Dům ze dřeva jako unikátní laboratoř

• Foto

Dům vznikl za podpory projektu Operačního programu Podnikání a inovace, program Školicí střediska, název projektu: Vytvoření odborného školicího střediska Moravskoslezského dřevařského klastru ve spolupráci s Moravskoslezským dřevařským klastrem (dnes NÁRODNÍM DŘEVAŘSKÝM KLASTREM) a RD Rýmařov a stal se stavbou, která naplnila cíl projektu, a tím bylo vybudování Výzkumného a inovačního centra zaměřeného na dřevostavby.

Dřevěný rodinný dům je doslova napěchován nejmodernějšími technologiemi, ať již z oblasti tepelné techniky, energetiky, informačních technologií a jeho parametry splňují požadavky na konstrukce tohoto typů kladené, a to nejen z hlediska konstrukčního a technologického, ale zejména z hlediska tepelné techniky a energetiky. Dům si klade za cíl představit moderní dřevěné bydlení nejen odborníkům, ale i laické veřejnosti. V rodinném domě jsou každodenně monitorovány vybrané stavebně-fyzikální a technické parametry a výsledky jsou průběžně sledovány a vyhodnocovány. Během následujících let tak bude možné sledovat chování dřevostavby v čase; dá se konstatovat, že z tohoto pohledu se jedná o unikát v České republice a výhledově i o získání unikátního přehledu ucelených souborů naměřených dat.

Vznik výzkumného a inovačního centra dřevařského klastru byl iniciován členy NDK  a zástupci Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava. Hlavním cílem projektu bylo vybudovat na půdě VŠB-TUO výzkumný objekt na bázi lehké prefabrikace dřeva za účelem jeho dlouhodobého zkoumání a monitorování. Projekt výstavby objektu byl následně rozšířen o systém inteligentního řízení budovy s možností jeho dalšího testování.

Budova výzkumného a inovačního centra má tři základní funkce:

• dlouhodobé zkoumání a monitorování objektu,
• unikátní učební pomůcka postavená v měřítku 1:1 pro potřeby studentů a pedagogů střeních a vysokých škol,
• školicí středisko pro potřeby organizace školení odborné a laické veřejnosti v oblasti stavebních konstrukcí, izolačních materiálů.

Celkové náklady na výstavbu objektu a jeho vybavení činily cca 11 mil. Kč bez DPH  Z toho náklady na stavbu dosáhly 8,2 mil. Kč a náklady na vybavení včetně strojního vybavení a měřících přístrojů cca 2,8 mil Kč. Prostředky na výstavbu byly pokryty částečně z dotačního příspěvku ve výši 5 mil. Kč z Operačního programu podnikání a inovace, program Školicí střediska. Zbylá část do výše celkových nákladů byla pokryta z mimořádných příspěvků členů klastru.

URBANISMUS A ARCHITEKTONICKÉ ŘEŠENÍ

Dvoupodlažní budova je situována v areálu Fakulty stavební VŠB TU-Ostrava, v části směřované na jih. Určený prostor je rovinatý a travnatý. Objekt výškově a tvarově nenarušuje okolní zástavbu a pultový tvar střechy s nízkým sklonem doplňuje zastřešení okolních domů. Orientací je dům směřován téměř ideálně pro potřeby solárních zisků. Vchod do objektu spolu se zádveřím, komunikačními a sociálními prostory je umístěn ze severní strany. Prostory učeben a haly směřují na jih. K tomuto účelu jsou přizpůsobeny i velikosti výplní otvorů. Fasádu tvoří kombinace nejčastěji používaných materiálů – kontaktní zateplovací systém s tenkovrstvou omítkou, provětrávaná fasáda s dřevěným obložením a provětrávaná fasáda s obkladovými fasádními deskami. Střešní krytinu tvoří plechová krytina s barevným povlakem.

