Inteligentní lehké obvodové pláště

Uvažujeme-li o termínu „lehký obvodový plášť“ čistě z hlediska technického jako o fasádní konstrukci s nízkou měrnou hmotností do cca 100 kg/m2, pak můžeme mluvit o třech odlišných konstrukčních systémech. 

• Pláště sestavené z fasádních tepelněizolačních panelů upevněných obvykle na ocelový skelet a používané především na halové objekty.
• Pláště montované na místě z ocelových tenkostěnných profilů, tepelněizolační výplně, vnějšího krytí obvykle z cementovláknitých desek a vnitřního krytí ze sádrokartonových desek doplněných parotěsnou fólií. Známé jsou pod označením SFS – steel framing system.
• Plně nebo částečně prefabrikované prosklené pláště sestavené z kovových (nejčastěji hliníkových) profilů doplněných skleněnými výplněmi, tepelněizolačními panely a otevíravými prvky.

Z hlediska terminologického a podle zavedených pravidel se za lehké obvodové pláště považují právě a jen prefabrikované prosklené fasádní pláště především z hliníkových profilů s přerušením tepelného mostu.

O těchto konstrukcích bylo uveřejněno několik článků již v minulosti. Nyní se zaměříme na technické možnosti, jak modifikovat lehký obvodový plášť, propojit jej se systémem řízení budovy a tím snížit celkovou spotřebu energií nutných pro provoz budovy.

Pasivní způsoby úspory energie jsou v podstatě dva. Jde o snížení součinitele prostupu tepla U_cw [W/m²K], které se realizuje stále sofistikovanějšími systémovými řešeními, používáním vysoce izolačních skel (zde se v současnosti pohybujeme na hodnotě U_g=0,5 W/m²K a její výrazné zlepšení zatím není v dohlednu) a především vhodnou kombinací prosklených ploch a ploch s tepelněizolačními panely. 

Druhý způsob je omezení tepelných zisků v letním období a tím snížení nákladů na chlazení. Toho se dosahuje omezením prosklených ploch tak, aby prosklení zajistilo nutné požadavky na přirozené osvětlení, ale aby nebylo zbytečně rozsáhlé, a dále použitím izolačních skel s vysokou selektivitou, které omezí energetické zisky ze slunečního záření. Zde jen doplníme, že především pro bohatě prosklené kancelářské budovy jsou solární zisky komplikací i v zimním období, kdy dochází krátkodobě k přehřátí interiéru. Omezit solární zisky prosklenými plochami lze provést i vhodným architektonickým provedením fasádního pláště.

Je ověřeno, že největší provozní náklady na energie jsou určeny na vytápění a chlazení vnitřních prostorů. U moderních kancelářských budov je v roční bilanci vyšší spotřeba nutná pro chlazení.

Nejjednodušším, nejdéle používaným systémem aktivního způsobu snížení provozních energetických nároků je vnější stínění prosklených ploch elektricky ovládanými žaluziemi nebo roletami. Tyto stínící systémy lze jednoduše napojit na centrální řídící systém a ovládat podle potřeby automaticky. Nevýhodou těchto systémů, zvláště žaluzií, je jejich citlivost na rychlost větru, a proto u výškových budov jsou z tohoto důvodu velmi málo efektivní. Screenové rolety jsou konstruovány na větší větrné zatížení, až do 90 km/h, takže je lze použít po podrobné analýze zatížení větrem dané budovy i na výškové objekty. V obou případech – žaluzie i rolety musí být napojeny na snímače rychlosti větru, které jsou nadřazeny manuálnímu ovládání.

Způsob, jak ochránit stínění proti účinkům větru, a přesto je umístit před izolační sklo, aby se teplo ze slunečního záření nedostalo do interiéru, je také již dlouho vyřešen. Jsou jím dvojité fasády, kdy je v lehkém obvodovém plášti vytvořena dutina mezi vnitřním tepelněizolačním sklem a vnějším jednoduchým sklem. V této dutině jsou umístěny elektricky ovládané stínící prvky. Obvykle je nutné všechny vnitřní průhledné plochy řešit jako otevíravá okna určená pro údržbu prosklených ploch v dutině a servis stínění. Tím se ale celý systém významně prodražuje. Je tedy vždy nutné porovnat náklady na realizaci takového fasádního pláště s ekonomickými úsporami na provoz budovy.

Efektivitu dvojité fasády je možné zvýšit napojením systému ventilace na dutinu a v zimním období využívat předehřátý vzduch z dutiny na větrání interiéru a v letním období provětrávat dutinu tak, aby se snížil tepelný příkon fasádního pláště.

