Možnosti dosažení zdravého vnitřního prostředí v budovách s téměř nulovou spotřebou energie
Dosažení kvalitního a zdravého vnitřního prostředí v budovách s velmi nízkou potřebou energie znamená holistický přístup od počátečního návrhu budovy po její provoz. Tento přístup k návrhu také vyvolává potřebu holistického přístupu k měření/hodnocení stavby, a to jak z pohledu kvantitativních ukazatelů, tak kvalitativních.
Úvod
Aktivní dům znamená holistický přístup k domu jako celku a jeho vlivu na okolní prostředí i jeho obyvatele s ohledem na to, že se snažíme hledat budoucí standardy a požadavky ve třech oblastech energetické efektivitě, kvalitním vnitřním prostředím a ohleduplnost k životnímu prostředí. Požadavky na jednotlivé parametry domu z těchto tří základních hledisek jsou podrobně rozpracovány ve Standardech aktivního domu [1] a to jak v požadavcích kvantitativních, tak kvalitativních.
Parametry a hodnocení aktivního domu
Obr. 1 Konceptuální diagram metody celostního hodnocení – tečkovaná čára definuje minimální požadavek pro kvantitativní a kvalitativní aspekty [2]
Na základě stanovení parametrů souboru metod hodnocení jsou tyto hodnotící parametry sestaveny do matice, která definuje, kvantitativní a kvalitativní aspekty.
„Active House Radar“
Obr. 2 Radar obecně definovaného aktivního domu
Tento grafický model ukazuje, jak jsou všechny parametry v rámci každého hlediska vůči sobě vyváženy. Radar také ukazuje, že aktivní dům závisí na aktivním výběru každého parametru.
MIMA
Výzkumný projekt MIMA (Monitoring, dotazování, měření a analýza) se zaměřuje na způsob hodnocení objektů. Projekt bude hodnotit výsledky domu z pohledu energie, vnitřního klimatu a životní prostředí ve vztahu k uživatelům. Zkušenosti domácnosti s bydlením v domě po dobu jednoho roku, od měření energetické spotřeby a výroby energie, která vyplývá z chování uživatelů a obdobně dotazování a pozorování rodiny s ohledem na jejich názor a zkušenosti s životem a provozováním domu.
Home for Life (HFL) – Experiment č. 1
Aarhus, (DK), dokončeno 2009, druhý rok monitorování 2011
První experiment – rodinný dům (obr. 3) – je výsledkem mezioborového projektu, který spojuje požadavky na energetickou úspornost, pohodlí a vizuální dojem v holistický celek tak, aby se tyto parametry vzájemně doplňovaly a maximálně zvyšovaly kvalitu života v domě i jeho okolí.
Na základě 2. roku provozu a hodnocení domu byl přehodnocen „Active House Radar“ pro tento objekt (obr. 4).
Obr. 3 HFL (VKR 2010)
Obr. 4 Active House Radar HFL
Energetická efektivita
Z pohledu energetické efektivity hodnotíme u aktivních domů celkovou spotřebu domu včetně energie na osvětlení, domácí spotřebiče a provoz domu. Užitná plocha objektu je 190 m2, 2 stálí obyvatelé.
| Sloupec 1 | Výpočet (BE 01) [kWh/m2/rok] | Naměřené hodnoty 2. rok [ kWh/m2/rok ] | Naměřené hodnoty 2. rok – normalizované [kWh/m2/rok] |
|---|---|---|---|
| Celková spotřeba energie | −9,4 | −6,5 | −25 |
Přestože spotřeba energie v domě byla vyšší než predikovaná, dům splňuje požadavky aktivního domu na pokrytí provozu domu z obnovitelných zdrojů.
Vizuální komfort
Vysoké požadavky na komfort v aktivním domě (viz Standardy aktivního domu [1]) jsou v tomto návrhu zohledněny 40% podílem prosklené plochy vůči podlahové ploše s automaticky řízeným venkovním stíněním. Uživateli je tento vizuální komfort hodnocen velmi kladně.
Větrání
Obr. 5 Principy přirozeného větrání v „Home for Life“ (VKR 2010)
V HFL se používá přirozené větrání jako jediná forma větrání v letních měsících. Během přechodných období na jaře a na podzim je využíván hybridní systém větrání, kde je v provozu buď mechanické, nebo přirozené větrání v závislosti na teplotě venkovního vzduchu, takže je dosaženo maximálního komfortu při nejnižší spotřebě energie. V zimě je používáno přirozené větrání jako doplněk k mechanickému větrání se zpětným získáváním tepla. Pro maximální snížení spotřeby energie, lze spustit větrací systém pouze v potřebné zóně, pokud jedna nebo více zón vyžadují hybridní pomoc. Otevírání okenních otvorů je řízeno automaticky a princip „strategie větrání“ je vidět na obrázku 5, kde větrací otvory pro přirozené větrání byly nedílnou součástí návrhu budovy už v počáteční fázi.
V létě je přirozené větrání řízeno na základě dat – pokojové teploty, koncentrace CO2 a hodnoty relativní vlhkosti a údajů z meteorologické stanice. Tyto parametry mají vliv na stupeň otevření oken. Otevření se vypočítává z požadovaného průtoku vzduchu (max), klimatických dat, atd. Uživatel může zvýšit nebo snížit frekvenci větrání. Pokud není potřeba chlazení, ale je zaznamenána vysoká hodnota CO2, řídicí systém zvolí krátké intenzivní provětrání domu. Případně může uživatel zadat „nárazové“ intenzity větrání ve stanovených intervalech. Jak již bylo uvedeno, část okenních otvorů, v tomto případě pro zamýšlené použití přirozeného větrání je již od počáteční fáze projektu. Umístění větracích otvorů eliminuje riziko vloupání a systém může fungovat v prázdném domě a v noci, když je noční chlazení součástí strategie větrání. Umístění a provedení otvorů vidět na obrázku 6.
Obr. 6 Rozmístění oken pro automaticky řízené přirozené větrání (VKR 2010)Výsledky měření kvality vnitřního prostředí v HFL
Metoda
Vnitřní klima je hodnoceno podle normy EN 15251 a následující měření je dle téhož standardu. K dispozici jsou výsledky měření teploty v místnostech, hodnoty koncentrace CO2 a relativní vlhkosti vzduchu ve všech 11 zónách budovy (na hodinové úrovni). K dispozici jsou také výpočty v BSIM 2002. [3]
Tab. 2 Vysvětlení jednotlivých kategorií kvality vnitřního vzduchu (na základě: EN 15251).
Z tabulky 2 je zvoleno mikroklima kategorie II, ve které lze klima označit za dobré. Vzhledem k tomu, že HFL je především přirozeně větraná budova a slouží k bydlení, kde se obyvatelé mohou snadno individuálně přizpůsobit vnitřnímu prostředí např. vhodným oblečením a ručnímu ovládání systémů byl zvolen práh tolerance až 5 %.
Tepelná pohoda – naměřené hodnoty vybraných místností
Měření byla hodnocena v souladu s normou EN 15251. Období probíhajícího měření bylo od 1. 11. 2010 do 31. 10. 2011.
Obývací pokoj s kuchyní
Obr. 8 Naměřené hodnoty teploty v obývacím pokoji s kuchyní
Z obr. 8 je zřejmé, že místnost je v souladu s kategorií II. V tomto případě jde celkově o 4,3 % (< 5 %), kdy místnost nesplňovala požadavek kategorie II. Při pohledu pouze na přehřívání místnosti je 96 % hodin v kategorii I.