Dům o rozměru 12,1 × 8,2 m a sklonem střechy 15° stojí samostatně bez podsklepení s osazením horní stavby na plovoucí železobetonové (ŽB) desce. Horní stavba domu je řešena v technologii moderní dřevostavby, využívající maximální prefabrikace stavebních dílů. Stavební pozemek tím není dlouhodobě zatížen a rychle se dostává do původní kondice.

KONSTRUKČNÍ A MATERIÁLOVÉ ŘEŠENÍ OBJEKTU 

Základy

Na základě geologického průzkumu blízko postavených stojících staveb není spodní stavba založena na sesuvném nebo poddolovaném území, na tekutých píscích nebo plastických jílech. V půdorysu stavby se nemění charakter podloží a další faktory ovlivňující stabilitu a nerovnoměrné sedání základů. Pod násypem z drceného kameniva je zemina, která má únosnost více než 100 kPa.

Spodní stavbu tvoří plovoucí ŽB monolitická deska tl. 200 mm. ŽB deska je uložena na hutněném podsypu z drceného kameniva, tl. 800 mm. Přímo pod deskou je provedena tepelná izolace z XPS polystyrenu tl. 200 mm a zhutněna na E2,def = 40 MPa. Vrstva kameniva je odvodněna drenáží a svedena do místní ležaté kanalizace. Hydroizolace je navržena ve skladbě proti zemní vlhkosti a je provedena na horním líci ŽB desky. Průzkumem bylo zjištěno nízké zatížení radonem.

Navržené výrobky, materiály a hlavní konstrukční prvky:

• Betonová konstrukce C25/30 – XC1 – S2
• Betonářská výztuž B 500 A (10 505 (R)) a KARI sítě
• Podkladní extrudovaný polystyren tl. 200 mm: Styrodur C, typ 3035 CS
• Dovolené trvalé tlakové napětí pod základovými deskami σ = 130 kPa
• Modul pružnosti E = 20 MPa
• Násyp pod základy: Drcené kamenivo, značka G2-G3, štěrk špatně zrněný, frakce 16-32, hutněné po vrstvách na E2,def = 40 MPa (ověřeno na místě zkouškou) v celé vrstvě násypu.

Horní stavba

Horní stavba domu je řešena v technologii moderní dřevostavby, používající při montáži stěnové, příčkové a stropní panelové dílce na bázi dřeva. Skladba obvodových konstrukcí je provedena v difúzně otevřeném systému s parobrzdou. Venkovní fasáda je tvořena kombinací nejčastějších zateplovacích systémů. Tvoří ji kontaktní zateplovací systém, provětrávaná fasáda s dřevěným obložením a provětrávaná fasáda s fasádními deskami. Plošná hmotnost nosných panelů nepřesahuje hodnotu 100 kg/m². Při navrhování dispozice se využívá modulové koordinace a unifikace stavebních dílů. Základním rozměrem je stavební modul šířky 600 mm. Z těchto pravidel následně vyplývají půdorysné a výškové proporce domu. Spojování je provedeno sponkovými, vrutovými a hřebíkovými spoji. Použitý stavební a izolační materiál je z přírodních produktů s důrazem na ekologii.

Stěny obvodové

Nosnou konstrukci obvodových stěn tvoří dřevěná rámová konstrukce z Ι-nosníků (60 × 300 mm, 90 × 300 mm), opláštěná z vnější strany sádrovláknitou deskou tl. 15 mm a z vnitřní strany parobrzdnou sádrovláknitou deskou tl. 15 mm. Toto opláštění přenáší horizontální a diagonální zatížení ze stropní konstrukce do úložné desky. Dutiny rámové konstrukce stěn jsou vyplněny tepelnou izolací z dřevěných vláken. Z vnitřní strany je stěna opatřena předstěnou (rám z dřevěných profilů 60 × 60 mm opláštěný sádrovláknitou deskou tl. 15 mm) opět vyplněnou tepelnou izolací z dřevěných vláken. Vnější stranu tvoří zateplovací systém z dřevovláknitých desek opatřený tenkovrstvou omítkou. Celková tloušťka obvodové stěny je 552 mm.

