Konstrukce a monitoring první veřejné školy v USA v pasivním standardu
První veřejná škola v USA v pasivním standardu (K-12) byla dokončena v listopadu 2010. Certifikaci pasivního domu od amerického Passivhaus Institutu (PHIUS) získala v únoru 2011. Celý vývoj projektu byl poměrně dlouhý, takže jej představíme pouze v krátkosti s ohledem na zaměření našeho serveru. Článek uvádíme v překladu s laskavým svolením autora.
1 Historie projektu
První veřejná škola v USA v pasivním standardu (K-12) byla dokončena v listopadu 2010. Certifikace pasivního domu od amerického Passivhaus Institutu (PHIUS) byla získána v únoru 2011. Celý vývoj projektu byl poměrně dlouhý, takže jej představíme jen v krátkosti.
Obr. 1: Budova CEED
Centrum pro energeticky efektivní navrhování (CEED – Center for Energy Efficient Design) vzniklo v roce 2002 díky pedagogům Johnu Richardsonovi a Neilu Sigmonovi jako rozšíření Centra Leonarda A. Gereaua pro aplikovanou vědu a profesní průzkum (The Gereau Center). Projekt CEED se představil jako ukázka spojení energeticky efektivních a trvale udržitelných principů návrhu, jako výukový model pro přírodní vědy, pokrokové výukové metody, architekturu a stavební systémy. CEED měl fungovat jednak jako výukové zařízení pro středoškolské studenty v Gereauově centru a jednak jako názorná ukázka použití environmentálních principů pro vlastníky domů, stavitele a projektanty. Toto nové výukové centrum bylo zamýšleno jako ukázkový projekt pro jihozápadní Virginii a středoatlantickou oblast, otevřené okolním školám, současně měly být na internetu zveřejňovány aktuální měřená data aj. informace k objektu pro vzdálenou výuku.
První finanční podporu objekt dostal v roce 2003. Peníze byly použity na zpracování koncepčního návrhu od místní univerzity (Virginia Polytechnic). V této fázi projektu bylo stanoveno, že se má jednat o „energeticky efektivní“ budovu, ale nebylo nijak definováno, jak má být tohoto cíle dosaženo. V roce 2004, po té, co byl dokončen prvotní koncept, projekt ochabnul. Do projektu již bylo vloženo cca 8 mil. Kč, ale neexistoval žádný plán, jak koncept realizovat. Na počátku 2007 učitelé kontaktovali naši společnost, aby zjistili, zda bychom jim dokázali nějak pomoci. Doslechli se o nás od jednoho jejich studenta, jehož rodič je naším zaměstnancem. Na první schůzce nám učitelé sdělili, jaká je jejich vize „budovy, která učí“ a my jsme se dobrovolně nabídli ujmout se dalšího vývoje projektu bezplatně.
Původně jsme doporučovali řešení, kdy je objekt překryt zeminou, protože se již v minulosti prokázalo, že takové řešení přispívá k úspoře energie cca 40 %. V tom okamžiku jsme ještě neznali princip pasivního domu. Také jsme doporučovali zahrnout do projektu zásady certifikace LEED (Leadership in Energy and Environmental Design). Naše společnost poté zpracovala projektovou dokumentaci a rozpočet stavby. Navíc k již vloženým financím investovala naše firma 3 mil. Kč a vybrala příspěvky ve výši 2 mil. Kč. Chybělo nám přibližně dalších 8 mil. Kč na to, abychom mohli zahájit stavbu. Oblastní školní inspektor seznámil školní radu s konceptem projektu a s rozpočtem a na počátku roku 2008 projekt získal od školní rady finanční prostředky potřebné na výstavbu. Právě v tomto období jsem absolvoval školení týkající se pasivních domů. Přišli jsme za školním inspektorem s návrhem ušetřit dalších 30 % energie a konečným cílem se stala snaha o vytvoření domu s energetickým přebytkem, protože se naskytly finanční prostředky pro lokální výrobu energie. Reakce školního inspektora byla jednoznačná, tuto variantu je možné realizovat, ale nesmí to stát víc peněz, než kolik již poskytla školní rada. Po důkladných analýzách jsme se rozhodli pro upravené řešení, které splní kritéria pasivního domu a navíc bude o 500 000 Kč levnější než byl původní návrh. Získali jsme souhlas k provedení upraveného řešení a tak se dokončila finální dokumentace a došlo k zahájení výstavby.
Od prvního koncepčního návrhu až po dokončení realizace uplynulo 7 let, ale prokázalo se, že návrh i skutečnost podnítily zájem v celém regionu a objekt je na dobré cestě stát se „budovou, která učí“.
