy bylo dosaženo mimoděk tím, že se dle plánu dostavělo pro nové učebny patro budovy. Tím došlo ke zkompaktnění objemu, kdy původní parametr A/V = 0,59 se zlepšil na 0,49.
Obr. 2 Příčný řez
Stěny
Stávající obvodové stěny i nové stěny dostavby byly zatepleny kontaktním způsobem minerální vatou v tloušťce 240 mm. Minerální vata byla zvolena z požárních důvodů.
Soklové části byly zatepleny deskami EPS PERIMETR tl. 140 mm v šířce desek, tj. 150 mm nad terén a 1100 mm pod terén.
Střecha
Střecha byla zateplena celulózovou foukanou izolací.
Stávající střechy byly očištěny až na nosnou část, na betonové panely. Na ně byly položeny pásy parozábrany na bázi SBS modifikovaného asfaltu. Nosnou část střechy dostavované části tvoří ocelové profily IPE 200 uložené na obvodovou a vnitřní nosnou zeď. IPE profily byly uloženy už ve spádu nové střechy.
Na nosnou konstrukci původní i dostavované části pak byly uloženy dřevěné I vazníky výšky 300 mm vymezující dutinu pro vyfoukání celulózovou izolací. Dutina je shora uzavřena hydrofobizovanými dřevovláknitými deskami, které tvoří ve střeše pojistnou hydroizolační vrstvu a překrývají tepelné mosty dřevěných I vazníků. Nad dostavovanou částí je dutina zespodu uzavřena deskami OSB 3. Ty mají přetmelené a parotěsnými páskami přelepené spáry a napojení na ostaní obvodové konstrukce a tvoří tak parobrzdnou a vzduchotěsnou vrstvu skladby střechy.
Na této tepelně izolační části střechy jsou uloženy krokve, jež tvoří provětrávanou mezeru ve střešním plášti a zároveň vynášejí přesahy střech. Na nich je záklop a souvrství vegetační střechy.
V interiéru je střešní konstrukce zakrytá akustickými podhledy dle požadavků akustické studie.
Podlahy
Část domu je podsklepena, část domu stojí na terénu. V části na terénu bylo upuštěno od dodatečného zateplování. To by bylo v tomto případě značně neefektivní. Příslušné větší stavební zásahy (vybourání podlah) do funkční jídelny a kuchyně, vybudované před 15 lety, by nebyly v tomto případě finančně odůvoditelné.
Strop suterénu podsklepené části byl zateplen foukanou tepelnou izolací do dutiny spuštěného SDK podhledu. V něm byly skryty veškeré rozvody instalací. Před tímto samotným zateplením stropu byly ještě stěny suterénu v pruhu o šířce 1000 mm od stropu zatepleny EPS deskami pro přerušení tepelných mostů, které tyto stěny tvoří.
Okna
Budova měla a má poměrně velké prosklené plochy dané funkcí školní budovy. Redukce velikosti otvorů u výukových prostorů nebyla z hygienického hlediska žádoucí. Naopak u sboroven a kabinetů byla redukce možná proto okna byla zmenšena o 20% své plochy. Kvalitnější výplně otvorů při takto velkém poměru oken vůči stěně měly zásadní význam pro snížení energetické náročnosti budovy.
Okna byla vyměněna za dřevěná s rámem 92 mm, zasklená izolačním trojsklem. Velké okenní plochy byly členěny na otevíravé a neotevíravé části. Ne všechny části oken je potřeba otevírat a snížením množství otevíravých částí se okenní výplně zlevní a zároveň zmenšíme množství problematických míst spojených s otevíravými okny - těsnění, kování atd. Z architektonického hlediska byla okna členěna individuálně a otevíravé části byly odlišeny jinou barevností.