Další způsob, jak omezit nutné provozní energie, je využití přirozeného větrání vnitřních prostorů okny nebo větracími klapkami, které jsou motoricky ovládány a řízeny centrálním systémem tak, aby během noci vyvětraly a vychladily vnitřní prostory a v provozní době zajistily efektivní provětrávání propojené s případným chlazením.
U bytových domů je vždy požadavek na umístění manuálně otevíravých oken pro přirozené větrání závislé na vůli uživatele. Ovšem u kancelářských budov je jakékoliv manuální ovládání otevíravých oken podle vůle uživatelů kontraproduktivní, protože libovolné otevření okna pro pocit větrání je v topné sezoně zbytečnou ztrátou tepelné energie a v letním období naruší centrálně řízený systém větrání a chlazení, a přesto nemusí zajisti požadované vyvětrání.
Pro větrání integrované do lehkého obvodového pláště jsou k dispozici i vhodnější ventilační systémy s rekuperací a řízeným průtokem vzduchu napojené na centrální systém.

Před časem se na trhu s fasádním prosklením objevila nová technologie elektrochromických skel, která jsou svrstvena s elektricky ovládanou mezivrstvou. Tato mezivrstva mění v závislosti na napětí svou propustnost světla, a tedy i sluneční energie. Tato skla mohou být kompletována do izolačních dvoj- a trojskel a zachovají si tak standardní součinitel prostupu tepla, avšak aktivně a bez mechanických prvků a nezávisle na větrném zatížení mění zastínění interiéru buď automaticky podle intenzity oslunění, nebo samozřejmě podle individuálních potřeb uživatele. Na trhu byli tři výrobci, ale v současnosti je k dispozici pouze jeden produkt. I přes nesporné výhody takového systému je k tíži tohoto řešení jeho cena a určitá technická omezení (dostupné rozměry, pouze ortogonální tvary a nejlépe sjednocené rozměry tabulí). Zatím bohužel náklady na toto řešení neskýtají požadovanou návratnost investic do prosklení.

Díky masivnímu rozvoji fotovoltaických panelů, používaných nejen v FVE parcích, ale i na střechách od komerčních budov po rodinné domy, nacházejí tyto zdroje uplatnění i ve fasádních pláštích. Prakticky jsou možné dva způsoby instalace. Jako exteriérové stínící skleněné lamely s fotovoltaickými prvky, které plní funkci pasivního stínění a zároveň produkují elektrickou energii. Nebo mohou být integrovány přímo do výplní fasádního pláště v neprůhledných panelech, ale i v průhledných plochách, kde aplikované FV krystaly zajistí částečné zastínění.
Velmi malé uplatnění takových řešení na fasádách domů je dáno jednak technologickou náročností pospojování všech samostatných FV panelů, nákladností všech nutných elektrických řídících komponentů a v neposlední řadě nízkou efektivitou takto umístěných panelů, které účinností nemohou konkurovat jednoduchým stavebnicovým panelům osazovaným na střechy do optimální polohy vůči převažujícímu slunečnímu svitu. I přes relativně nízkou výrobní cenu samotných FV panelů je jejich instalace do fasádních skel náročnější, a především celý řídící systém zatím neposkytuje požadovanou návratnost.
Je logické, že nejlevnější energie je taková, která se nespotřebuje. A je logické, že každý sofistikovaný systém aktivního stínění, úpravy prostředí nebo produkce obnovitelné energie vždy zvýší náklady na provedení fasádního pláště a musí se vždy uvažovat s efektivní návratností se započítáním servisních nákladů a předpokládanou životností aktivních prvků.
Proto se vždy vyplatí začít s úvahami o energetické náročnosti budovy již při samotném architektonickém návrhu tvaru a opláštění budovy a až následně se zabývat vhodnými aktivními prvky pro omezení provozních nákladů, případně o aplikaci FV prvků. Toto se však samozřejmě týká jen návrhů řešení lehkého obvodového pláště a nevztahuje se na technologické prvky OZE umístěné na střechách nebo ostatních plochách fasády.
V oblasti inteligentních fasád se vývoj nezastavil a objevují se různá sofistikovaná a mnohdy velmi inovativní řešení, nicméně stavební průmysl je ještě více konzervativní než automotiv. Především s ohledem na očekávanou dlouhou životnost, realizační a provozní náklady a provozní bezpečnost, je praktický technický vývoj velmi pozvolný a požadavky na budovy s nulovou spotřebou energie se budou realizovat ve fasádních pláštích spíše pasivními řešeními než aktivními prvky.

Článek byl publikován v časopise ERA21 #5 2023, a v Ročence ČKLOP 2023. Náhledy všech Ročenek ČKLOP zde. 

Autor článku: Ing. Roman Šnajdr
předseda TK ČKLOP
SIPRAL a.s.