2 Popis projektu
Obr. 2: Technologické schéma
Od počátku se předpokládalo, že CEED bude fungovat jako výukový prostor pro studenty životního prostředí a současně jako praktická ukázka dlouhodobě udržitelné budovy. Budova jako systém a výsledky z monitoringu chování budovy budou sloužit pro podporu výuky celé místní oblasti.
Jedná se o malou budovu, s upravenou podlahovou plochou 283,7 m2, postavenou ze dřeva a betonu. Hodnoty tepelného odporu R, součinitele prostupu tepla U a měrné potřeby tepla jsou následující:
| Součinitel prostupu tepla U [W/m2K] | |
|---|---|
| Podlaha na terénu | 0,144 |
| Betonové stěny | 0,170 |
| Stěnová rámová konstrukce s cihelným zdivem | 0,69 |
| Stěnová rámová konstrukce s ETICS a s okny | 0,134 |
| Stěnová rámová konstrukce s ETICS bez oken | 0,125 |
| Severní střecha | 0,084 |
| Jižní střecha | 0,095 |
| Měrná potřeba tepla na vytápění [kWh/m2a] | 12 |
| Měrná potřeba tepla na chlazení [kWh/m2a] | 4 |
| Měrná potřeba primární energie [kWh/m2a] | 102 |
| Celková průvzdušnost obálky budovy [h−1] | 0,6 |
Okna se ukázala jako výzva, protože místní výrobce oken nabídl, že daruje pro stavbu dřevohliníková okna s izolačním dvojsklem. Tato okna sice vyhovovala pro původní návrh, který předpokládal budovu překrytou terénem, ale měla nedostatečné parametry pro pasivní dům. Když jsme s výrobcem oken probrali požadavky na parametry oken, upravili ve výrobně jiný již existující produkt – plastové okno s izolačním trojsklem. Požadované hodnoty součinitele prostupu tepla pro pasivní dům tato okna sice nedosáhla, ale dostala se dostatečně blízko. S určitými modifikacemi jak standardního okna, tak jeho způsobu zabudování do konstrukce, jsme byli schopni dosáhnout uspokojivých výsledků ověřených praktickými zkouškami. Parametry oken jsou následující:
| Solární faktor g | 0,542 |
| Ucog [W/m2K] | 0,77 |
| Uf [W/m2K] | 1,63 |
| Ψ – vliv zasklívací spáry [W/mK] | 0,045 |
| Ψ – vliv zabudování [W/mK] | 0,050 |
Návrh zahrnoval nejen principy pasivního standardu; ukazují se v něm i další principy trvale udržitelné výstavby. Vodovodní potrubí obsahuje armatury snižující spotřebu vody, umožňuje zpětné využití šedé vody, potrubí je netoxické, sbírá se dešťová voda pro další vyžití. Díky tomu všemu se ušetří 80 % oproti spotřebě vody standardní budovy. Součástí jsou také ukázky recyklovaných, místních, udržitelně získávaných a netoxických materiálů. Elektrický systém obsahuje zařízení s nízkou spotřebou energie, využívá se denního světla, provádí se kontrola počtu osob a lokální výroba elektřiny. Princip pasivního chlazení je zajištěn prostřednictvím speciálního okenního prvku a byly instalovány též mobilní stínicí elementy. Velká část střechy je řešena jako zelená, při návrhu střešní zeleně byly využity původní suchomilné a léčivé rostliny. Projekční tým se snažil uplatnit udržitelnost ve všech ohledech. Momentálně se snažíme o získání platinové certifikace LEED.
Dalším cílem projektu bylo posunout americkou stavební technologii o krok dál a vytvořit materiály a systémy, které by mohly sloužit vyvíjejícímu se americkému trhu s pasivními domy. Několik pokroků bylo v této oblasti učiněno, včetně rekuperace tepla, oken a regulačních systémů.
Objekt je postaven v mírném smíšeném vlhkém klimatu – počet denostupňů (vytápění): 62 kKh/a, počet denostupňů (chlazení): 16,6 kKh/a. Objekt je umístěn v nadmořské výšce přibližně 320 m a nachází se ve venkovském prostředí.