Okna byla osazena do úrovně izolace. Před nosnou část stěny byly rámy vyneseny pomocí ocelových úhelníků. Zvýšená pozornost byla věnována parotěsnému a vzduchotěsnému napojení okenních rámů na stěny. V případě rekonstrukcí nejsou okenní otvory vyzděny čistě a okenní těsnicí pásky musí být zatlačovány do hrubé omítky. Pro minimalizaci tepelných mostů v místě napojení okenních rámů a pro čistotu provedení bylo olepeno vnější ostění deskami XPS překrývajícími okenní rámy. Rámy jsou tedy do izolace zapuštěny.
Obr. 3 Osazení oken
Součinitelé prostupu tepla jednotlivých konstrukcí
| Stěny | 0,12 - 0,15 W/(m2K) |
| Střecha | 0,10 - 0,13 W/(m2K) |
| Podlaha na terénu | 0,58 W/(m2K) |
| Podlaha nad suterénem | 0,14 W/(m2K) |
| Okna | 0,80 W/(m2K) |
| Dveře | 1,40 W/(m2K) |
Vzduchotěsnost
Dosažení přijatelné vzduchotěsnosti bylo v případě této budovy obtížné. Dotěsnění vnější obálky budovy při osazování oken a dveří nebo v dostavované části bylo relativně bezproblémové pomocí standardních pomůcek jako těsnicí pásky atd. V budově bylo ale množství původních instalací a prvků, které se zachovávaly, jako například stávající komíny suterénní kotelny, a které nebylo možné dokonale dotěsnit. Výsledný Bloower Door test naměřil průvzdušnost obálky n50 = 0,84/hod. Tato hodnota nesplňuje podmínky pasivního standardu, v nízkoenergetickém je ale víc než dostatečná.
Vytápění a vzduchotechnika
V suterénu budovy je plynová kotelna vytápějící celý areál školy. Z tohoto důvodu bylo bezpředmětné uvažovat o využití zdrojů obnovitelné energie. Navíc nejpřirozenější způsob, jakým je ohřívání teplé vody termickými solárními kolektory je u školní budovy problematické, protože v době jejich největšího výkonu jsou letní prázdniny.
Místnosti jsou dotápěny deskovými radiátory. Původní radiátory i rozvody byly demontovány a nahrazeny úspornějšími, odpovídajícími změněné potřebě a s potřebnou regulací.
Přízemí budovy, kde byla a je kuchyně s jídelnou, mělo již před rekonstrukcí vzduchotechnické větrání se strojovnou v suterénu. Zde byly stávající VZT jednotky vyměněny a vzduchotechnické rozvody upraveny. V patře byla vzduchotechnika nově přidána. Přívod a odsávání vzduchu jsou vždy na protilehlé straně třídy. Na přívodu i odvodu jsou osazeny uzavírací klapky ovládané ze třídy. V případě, že nejsou ve třídě žáci, není třída provětrávána. Rozvody do jednotlivých učeben a kabinetů zůstaly přiznané. Ve stávajících prostorách by bylo obtížné rozvody zakrývat a proto jsme je využili jako výtvarného prvku, který má zároveň edukační účel.
Obr. 4 Interiér, rozvody VZT
Stínění, ozeleněná střecha
Jižní fasádu budovy bylo nutné opatřit stínícími prvky pro zabránění přehřívání v letním období. Stínící prvky mají souvislost s vnějším architektonickým pojednáním budovy a navazují na architekturu navrhované mateřské školky a tělocvičny. Základním prvkem je mírně pultová ozeleněná střecha s výraznými římsami. Ta je v jižní části přetažena před budovu a podepřena rastrem dřevěných sloupů šikmých kolmo na střechu. Okna horního patra jsou stíněná touto přetaženou střechou, okna spodního patra pak vloženým vodorovným dřevěným rastrem uloženým na sloupy podpírající střechu. Stínící prvky tak netvoří na vnější obálce domu tepelné mosty.
Prvky ozeleněných střech podepřených šikmými sloupy jsme zopakovali i na vstupních přístřešcích.
