Inteligentní skleněné fasády

Středa, 19. Únor 2003 - 7:17
| Napsal:

Slovo „ inteligentní „ znamená dynamickou, téměř živou schopnost fasády přizpůsobit se měnícím se denním podmínkám nebo podmínkám ročních období, aby se dosáhlo snížení spotřeby primární energie v budově. Skleněná fasáda může být označena skutečně jako „ inteligentní „ jen tehdy, když využívá přírodních obnovitelných zdrojů energie, jako je energie slunce či větru, vzduchových proudů nebo vody či země jako zdroje tepla, aby zabezpečila požadavky na budovu, pokud jde o vytápění, chlazení a osvětlení.

Je možno uplatnit široký rozsah opatření na úsporu energie, jako je přirozené větrání, noční chlazení, přirozené osvětlení, vytvoření nárazníkových zón a podobně. To předpokládá intenzivní vzájemné působení mezi fasádou a budovou. Například aero- a termodynamické chování budovy je nutno studovat z toho důvodu, že při přirozeném větrání jsou vzduchové proudy v meziprostoru fasády a v budově závislé na síle větru a na komínovém efektu. Pro tento účel jsou prováděny počítačové simulace, testy s modely budov v aerodynamickém tunelu a s modely ve skutečné velikosti ve volném prostoru. Pro simulace se často používá počítačová metoda Matematické modelování proudění tekutin / CFD – Computational Fluid Dynamics /, která může prostřednictvím proudění například plynu vizuálně demonstrovat rychlost, teplotu a intenzitu vzduchových proudů. V aerodynamických tunelech se provádějí další testy, jež jsou závislé na relativně složité výrobě přesných a měřitelných modelů.

Aby se účinně využilo opatření pro úsporu energie, znamená to, že celková energetická koncepce se musí vyvíjet ve stádiu navrhování, aby se dosáhlo efektivní interakce mezi fasádou, okolím a systémy budov. Vzrůstající komplexnost projektového úkolu může být úspěšná jen tehdy, jestliže se při plánování zaujme celkový postoj, tj. mezioborová spolupráce mezi architekty, plánovateli fasád a inženýry – poradci.


Při projektování skleněných fasád se používá velkého množství různých zařízení, které slouží na jedné straně ke snížení tepelných ztrát a na druhé straně k zabránění nežádoucímu zvýšení teploty způsobenému slunečním zářením v létě. Rozsah možností a kombinací jednotlivých opatření je možno zhruba rozdělit do několika kategorií. První a hlavní kritérium je počet skleněných tabulí v projektu – termíny zde používané jsou jednoplášt‘ové fasády a mnohoplášt‘ové fasády. Druhým kritériem je poloha stínícího zařízení proti slunci. Existují jednoplášt’ové fasády s vnějším nebo vnitřním stínícím zařízením, nebo s integrovaným stínícím zařízením vestavěným do meziprostoru mezi skleněnými tabulemi. V případě mnohoplášt‘ových fasád je to například větraný meziprostor mezi tabulemi skla a nebo u dvouplášt‘ových fasád je obvykle zařízení na ovládání slunečního záření umístěno mezi skleněnými plášti.

Fasády s druhým pláštěm jsou jak v estetickém, tak i ve funkčním ohledu zajímavým vývojovým pokračováním typologie fasád v posledních letech. Hlavním znakem fasád s druhým pláštěm je umístění druhého pláště před vlastním vnějším pláštěm, aniž by se znemožňovalo přirozené větrání. Zpravidla je tento druhý plášt‘ zavěšen jako nenosný prvek přes jedno až dvě podlaží. Ve srovnání s jednoplášt‘ovými fasádami mají tyto fasády značně zlepšené zvukové i tepelně izolační vlastnosti a umožňují přirozené větrání i v místech s velkou rychlostí větru.

Společným znakem těchto systémů je ovlivňování funkčních vlastností fasády podle toho, zda je meziprostor rozdělen v horizontálním nebo vertikálním směru a nebo v obou směrech. To se týká především protipožární a protihlukové ochrany. Má to však významný vliv i na způsob a ovladatelnost větrání v meziprostoru pláště.