3 Komplikace technologického řešení pasivního domu
Budova má velmi proměnlivou obsazenost. Povětšinou je budova užívána jedním vyučujícím a 24 studenty. Avšak s ohledem na svůj zamýšlený účel demonstračního projektu objekt také umožňuje pojmout skupiny až o 100 osobách, které mohou budovu využít k prohlídkám a různým akcím. Bylo nutné objekt vymodelovat s tímto velmi proměnlivým využitím, abychom se ujistili, že budova bude správně fungovat za všech podmínek. Vzhledem k tomu, že se jedná o první pasivní budovu veřejné školy v USA, nemohli jsme připustit, aby byl tento demonstrační projekt pro uživatele nekomfortní, a to ani po krátkou dobu. Americké budovy jsou obvykle udržovány ve velmi omezeném rozsahu komfortu vnitřního prostředí ve všech klimatech ve všech ročních obdobích kvůli používání výkonných vytápěcích a chladicích systémů. Tato budova musela zajistit tuto v USA obvyklou úroveň komfortu, protože jsme usoudili, že už nemusíme dostat druhou šanci prokázat funkčnost pasivního domu skeptické odborné veřejnosti. Proto jsme budovu vymodelovali s nejhorším možným scénářem, tj. s obsazeností 100 osob uprostřed léta, s vysokou vlhkostí, abychom určili zátěž vzduchotechnického systému. Zjistili jsme, že za většiny podmínek bude budova vyžadovat jen minimální dodávku tepla či chladu, ale při nejhorším návrhovém stavu jsme potřebovali okolo 8,8 kW chladu, abychom vyrovnali citelné a latentní teplo z osob v objektu. Vytvořili jsme dvoustupňovou strategii pro vytápění a chlazení budovy, která bude popsána později.
Dalšímu problému jsme čelili u rekuperační jednotky. Malá rekuperační jednotka americké výroby by zvládla zátěž CO2 po většinu provozní doby objektu, ale v době s vyšší obsazeností by byl vyžadován mnohem větší objemový průtok vzduchu. Komplikací bylo, že velkokapacitní rekuperační jednotka s vysokou účinností a proměnlivým průtokem vzduchu nebyla v době přípravy projektu v USA k dispozici. V Evropské unii sice takové zařízení existovalo, ale my jsme byli nuceni školní radou používat pouze zařízení a materiály z USA. Obrátili jsme se proto na výrobce nejúčinnější rekuperační jednotky v USA, abychom s ním probrali možnosti jako např. zapojení několika jejich menších jednotek v sérii. Během diskuze sdělil inženýr této společnosti našemu týmu, že pracují na prototypu rekuperační jednotky určené pro komerční zařízení založené na jejich stávající technologii. V následných rozhovorech bylo dojednáno, že naše společnost zafinancuje vývoj prototypu, který bude poté použit pro objekt CEED. V průběhu následujících 9 měsíců tým vyvinul jednotku s proměnným průtokem vzduchu v rozmezí 340–3400 m3/h s předpokládanou účinností 90 %. Měření za provozu v objektu ukazují, že při malých objemových průtocích vzduchu se účinnost dostává až k 95 %.
4 Přehled technologických systémů
Obr. 3
Technologická zařízení zahrnují rekuperační jednotku s rotačním výměníkem, s proměnlivým průtokem vzduchu a s dvoustupňovým systémem vytápění a chlazení. Prvním stupněm je předehřev, resp. předchlazení a částečné odvlhčení zajišťované výměníkem voda-vzduch na přívodu do rekuperační jednotky. Tepelný výměník voda-vzduch umožňuje cirkulaci vody ze solárního ohřevu i ze solankového zemního okruhu. Druhým stupněm je dvoustupňové zemní tepelné čerpadlo (výkon 10,6 kW) pro případ, kdy tepelná zátěž dosáhne úrovně, kdy je vyžadováno dodatečné chlazení. Uvažovalo se o použití vysoce účinného malého tepelného čerpadla typu „split“ pro druhý stupeň chlazení. To by ušetřilo téměř 500 000 Kč, ale protože na trhu nebyla žádná jednotka tohoto typu vyrobená v USA, školní rada se rozhodla pro zemní tepelné čerpadlo vyrobené v USA. Na tepelné čerpadlo jsme instalovali hygrostat kvůli možné vysoké vlhkosti v letním provozu; ačkoliv to bylo spíše preventivní a naše analýzy naznačovaly, že to zřejmě ani nebude potřeba. Navíc jsme rekuperační jednotku vybavili automatickým senzorem, který řídí letní bypass a jeho úkolem je snížit teplotní a vlhkostní zisky ve vlhkých měsících. Naše výpočty udávají, že v den, kdy je teplota 32 °C a relativní vlhkost 70 %, by měl být systém v prvním stupni s teplotou média cirkulujícího na přívodu ve výměníkovém okruhu voda-vzduch 15,5 °C schopen odebrat okolo 8,8 kW latentního tepla a 5,9 kW citelného tepla. Instalovali jsme teplotní a vlhkostní senzory pro posouzení přesnosti naší výpočetní metodiky.