Ozeleněné střechy mimo estetické funkce a funkce ochrany střech proti teplotním výkyvům, mají též význam jako prvek zpomalující odtok dešťových vod a přispívají k lepšímu mikroklimatu zastavěného místa. Proto, kde je to možné a má to smysl, je navrhujeme, jako v tomto případě.
Obr. 5 Vstup, slunolam
3. Závěr
Při rekonstrukci starší budovy, pokud nejde o totální rekonstrukci, je obtížné dosáhnout standardu pasivní budovy. Bývá zde mnoho překážek, v našem případě např. nemožnost dodatečně zateplit budovu ve styku s terénem nebo zajistit doporučenou vzduchotěsnost při zachování stávajících technických rozvodů. I když se u této budovy nepodařilo dosáhnout parametrů pasivního domu, výsledek ukázal, že aplikace principů pasivního stavění má smysl. V našem případě se původní potřeba energie na vytápění se snížila z 203 kWh/(m2a) na 21 kWh/(m2a), to jest o 89 % a zásadně se díky řízenému větrání zlepšila kvalita vnitřního prostředí.
Obr. 6 Budova po rekonstrukci
4. Experimentální zkouška kvality vnitřního prostředí
Koncentrace CO2 ve vzduchu je vhodným indikátorem vydýchanosti vzduchu ve vnitřních prostorách. Přestože je oxid uhličitý neviditelný a bez zápachu, je jeho zvýšená úroveň zřejmá, protože dochází k únavě a k poklesu schopnosti koncentrace. V prostorách s větším množstvím lidí, jako jsou například školy, je negativní dopad zvýšené koncentrace CO2 ve vzduchu velmi patrný.
Ve venkovním prostředí je koncetrace CO2 přibližně 450 ppm, optimální koncentrace ve vnitřním prostředí je 700 - 800 ppm. Dle norem má být v obytném prostoru koncentrace CO2 maximálně 1000 ppm. Vyšší koncetrace už přináší únavu a ospalost. 5000 ppm je maximální bezpečná koncentrace bez zdravotních rizik.
Po dokončení stavby 18.12 2009 byla ve školní budově uspořádána tisková konference, která stavbu představila. Během ní byla měřena koncentrace CO2. Na začátku konference byla naměřena hodnota 550 ppm. Při vypnuté vzduchotechnice se koncentrace CO2 při přítomnosti cca 15 osob ve třídě po 50 minutách dostala na již neměřitelné hodnoty nad 2000 ppm (na grafu je křivka na této hodnotě ustálená neboť měřidlo s vyššími hodnotami nepočítalo, ale lze předpokládat že koncentrace nadále stoupala). Poté bylo zapnuto řízené větrání vzduchu a koncentrace CO2 se kontinuálně snížila a ustálila na hodnotě 750 ppm.
Zkouška názorně ukázala, že při současném stavění, kdy jsou budovy stále více těsné (a je to žádoucí, protože nedochází k nekontrolovatelným únikům tepla, už nelze ponechat větrání budov na subjektivní potřebě otevírat a zavírat okna individuálně.
Obr. 7 Průběh měření koncentrace CO2
5. Literatura, podklady
(1) Zpráva o energetickém auditu budovy. Správní pavilón Základní školy Slivenec, Ke Smíchovu 16, 154 00 Slivenec, EkoWATT cz, březen 2000
(2) Vyhláška 410/2005 Sb. o hygienických požadavcích na prostory a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých. Ministerstvo zdravotnictví v dohodě s Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy a Ministerstvem práce a sociálních věcí.
In 2007 we worked on the design for a energy passive construction for the nursery and gyms in Slivenec and a proposal to link the entire complex, where the nursery and the gym would be part of the already existing school site. A building permit was issued at the time for the completion and renovation of one of the pavilions of the elementary school. Within our design, we considered the completion of this pavilion and we included it in the architectural study of the whole design. Even though we were not counting on it, in the end, we got the first commission to revise the project for the completion and reconstruction of this pavilion, so it would become an energy efficient building according to our architectural modifications.