Stěny vnitřní

Vnitřní nosné stěny jsou z dřevěné rámové konstrukce (tl. 120 mm) a oboustranného opláštění sádrovláknitými deskami (tl. 15 mm). Rám je vyplněn tepelnou izolací z minerální plsti. Celková tloušťka stěny je 150 mm. Vnitřní dělící stěny (nenosné) jsou z dřevěné rámové konstrukce (tl. 60 mm, tl. 120 mm) a oboustranného opláštění sádrovláknitými deskami (tl. 15 mm). Rám je vyplněn tepelnou izolací z minerální plsti. Celková tloušťka stěny je 90 nebo 150 mm.

Stropy nad přízemím

Nosnou částí stropu mezi přízemím a podkrovím jsou dřevěné stropní nosníky 60 × 240 mm, na kterých je položen záklop z dřevotřískové desky 22 mm. Mezi nosníky je v tloušťce 120 mm umístěna akustická izolace z minerální plsti. Podhled ze sádrokartonových desek (2 × 12,5 mm) je přichycen do dřevěného laťování (30 × 60 mm). Konstrukce podlahy je složena z kročejové izolace, anhydritového potěru a podlahové krytiny. Celková tloušťka stropu je cca 467 mm.

Střešní konstrukce

Konstrukce střechy nad podkrovím využívá prostoru mezi dřevěnými Ι-nosníky (90 × 180 mm) k uložení tepelné izolace tl. 180 mm z dřevěných vláken. Na krokvích je v celé ploše připevněné další tepelně izolační souvrství určené pro nadkrokevní aplikace. Nad izolací je větraná vzduchová mezera a střešní laťování pro upevnění plechové krytiny. Zespodu je na krokvích zavěšený sádrokartonový podhled vyplněný tepelnou izolací z dřevěných vláken tl. 60 mm. Funkci parobrzdy zajišťuje sádrovláknitá deska s nakašírovanou folií. Celková tloušťka šikmého stropu (krovu) bez střešní krytiny je 652 mm.

ENERGETICKÁ KONCEPCE OBJEKTU

Z hlediska základních požadavků je tvarová a konstrukční koncepce řešena ve shodě se zásadami a pravidly, které jsou pro pasivní domy definovány v ČSN 75 0540-2 (2002). V níže uvedeném textu jsou popsány parametry, které byly při návrhu a realizaci zohledněny.

Celková koncepce budovy:

• tvarové řešení budovy (kompaktnost a členitost budovy) - poměr A/V v nízkých hodnotách
• maximální omezení příčin tepelných mostů v konstrukci a výrazných tepelných vazeb mezi konstrukcemi
• uspořádání vnitřní dispozice a tepelných zón s ohledem na orientaci ke světovým stranám
• volba umístění prosklených ploch fasády a jejich přiměřená velikost pro pasivní solární zisky a omezené přehřívání vnitřního prostoru

Vytápění a chlazení:

• vhodná koncepce a propojení systémů technického zařízení budovy
• účinná regulace pro snížení spotřeby energie na vytápění a chlazení
• rekuperace odváděného teplého a chladného vzduchu s využitím chlazení nočním vzduchem nebo zemním registrem a maximální omezení strojního chlazení
• u budov s vyššími prosklenými plochami zabezpečení vnitřního prostoru proti přehřívání
• využití stínících prostředků (žaluzie a slunolamy)

Tepelné charakteristiky obvodových konstrukcí:

Součinitel prostupu tepla všech obvodových konstrukcí na hranici vytápěného prostoru:

• Střešní konstrukce U ≤ 0,10 W/m².K
• Obvodová stěna U ≤ 0,10 W/m².K
• Podlaha přilehlá k zemině U ≤ 0,12 W/m².K
• Okna U_w ≤ 0,8 W/m².K
• Vstupní dveře U_w ≤ 1,2 W/m².K
• Propustnost solárního záření výplněmi otvorů: Okna g ≥ 0,5
• Průměrný součinitel prostupu tepla Uem ≤ 0,21W/m².K