Řídicí systém se ukázal jako problematický. Cena za integrované řízení tohoto druhu systému vyrobené v USA byla neúměrně vysoká, takže byl vybrán jednoduchý řídicí systém. Rekuperační jednotka je jednoduše řízena čidlem CO2 se 4 přednastavenými úrovněmi průtoku. Dále jsme osadili dva digitální termostaty, jeden pro řízení tepelného výměníku voda-vzduch a druhý pro řízení tepelného čerpadla. Mohli jsme použít jeden termostat, ale běžné americké termostaty nepočítají se třemi úrovněmi v chladicím režimu, což znamená, že bychom nemohli použít oba dva stupně tepelného čerpadla, což by bezpodmínečně vedlo k větší spotřebě energie. Termostaty jsme sesynchronizovali a naprogramovali teplotní rozdíl 1,1 °C mezi stupněm 1 a 2. Je zajímavé poznamenat, že za 4 měsíce provozu budovy (listopad–únor) byl stupeň 1 (solární teplo dodané do objektu větracím vzduchem) natolik dostačující, že druhý stupeň zatím vůbec nebyl použit.
Když jsme kontaktovali výrobce řídicího zařízení kvůli automatickému řízení stupně 1, zařízení bylo oceněno na 300 000 Kč, což bylo nad rámec našeho rozpočtu, takže stupeň 1 vytápění a chlazení je řízen automatickým regulátorem domácí výroby, které vyrobil autor a jeho kamarád za méně než 5 000 Kč – celková cena za jednotlivé komponenty. Regulátor řídí čerpadla a ventily s následující logikou:
- 1. Setrvat v okruhu, dokud termostat nedá pokyn k vytápění nebo chlazení
- 1.1. Pokud dá termostat pokyn k topení, má se udělat toto:
- 1.1.1. Pokud je venkovní teplota vyšší než (teplota média v zemním okruhu *a* teplota v zásobníku solárního ohřevu), nedělej nic
- 1.1.2. Pokud je teplota média v zemním okruhu vyšší než (venkovní teplota *a* teplota v zásobníku solárního ohřevu), spusť cirkulaci zemního okruhu
- 1.1.3. Pokud je teplota v zásobníku solárního ohřevu vyšší než (venkovní teplota *a* teplota média v zemním okruhu), spusť cirkulaci okruhu ze solárního ohřevu
- 1.2. Návrat k bodu 1, volba termostatu
- 1.3. Pokud dá termostat pokyn k chlazení, má se udělat toto:
- 1.3.1. Pokud je venkovní teplota nižší než teplota média v zemním okruhu, nedělej nic
- 1.3.2. Pokud je teplota média v zemním okruhu nižší než venkovní teplota, spusť cirkulaci zemního okruhu
- 1.4. Návrat k bodu 1, volba termostatu
- 1.1. Pokud dá termostat pokyn k topení, má se udělat toto:
- 2. Rozmrazovací režim:
- 2.1. Pokud je teplota venkovního vzduchu nižší než −11 °C a zásobník solárního ohřevu má teplotu rovnou nebo vyšší 37,7 °C, spusť cirkulaci solárního ohřevu
- 2.2. Pokud je teplota venkovního vzduchu nižší než −11 °C a zásobník solárního ohřevu má teplotu nižší než 37,7 °C, spusť cirkulaci odběrného okruhu.
V tomto projektu bylo instalováno několik monitorovacích zařízení technologického systému, aby byla dostupná data ze skutečného chování systému a aby regulace byla upravena tak, aby byl zajištěn optimální provoz systému.
5 Monitorovací systém
V prosinci 2010 projekt získal grant od Virginia Department of Mines, Minerals and Energy na instalaci monitorovacího systému pro okamžité měření uveřejňované na internetu. Celkem bude umístěno 44 měřicích bodů pro sledování chování budovy a systémů. V době psaní tohoto příspěvku byly komponenty objednány a netrpělivě jsme očekávali jejich doručení a instalaci. Měřená data budou pak uveřejňována v reálném čase na internetu, takže bližší analýzu chování budovy si může provést jakýkoliv zájemce o problematiku nebytových budov.
6 Lokální výroba energie
Jako součást grantu od Virginia Department of Mines, Minerals and Energy budeme instalovat vertikální axiální větrnou turbínu a tři nové fotovoltaické (PV) systémy. Ty doplní tradiční větrnou turbínu a tři malé PV zařízení realizované již v rámci původního projektu. Až budou tato zařízení osazena, budova se stane objektem s přebytkem energie, vyrábějícím významně více energie, než kolik sám spotřebuje. V době přípravy tohoto příspěvku spotřebuje denně v průměru 16 kWh energie (listopad–únor).
7 Závěr
První veřejná škola v USA v pasivním standardu prošla dlouhou přípravou, ale čas a energie, které to zabralo, stály za to. Díky monitoringu získáme informace o chování nebytové budovy ve smíšeném vlhkém klimatu v reálném čase.
Upraveno dle doporučení recenzenta
The first public school in the U.S. in the passive standard (K-12) was completed in November 2010. Passive house certification from the American Passivhaus Institute (PHIUS) was received in February 2011. The whole development project was quite long, so it is presented only briefly with the focus of our server. Article is provided in translation with the kind permission of the author.