Obr. 7 Umístění monitorované místnosti v rámci objektu
Obr. 9 Procentuální podíl kdy se obývací pokoj nachází v jednotlivých kategoriích
Obr. 9 potvrzuje výše uvedený trend a současně ukazuje, že k přehřívání dochází hlavně v zimě, na jaře a na podzim, kdy předsazená markýza nebrání „nízkému slunci“.
Ložnice orientovaná na východ
Pouze tato místnost vykazuje odchylku od ostatních místností, které sledují výše uvedený trend.
Obr. 11 Naměřené hodnoty teplot ložnici
Obrázek ukazuje, že obecně po většinu doby je vnitřní prostředí v kategorii I (91,4 % hodin v roce), ale 5,4 % z hodin v roce je mimo kategorii II. Je třeba poznamenat, že tento prostor slouží jako ložnice rodičů, a nachází se přímo nad technickou místností, kde je umístěn solární zásobník. K přehřátí dochází především na jaře a počátkem léta. V neposlední řadě je také důležité si uvědomit, že jen tato místnost není vybavena automaticky řízeným přirozeným větráním. Tento nedostatek má nepochybně negativní dopad tepelnou pohodu v místnosti.
Obr. 10 Umístění monitorované místnosti v rámci objektu
Obr. 12 Procentuální podíl kdy se ložnice nachází v jednotlivých kategoriích
Kvalita vzduchu – naměřené hodnoty vybraných místností
V následující části jsou uvedeny výsledky měření koncentrace CO2 ve vnitřním ovzduší. Výsledky jsou uvedeny pro stejné místnosti, které také byly předmětem předchozího hodnocení.
Obývací pokoj s kuchyní
Obr. 13a Procentuální podíl v jednotlivých kategoriích (Obývací pokoj)
Obr. 13b Naměřené koncentrace CO2 (ppm) v monitorovaném období (Obývací pokoj)
Ložnice orientovaná na východ
Obr. 14 Procentuální podíl kdy se místnost nachází v jednotlivých kategoriích (východní ložnice)
Obr. 15 Naměřené koncentrace CO2 (ppm) v monitorovaném období (východní ložnice)
Stejně jako při předchozím hodnocení tato místnost vykazuje odchylku od ostatních místností.
Naměřené koncentrace CO2 v domě jsou obecně horší, než vypočítané. Důvodem je možná menší intenzita větrání v zimním provozu (mechanické větrání). Zároveň je třeba poznamenat, že celková průměrná hodnota v průběhu roku ve většině pokojů je 850 ppm. Tato průměrná hodnota je stále poměrně nízká. Jak je popsáno níže – a co je důležitější, obyvatelé se také nezmínili o nepohodlí, které by šlo přičíst nadměrné úrovni CO2, takže celkově lze považovat výsledek za přijatelný, i když počáteční požadavek splnit kategorii II nebyl naplněn.
Relativní vlhkost
Obr. 16 Relativní vlhkost, měřeno podle EN 15251
V projektu nebyla provedena simulace relativní vlhkosti. Nicméně měření (hodinové hodnoty) proběhlo pro všechny pokoje. Na obrázku 16 jsou prezentovány výsledky těchto měření. Všechny ukazují, že prostor vyhoví kategorii III, a obecně se nachází cca 90 % času v kategorii II. Z hlubší analýzy naměřených hodnot vyplývá, že většina hodin v kategorii III je mezi hodnotami 60 až 70% relativní vlhkosti, a že pro daný prostor je méně než 2 % hodin v roce, vlhkost pod 25 %, což je uspokojivé.
Hodnocení obyvatel domu
Obyvatelé byli požádáni, aby každý měsíc sepsali podstatné poznatky o svých zkušenostech s bydlením v domě. Tyto poznámky jsou ve formě deníku. Kromě těchto časosběrných deníků je zde také souhrnné hodnocení spokojenosti uživatelů.
Obyvatelé vyjádřili celkovou spokojenost s životem v domě. Hodnoty přirozeného osvětlení (bez umělého osvětlení během dne – a to ani při zatažené obloze) byly hodnoceny jako největší benefit domu. Velmi kladně hodnotili i kvalitu vnitřního vzduchu. Nicméně, jak se prokázala i měření, problémy byly s udržením dostatečně nízké teploty, především v časných jarních měsících. Tento problém byl řešen úpravou automatického nastavení venkovního stínění. Obyvatelé také popisují problémy s nastavením při přechodu ze „zimního režimu“ na „letní režim“ při určitých teplotách. Obyvatelé vykazovali silný zájem na tom, jak se má dům „chovat“ v různých denních dobách, i během celého roku. Místy nastala nespokojenost s některými stínicími prvky, kdy čas od času docházelo k oslnění od velkých oken. Dům také neumožňoval úplné zatemnění. Jak obyvatelé popsali, bylo v době uvedení domu do provozu důležité poradenství v oblasti automatizace a návštěvy dodavatele v domě. Seznámení obyvatel s fungováním systému bylo velmi důležité pro jejich schopnost provozovat a užívat dům. Význam toho se odráží ve spokojenosti obyvatelů s budovou, která z velké části pramení z jejich znalostí systémů a provozu, a zároveň vychází z možnosti, kdy sami uživatelé mají možnost si systémy přizpůsobit. Zdá se, že spokojenost s domem roste s časem, kde se také odráží větší vhled do domu a vyšší stupeň adaptace a integrace mezi systémem a obyvateli. Takže, i přes počáteční potíže, zejména v prvním roce provozu se dá konstatovat, že v tomto případě byl projekt úspěšný, bylo dosaženo dobré interakce mezi obyvateli a domem, a že tato interakce nebyla na úkor domu nebo uživatele. Zůstává otázka délky období potřebného k uvedení domu do optimálního nastavení, a v neposlední řadě skutečnost, že obyvatelé projevili velký zájem o možnosti systémů. Zde je stále otázkou, zda všichni budoucí uživatelé mají dostatečné znalosti, aby pochopili dopady svého chování na spotřebu domu a kvalitu vnitřního prostředí v domě.
Závěr
Je povzbudivé vidět, že je možné získat zdravé vnitřní klima v budově s pozitivní energetickou bilancí. Cíl postavit budovu v aktivním standardu lze na základě měření považovat za úspěšný. K dosažení tohoto cíle bylo nicméně potřeba období těsně cca 1 rok, než došlo k celkové optimalizaci. Lze to považovat za dlouhou dobu u malé stavby typu rodinného domu. Jak ukázala měření, HFL je velmi tepelně citlivý na změny v intenzitě dopadajícího slunečního záření zejména v jarních měsících. Hybridní systém větrání se v domě osvědčil. Místnosti s možností využití komínového efektu vykazovaly lepší výsledky jak z pohledu tepelného komfortu, tak koncentrace CO2. Automaticky řízené přirozené větrání také vykazovalo lepší výsledky, než místnosti s mechanickým větráním ovládaným uživateli. Otázkou také stále zůstává finanční náročnost staveb splňující předpokládané parametry budoucí legislativy po roce 2020.
Literatura
- [1] ACTIVE HOUSE ALLIANCE, Active House – Specification 1st. Edition, 2011, www.activehouse.info
- [2] Gitte GYLLING1, Mary-Ann KNUDSTRUP, Per K. HEISELBERG, Ellen K. HANSEN, Holistic Evaluation of Sustainable Buildings. ASHRAE Transactions, 2011
- [3] ESBENSEN, Villa Velfac\7_Beregninger, Rapporter\06_Energi\2. års målinger, 2012
Achieving quality and healthy indoor environment in buildings with very low energy consumption means a holistic attitude from the initial design of the building to its operation. This attitude to design also raises the need for a holistic attitude to the measurement / evaluation of the structures, both in terms of quantitative indicators and qualitative.