Lineární činitele prostupu tepla:

• Vnější stěna navazující na další vnější konstrukci, např. základ, strop nad nevytápěným prostorem, jinou vnější střechu, střechu, lodžii, balkón, arkýř, atd. ψk ≤ 0,2 W/m.K
• Vnější stěna navazující na výplň otvoru ψk ≤ 0,03 W/m.K
• Střecha navazující na výplň otvoru ψk ≤ 0,10 W/m.K

Kvalita vnitřního prostředí a tepelná ztráta výměnou vzduchu:

Zpětné získávání tepla

• Účinnost zpětného získávání tepla z odváděného vzduchu η ≥ 85%

Spárová průvzdušnost

• Neprůvzdušnost obálky budovy ve fázi hrubé stavby n⁵⁰ ≤ 0,6 h^-1
• Neprůvzdušnost obálky budovy po dokončení stavby n⁵⁰ ≤ 0,6 h^-1

Teplotní pohoda v interiéru v přechodném a letním období

• nejvyšší teplota vzduchu v letním období θ_i ≤ 27 ˚C

Potřeba tepla na vytápění

• Měrná potřeba tepla na vytápění EA ≤ 15 kWh/m2.a

Potřeba primární energie

• Potřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů na vytápění, přípravu teplé užitkové vody a technické systémy budovy PEA ≤ 60 kWh/m2.a

TECHNICKÉ ZAŘÍZENÍ OBJEKTU

Vytápění

Systém vytápění obsahuje nadřazenou regulaci navržených tepelných zdrojů s možností využití pro výzkumné a výukové účely. Systém umožňuje měření všech potřebných veličin, toků, výkonů a tepelné energie. Výstupy MaR jsou vyvedeny na PC s grafickým zobrazením daného schématu, zvoleného zdroje i otopné soustavy. Jelikož se jedná o nízkoenergetickou stavbu, je nutno při prováděné výuce a potřebných měřeních zajistit chlazení topné vody tak, aby byl zajištěn vždy odvod přebytečné tepelné energie. Toto platí zejména při vytápění objektu zdrojem s vyšším výkonem, které se v nízkoenergetických domech zpravidla nepoužívají (plynový kotel, peletková kamna). Základním zdrojem pro vytápění objektu byl zvolen elektrický kotel.

VZT je možné používat dvěma způsoby – teplovzdušné vytápění a řízené větrání. Oboje s rekuperací odpadního tepla (koupelna, soc. zařízení) s možností sledování významu přívodního podzemního registru.

Rozvody potrubí pro vytápění a vzduchotechniku jsou v prostoru strojovny viditelné. Navíc je v prostoru strojovny provedena možnost připojení vlastního zdroje skrze komín. Pro studijní účely je možná ukázka a demonstrace vnitřního zařízení tepelných zdrojů. Mezi zdroji lze porovnat účinnost a vliv na vnitřní prostředí vytápěného objektu.

POPIS SYSTÉMU

Celkový popis systému i následující podrobné řešení navazuje na výkres schématu celkové navržené technologie. Základem zařízení je akumulátor tepelné energie o objemu 800 litrů s integrovanou funkcí chladiče topné vody při přebytku tepelného výkonu. Tepelná energie je dodávána z instalovaných tepelných zdrojů o teplotě dané využívaným zařízením. Výstup z akumulátoru je odebírán v nejnižším bodu o teplotě cca 35 °C. pomocí směšovače je možno nastavit požadovanou teplotu zpětné vody v rozmezí 35 – 65 °C.

Odvod ztrátového tepla je zajištěn pomocí trubkového tepelného výměníku osazeného ve spodní 1/3 akumulátoru. Náplň nemrznoucí kapalinou (např. 30% etylenglykol) umožní celoroční provoz venkovního chladiče o výkonu cca 12 kW s frekvenčně řízeným ventilátorem tak, aby teplota směsi při provozu nepoklesla pod 0°C.