Z konstrukčního hlediska představuje typ dvouplášt‘ové fasády sestavený ze „ skříňových oken „ nejnákladnější variantu, neboť meziprostor je rozčleněn jak horizontálně podle podlaží, tak vertikálně v podobě šachet. Každý okenní prvek představuje uzavřenou jednotku, která z hlediska techniky větrání není ve spojení se sousedními prvky. Každá jednotka ve fasádě má vlastní otvory pro přívod a odvod vzduchu, přičemž nebezpečí smísení přiváděného a odváděného proudu vzduchu se může omezit úhlopříčným uspořádáním větracích otvorů. Předností tohoto typu fasády je vyřešení stavebně-fyzikálních problémů, jako je ochrana proti požáru a hluku, protože poloha vertikálních i horizontálních dělících prvků je vázána na prostory umístěné za fasádou. Z tohoto důvodu je tento typ pláště hodně používán. Na rozdíl od nesegmentovaných fasád s druhým pláštěm a od šachtových fasád je proudění vzduchu v meziprostoru fasády na základě termického vztlaku velmi omezeno, a proto je třeba pamatovat na dostatečně dimenzované větrací otvory, aby se zabránilo problémům s přehříváním. Existuje zde možnost uzavřít meziprostor před venkovním vzduchem, čímž vzniká „ nevětraný „ prostor s dobrou tepelnou izolací, což je pozitivní právě v chladném období – a především v noci.

Snížení nárazů větru přidáním další tabule skla znamená, že je možno otevírat okna i v nejvyšších patrech budovy. Dvouplášt’ová fasáda snižuje tepelné ztráty, protože snížená rychlost proudění vzduchu a vyšší teplota vzduchu v meziprostoru snižují intenzitu přenosu tepla na povrchu skla. Na jeho vnitřní straně se udrží vyšší teplota povrchu, takže prostoru blízko okna je možno lépe využít v důsledku zlepšených teplotních podmínek.

Počítačové simulace ukázaly, že přirozenou cirkulací vzduchu se může odvést až 25 % tepla, které vzniklo v meziprostoru ze slunečního záření.

Provedení dvouplášt’ové fasády z hlediska způsobu zasklení nabízí různé kombinace, které mohou mít velmi odlišné funkční vlastnosti : 1. Jednoduché zasklení vně a uvnitř. Tento způsob konstrukce fasády se zpravidla navrhuje u nárazníkových fasád, zimních a skříňových oken. 2. Jednoduché zasklení vně a izolační zasklení uvnitř. Umístění teplotní oddělovací roviny na vnitřní straně dvouplášt’ové fasády umožňuje proudění venkovního vzduchu v meziprostoru bez ohledu, že bychom museli počítat s nárůstem tepelných ztrát. Tato konstrukce se může navrhovat u všech variant fasád s druhým pláštěm. 3. Izolační zasklení vně a jednoduché zasklení uvnitř. Umístění teplotní oddělovací roviny na vnější straně dvouplášt’ové fasády umožňuje, aby se při mechanickém větrání meziprostoru ohřátým vzduchem z místností zachovaly tepelné ztráty i při nízké venkovní teplotě na nízké úrovni. Tento způsob konstrukce fasády se navrhuje u větracích fasád administrativních budov, které stojí na místech se silnými emisemi a nebo se silným větrem. Z tohoto důvodu se bezprostřední přívod venkovního vzduchu jeví jako málo efektivní. 4. Izolační zasklení vně a uvnitř. Tato konstrukce fasády představuje specifickou formu a z hlediska ovladatelnosti výměny vzduchu se na ni můžeme dívat jako na kombinaci nárazníkové fasády, větrací fasády a fasády s druhým pláštěm.

Dalším důležitým faktorem je způsob ovládání výměny vzduchu u dvouplášt‘ových fasád, neboť zajišt’ují bezprostřední výměnu vzduchu mezi exteriérem a interiérem : 1. Dvouplášt’ová fasáda s uzavřeným vnějším pláštěm. Tato varianta fasády představuje zvláštní formu, u které je vzduch mechanicky přiváděn větracím systémem do prostoru mezi plášti. Častým důvodem pro navrhování tohoto systému je poloha budovy v blízkosti hlavních dopravních komunikací s velkým množstvím emisí a hluku. 2. Dvouplášt’ová fasáda se stálým větráním. Tato varianta představuje z konstrukčního hlediska nejmenší nároky, neboť není třeba ve zvláštní míře dbát na hustotu větracích otvorů ve vnějším plášti a ani instalovat do fasády nákladné ovládací mechanismy. 3. Dvouplášt’ová fasáda s ovladatelným větráním. Tato varianta představuje systém, ve kterém je prostor mezi plášti vzduchotechnicky uzavřen a vzniká podobně jako u nárazníkové fasády nevětraný prostor s dobrou tepelnou izolací, což je výhodné pro chladné roční období a noc. Současně se výrazně zlepšuje ochrana proti hluku.