Tepelné zdroje (elektrokotel, plynový kondenzační kotel, kotel na biomasu a tepelné čerpadlo) jsou napojeny do společného sběrného potrubí. Při výuce a provozech se předpokládá chod vždy pouze jednoho tepelného zdroje. Z tohoto důvodu je řízení teploty vstupní vody a měření tepla pro všechny zdroje společné.

Solární systém využívá (pro zjednodušení schématu) napojení do systému nemrznoucí směsi. Při měření je chladící ventilátor vypnut, v případě přebytku výkonu solárních panelů (což nastane v letním období i mimo provoz střediska) je pomocí ventilátoru zajištěn celoroční odvod přebytečného tepla a nedojde tak k přehřívání solárního systému ani akumulační nádrže.

Pro zdroj chladu pro vzduchotechniku je využito tepelné čerpadlo, chlad je odebírán z primárního systému TČ. Nemrznoucí směs o požadované teplotě je vyvedeno do chladiče VZT jednotky, snížením tepelného spádu na teplotu 3/6 °C je možno snížit v letním období teplotu vzduchu až na 12 °C a následně ohřát. Tímto způsobem lze názorné ilustrovat i odvlhčení vzduchu na hodnotu relativní vlhkosti cca 60 % při libovolných venkovních podmínkách.

Výuková sestava tepelných zdrojů:

• přímotopný elektrokotel o příkonu 6 kW
• elektrická spirála o příkonu 2 kW
• plynový kondenzační kotel o regulovatelném výkonu v rozsahu 2 – 10 kW
• automatický kotel na spalování pelet o výkonu do cca 12 kW
• tepelné čerpadlo země/voda o výkonu 6 kW
• solární systém s vakuovými trubicemi o ploše cca 4 m²

Otopné soustavy objektu:

• desková otopná tělesa dimenzována na tepelný spád 50/43 °C
• podlahové vytápění dimenzované na tepelný spád 40/35 °C
• vytápění VZT dimenzované na teplená spád 50/43 °C
• chlazení VZT dimenzované na tepelný spád 6/12 °C
• ohřev teplé vody (TV) dimenzovaný na tepelný spád 55/48 °C

Topné soustavy odebírají potřebnou tepelnou energii z horních vrstev tepelného akumulátoru, zpětná voda je vracena do akumulátoru nad úrovní vložené chladící vložky. Každý okruh je vybaven cirkulačním čerpadlem s elektronickou regulací tlakové diference a směšovačem pro nastavení požadované teploty topné vody. S ohledem na provoz TČ jsou navrženy i výpočtové parametry topných systémů. Pro vytápění objektu mimo dobu výuky se předpokládá využití naakumulované tepelné energie z výukového provozu tepelných zdrojů, popřípadě solární energií. S ohledem na navržený pasivní dům se trvalý provoz definovaného tepelného zdroje nepředpokládá (je však možný).

V roce 2013 získal objekt Cenu odborné poroty za přínos a propojení s vědou a výzkumem v rámci soutěže Stavba Moravskoslezského kraje 2012.

NÁRODNÍ DŘEVAŘSKÝ KLASTR
info@msdk.cz
www.wood-cluster.cz 

Představení NÁRODNÍHO DŘEVAŘSKÉHO KLASTRU

NÁRODNÍ DŘEVAŘSKÝ KLASTR (dříve Moravskoslezský dřevařský klastr) vznikl v roce 2005 a hmatatelných výstupů měl již na svém počátku hned několik. Teprve až experimentální dřevostavba s tepelnou laboratoří, ve které v současné době klastr sídlí, zacílila aktivity klastru právě na domy ze dřeva. Myšlenka pomoci členským firmám klastru formou možnosti reálného chování dřevěných konstrukcí vedla v roce 2010 k zahájení projektu výstavby experimentálního domu. Členové dřevařského klastru a nejen oni, tak dnes mohou v ojedinělé budově demonstrovat svým zákazníkům výhody a možnosti dřevostaveb, vybavených jejich technologiemi.

„Zvenčí je to obyčejný domek, který byste našli v katalogu člena Dřevařského klastru RD Rýmařov, ale když se podíváte dovnitř, zjistíte, že se o klasický dům nejedná. Jedná se vlastně o laboratoř, ve které řešíme dvě oblasti výzkumu.  První je měření a monitorování konstrukce objektu a druhá je jeho energetika. Myšlenka na stavbu tohoto domu vznikla v roce 2010 a od začátku jsme měli jasno v tom, že bychom chtěli objekt vybavit tím nejlepším, co tehdy nabízel trh v oblasti vytápění a regulace. Již tehdy jsme se chtěli pustit do experimentu, který bychom normálně v rámci klasické výstavby nerealizovali. Jedná se opravdový unikát, ve kterém je skloubeno několik technologií různých výrobců. Obal je od RD Rýmařov, ale uvnitř již najdete prvky od našich partnerů, například systémy CETRIS nebo VELOX. Objekt je doslova prošpikován čidly a sondami uvnitř zdí, ať už viditelnými nebo skrytými. Dokážeme měřit prakticky vše, co se týká chování budovy a její konstrukce. Další čidla jsou umístěna pod plovoucí základovou deskou, která v roce 2012 byla naprostým unikátem v oboru dřevostaveb. Dokážeme monitorovat sesedání konstrukce. Dá se říci, že data, která nám tento dům poskytuje, se dají vyvážit zlatem. Využili toho i členové klastru, kteří na základě naměřených hodnot modifikovali své produkty,“ vysvětluje výkonný manažer NDK Jan Poledník.

Objekt umožnil například poprvé v reálu změřit vlhkosti v konstrukcích. Všichni pracují s teoretickými modely, na kterých prezentují, že v dřevěných konstrukcích nedochází ke srážení a kumulaci vody. NDK se podařilo poprvé reálně zmonitorovat, že je to pravda. Prokázalo se, že teoretické výpočty byly pravdivé. Na počátku se jednalo o ojedinělý projekt. Dnes již například zmiňovaný RD Rýmařov instaluje po dohodě s klienty na nových stavbách další čidla, aby mohlo své stavby dále monitorovat. „Více se ale zaměřují na vnitřní klima a neměří hloubkové procesy v konstrukcích. Ukazuje se, že tlak na pasivní bydlení sice vytváří úspory energií, ale negativně se projevuje právě na vnitřním klimatu stavby. Při pořízení takovéto dřevostavby je de facto nutnost instalovat do něj nucené větrání, rekuperační jednotky apod.,“ pokračuje Poledník.

Druhou devizou objektu, a v tom je skutečným unikátem, je instalace laboratoře tepelné techniky. Jde vlastně o to, že v objektu byly instalovány veškeré možnosti vytápění, které v době vzniku stavby trh nabízel. Najdeme zde například elektro kotel, plynový kotel, peletkový kotel nebo tepelné čerpadlo. „To vše dokážeme ovládat pomocí inteligentního systému, jež dodala společnost SIEMENS. Dům si sám hlídá vnitřní prostředí, které reguluje podle dat snímaných meteorologickou stanicí na střeše. Sám si svítí, sám si například stíní,“ vysvětluje Poledník.

Myšlenka vybudovat tepelnou laboratoř v inteligentním módu vzešla z potřeby ukázat studentům Stavební fakulty VŠB-TUO, jaké technologie existují. „Dotáhli jsme to ale do extrému. Takto si dům rozhodně nikdo nevybaví. Součástí laboratoře je dvoukubíková akumulační nádrž s vodou, ve které je možné teplo skladovat. Jednotlivým návštěvníkům tak můžeme ukázat, jakou účinnost mají jednotlivé zdroje, následně teplo „vybít“ a připravit budovu pro ukázku další skupině,“ dodává Poledník.   

Autor

• (red)