Ačkoliv tedy existuje několik způsobů zasklení dvouplášt’ových fasád, v praxi má vnější plášt‘ nejčastěji podobu jednoduchého zasklení. Vnitřní plášt‘ bývá sestaven z transparentních, matných či potištěných izolačních skel, která jsou zakomponována do posuvných, sklopných či otočných okenních křídel, případně s elektromotoricky ovladatelnými nadsvětlíky. Do zasklení mohou být integrovány holograficko-optické prvky / HOE /, systémy denního osvětlení na principu prismatického skla či fotovoltaické články, které zabraňují přehřátí slunečním zářením, rozvádějí rozptýlené denní světlo do místnosti a vyrábějí energii.Tradiční ochrana proti slunečnímu záření v podobě rolet,skleněných a metalických žaluzií či metalické tkaniny může být integrována přímo do izolačního skla okenních prvků a nebo je umístěna v prostoru mezi plášti. Vnější plášt‘ bývá většinou sestaven pouze z transparentních či potištěných desek nebo lamel z bezpečnostního lepeného skla / VSG /. I v tomto plášti mohou být integrovány systémy, které řídí, odklání denní světlo do místnosti a vyrábějí energii. Lamely lze elektromotoricky natáčet až do úhlu 70° od svislé roviny, neboť slouží k větrání prostoru mezi plášti.
Vedle těchto osvědčených systémů se poslední dobou stále více uplatňují v této oblasti nové multifunkční prvky, které umí „ inteligentně „ reagovat na okolní podmínky a jsou výsledkem poměrně nového odvětví, které se nazývá nanotechnologie.

Nanotechnologie předpokládá změnu skupenství v materiálu. V nanometrickém měřítku / 1nm = miliontina milimetru / - jako chemická sloučenina nejtitěrnějších částic – projevují běžné látky jako kovy, keramika, sklo nebo polovodiče naprosto odlišné vlastnosti od vlastností, které u nich známe, jsou – li v normálním pevném skupenství. Z kovů se mohou stát polovodiče nebo barevné pigmenty, keramika může být transparentní nebo sloužit jako elektrické vodiče a sklo lze přeměnit na lepivý materiál. Nanočástice projevují fyzické jevy, jež se u výrobků v normálním pevném skupenství nevyskytují. Výroba těchto nových materiálů probíhá většinou metodou sol – gel, tj. variantou anorganické syntetické chemie umožňující vytváření nanočástic s regulovatelnými vlastnostmi povrchu.To je totiž nezbytnou podmínkou pro vývoj nových kompozitních materiálů a povlaků tvořených nanostrukturou, které se vyznačují mimo jiné i samočistícím efektem.

Jedním ze zajímavých cílů současnosti je vývoj jednoplášt’ové inteligentní fasády, která by plně nahradila dvouplášt’ovou fasádu, neboť by byla schopna automaticky regulovat přenos tepla podle podmínek prostředí. Jedním z prvních prvků na trhu, které by mohly vyhovovat tomuto účelu, je elektrochromické sklo. Stupeň zabarvení skla určuje množství světla a sluneční energie, které pronikají do místnosti. Zasklení pláště se přizpůsobuje měnícím se vnějším podmínkám v průběhu dne. Pomocí metody kapalného nátěru lze nanášet povlaky s optickou kvalitou, které mají specifické vlastnosti právě díky nanočásticím obsažených v jejich struktuře. Potahy zůstávají průhledné, protože částice nerozptylují světlo. Pro izolační účely je nutná další látka vychylující světlo a tepelně izolující. Vrstvy chránící proti teplu snižují množství tepla procházejícího elektrochromickým oknem na minimum. Intenzita zabarvení se může nastavit individuálně a nebo v rámci existujícího systému řízení budovy.Oproti tradičnímu zasklení, které je opatřeno ochranou proti slunci, je možno při slabším slunečním záření zesvětlením skla omezit a oddálit použití umělého osvětlení. Zabarvování i odbarvování probíhá bezhlučně a pomalu. Vizuální kontakt zůstává vždy s okolím plně zachován.

Další oblastí vývoje jsou skla s termochromickými, plynochromickými i elektrooptickými povlaky. Vedle úsilí zaměřeného na sklo se výzkum orientuje i na materiály z plastů. Fluoropolymerový materiál etylentetrafluoretylen / ETFE / prokázal v tomto ohledu nejlepší účinky. Jeho extrémně nízká hmotnost, vysoká propustnost světla, skvělá chemická odolnost vůči kyselinám a zásadám, relativně dlouhá životnost a téměř naprostá recyklovatelnost z něj tvoří nejcennější a nejhospodárnější materiál. Lze předpokládat, že plasty v nedaleké budoucnosti díky materiálovému výzkumu nahradí sklo a dojde k uskutečnění pláště s mnohonásobným výkonem , který by byl schopen dynamicky regulovat tok energie. Polyvalentní plášt‘ bude složen z mnoha vrstev, využívajících samoregulační ovládací mechanismy, poskytující tepelnou izolaci, ochranu proti slunci, rozvod světla, a současně vyrábějících nutnou elektrickou energii, potřebnou pro funkci těchto systémů. Plášt‘ stále měnícího se vzhledu, ne nepodobný kůži chameleona, se pak stane skutečně inteligentní fasádou.

Výsledky výzkumu v tomto směru jsou důležité zvláště v souvislosti se současnými tendencemi v architektuře. Architekti i inženýři již několik desetiletí používají počítače ke zvýšení produktivity, k řešení zdánlivě neřešitelných problémů a v neposlední řadě i pro prezentace návrhů a projektů. Avšak teprve v poslední době se využívá počítačové technologie nejen jako nástrojů, ale jako inovativních zařízení, schopných vytvářet nové ideje v navrhování a zcela neočekávané formy pro svět staveb a prostoru. Nová generace architektů budov, struktur a urbanistických forem reaguje na zájem o teorii chaosu, fraktální geometrii a na zrychlující se vývoj v ostatních oblastech, především v nanovědě, molekulární biologii, materiálovém inženýrství a informatice. Opět definují chápání architektury a urbanismu v současné realitě. Prolínáním idejí s tvarem, reálným i virtuálním, vznikají hybridní prostory, které jsou výzvou pro současné chápání prostoru architektury a času. Objevil se pojem digitální architektura.

Jedním z mnoha tvůrců, kteří razí cestu tomuto stylu architektury a urbanismu podporovanému akcelerujícím růstem nových softwarů a technik počítačového programování, at‘ už jsou odvozeny od digitální animace, či složitých, komplexních algoritmů, je i nizozemský architekt Kas Oosterhuis / viz. Obrázek vývojové etapy návrhu Pavilonu Floriade v Hoofddorpu s pláštěm z proměnlivého zasklení. Pravidla výrazu objektu stanoví designér - programátor, 2001 – 2002 /.

V současné době nejsou k dispozici takové technologie, které by z pohledu konstrukčního a materiálového dokázaly uspokojivě naplnit výše zmíněné představy architektů, designérů a inženýrů.Z tohoto důvodu dochází k aplikaci konstrukčních systémů a materiálů převážně ze 60. let 20. století na realizování těchto nových architektur, ovšem v jiném významu a ve vyšší technologické kvalitě. Nepochybně sem patří i další vývoj v oblasti inteligentních plášt’ů.

Kombinace skla a jiných materiálů, jako jsou polykarbonátové plástvové struktury, gely, tekutiny a plyny, dosud neřekly ve vývoji nových produktů poslední slovo a je velmi pravděpodobné, že tvořivá kombinace několika z nich vytvoří základ pro příští generace navrhování ze skla. Určitě prostřednictvím pokrokům ve vývoji v oblasti nanotechnologie bude možné, aby plyny, tekutiny nebo elektrický proud procházely uvnitř „ skleněné pokožky „ od jedné strany budovy k druhé a pohybovaly se bez ohledu na denní či roční dobu. Tato „ kůže „ se bude měnit podle ročních období a změní se v silnou kůži, která v sobě uchová teplo.Skleněná vlákna vytvoří mnohonásobné vrstvy a stavby se pak budou spíše podobat rostlinám, připomínajíce tvar cibule s mnoha slupkami, nebo listům stromu absorbujícím energii ze slunce. Cílem je vytvořit stavby, které budou vyhovovat přírodním cyklům našeho světa.

Psáno pro časopis ERA 21

Ing. arch. Miloš Florián, nar. 1958, pedagog na FA ČVUT Praha. Zajímá se o inteligentní budovy a nové technologie. Výběr odborných článků : Časopis Architekt 13 / 1997,1 až 8 / 1998, 13 – 14 / 1998, 22 / 1998, 1 / 2001, 2 / 2001, 3 / 2001. Časopis Stavba 3 / 1999.

Klíčová slova: