Aplikace principů udržitelné výstavby v návrzích bytových staveb a jejich vyhodnocení

Požadavky týkající se prosazování principů udržitelného rozvoje se dostávají do politických deklarací a do mezinárodních dohod na nejvyšší úrovni. Podpora mezinárodního výzkumu je zaměřena na řadu otázek bezprostředně vyplývajících z obecných požadavků udržitelnosti. Tento proces byl nastartován s mírným zpožděním oproti některým vyspělým zemím i v České republice, nicméně v současnosti se míra prosazování udržitelných přístupů dostává na srovnatelnou úroveň s průměrem zemí EU. Některé státy, tradičně více zaměřené na tyto otázky, jsou však stále o významný krok vpředu (např. Nizozemí, SRN, Švédsko, Dánsko aj.).

Na druhé straně se však udržitelnost bohužel stává i součástí čistě reklamních argumentů, a to mnohdy ve větší míře, než by tomu odpovídala skutečná technická a environmentální kvalita prosazovaných řešení. Důvodem je mimo jiné doposud nedostačující úroveň metodologie hodnocení míry a kvality "udržitelného" řešení. I v této oblasti však bylo v posledním období na mezinárodní úrovni a v některých jednotlivých zemích uděláno několik hodnotných kroků, které vytvářejí předpoklady pro formulaci legislativních opatření, zajišťujících postupné prosazování takových řešení ve stavebním průmyslu i v provozování staveb, která budou kvalitnější z hlediska environmentálních, ekonomických i socio-kulturních parametrů.

I ve stavebnictví se stále více diskutuje o technických možnostech aplikace principů udržitelné výstavby v realizaci staveb [1], můžeme pozorovat změny spočívající v chápání širších souvislostí a některé konkrétní pozitivní příklady řešení vycházející z těchto změn (změny v tepelně technických požadavcích, rozvoj výstavby na bázi dřeva, recyklace, snížení emisí z výroby cementu a vápna, nízkoenergetická výstavba aj.) - podrobněji viz odborná příloha Stavebních listů 12-13/2002 [2].

Principy udržitelné výstavby budov a jejich aplikace

Vývoj konstrukcí pozemních staveb se musí především zaměřit na snížení energetické náročnosti budov, efektivnější využívání zdrojů surovin, zodpovědnější hospodaření s vodou a na omezování množství škodlivých emisí a odpadů. Výběr a skladba konstrukčních prvků a technologií realizace musí respektovat požadavek vysoké funkční kvality v rámci dlouhodobé životnosti objektu. Návrh konstrukce budov tedy musí vycházet z předpokládaného chování konstrukce v rámci celého životního cyklu, tj. je třeba uvažovat předpokládané cykly údržby, oprav a výměn jednotlivých konstrukčních částí. K tomu je třeba sladit životnosti jednotlivých konstrukčních prvků a zajistit snadnou výměnu prvků s menší životností.

Budovy, jako hlavní součást vystavěného prostředí, představují rozhodující prvek s velkým potenciálem pro dosažení požadovaného kvalitativního zlepšení v oblasti environmentální, ekonomické i socio-kulturní - tj. v základních oblastech udržitelného rozvoje. Začínají se prosazovat nové technologie výroby a výstavby, nové konstrukční materiály a nové přístupy k navrhování a hodnocení staveb integrující různá kritéria a fáze návrhu - integrované přístupy navrhování staveb. Výstavba nízkoenergetických budov se dostává do středu zájmu nejenom odborníků ale postupně i investorů. V zahraničí i v ČR se začínají prosazovat realizace budov snažící se deklarovat výrazné snížení environmentálních dopadů nejenom při vlastní výstavbě, ale především v průběhu celého životního cyklu budovy.

Ekonomická efektivita udržitelné výstavby budov

Ekonomická efektivita patří mezi tři základní pilíře udržitelné výstavby. Udržitelná výstavba tedy nutně musí dosahovat příznivých ekonomických parametrů. Neznamená to však, že náklady na realizaci musí být výrazně nižší než u výstavby tradiční. Celková ekonomická efektivita by měla být hodnocena ve vztahu ke kvalitě dosažených funkčních a environmentálních parametrů budovy, a to v rámci celého předpokládaného životního cyklu. V takovém případě se může výrazněji projevit výhodnost kvalitnějšího řešení např. ve snížených nákladech na údržbu, na opravy a na případnou rekonstrukci, ve snížených nákladech na vytápění a spotřebu dalších zdrojů jako je spotřeba elektrické energie, vody ale i v nižších nákladech na demolici a recyklaci konstrukcí na konci životního cyklu. Na druhou stranu však nesmí realizační náklady na udržitelnou výstavbu dosahovat podstatně větších hodnot v porovnání s výstavbou tradiční. Návratnost případných vyšších realizačních nákladů musí být pro investora resp. uživatele prokazatelně jistá v relativně krátkém časovém údobí. Úspory v rámci dalších fází životního cyklu pak představují další ekonomický zisk pro investora resp. uživatele objektu.

Zahraniční zkušenosti prokazují reálnost "udržitelných" technických řešení a jejich ekonomickou efektivitu ať již z hlediska dosahovaných parametrů při vlastní realizaci, ale především při provozu budov. Principy návrhu bytových staveb s uplatněním zásad udržitelnosti Z obecných požadavků na udržitelnou výstavbu [1] vyplývají základní principy v těchto oblastech:

Architektonické a urbanistické principy:

• přiměřenost rozsahu stavebního programu, účelné využití pozemku, optimalizace zastavěné plochy, řešení zeleně ve vztahu k pozemku i objektu,
• orientace objektu i vnitřních prostor ke světovým stranám s ohledem na dopad přímého slunečního záření během roku, současné i v budoucnu předpokládané zastínění budovy okolní zástavbou, terénem a zelení,
  
• tvarová optimalizace hmoty objektu pro omezení ochlazované obálky budovy,
  
• vhodná poloha a velikost prosklených ploch vzhledem k ploše obálky budovy Đ využití pasivních solárních zisků, zamezení letního přehřívání,
  
• členění dispozice z hlediska souladu vytápěcích režimů, tepelných zón a orientace prostorů ke světovým stranám,
• variabilita vnitřní dispozice.

Konstrukční principy:

• vyšší míra využívání obnovitelných surovinových zdrojů a recyklovaných materiálů,
• vyšší míra prefabrikace podporující rychlost výstavby a omezení technologických nedostatků na stavbě,
  
• konstrukční řešení umožňující vysokou variabilitu s ohledem na možné budoucí změny vnitřního uspořádání i technického řešení objektu,
  
• používání konstrukčních prvků, principů jejich skladby, spojů a styků tak, aby byla umožněna snadná demontáž, demolice a recyklovatelnost,
  
• sladění životnosti jednotlivých konstrukčních prvků tak, aby nižší životnost některých částí nepodmiňovala výměnu prvků s vyšší životností,
• snadná údržba.

Energetická koncepce:

• snížení potřeby tepla stavebním řešením minimálně na úroveň nízkoenergetické výstavby (méně než 50 kWh/(m²a),
• vyšší míra prefabrikace podporující rychlost výstavby a omezení technologických nedostatků na stavbě,
  
• vyloučení tepelných mostů v konstrukcích a omezení výrazných tepelných vazeb mezi konstrukcemi,
  
• efektivní vytápění s přednostním využitím obnovitelných zdrojů energie, nucené větrání se zpětným získáváním tepla.
  

Aplikace principů udržitelné výstavby - studie bytových staveb

Studie provedené v rámci řešení projektu "Pozemní stavby a udržitelný rozvoj" podporovaného Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR [3] mohou sloužit jako podklad k hledání odpovědi na otázku jaký je potenciál pro snížení environmentálních dopadů bytových staveb (výstavby a jejich provozování) v podmínkách České republiky. V rámci projektu byly sledovány možnosti konkrétní aplikace principů udržitelné výstavby se zvláštním zřetelem na uplatnění dřevostaveb jako jednoho z typických řešení často uplatňovaných v rámci udržitelné výstavby v zahraničí. Významnou součástí této fáze projektu bylo kromě specifikace koncepce a vytvoření demonstračních návrhů budov pro bydlení i jejich environmentální analýza. Z porovnání navržených alternativ a referenčních budov bylo možné stanovit potenciál snížení environmentálních dopadů v rámci celého životního cyklu.

Návrh dvou staveb pro bydlení (tzv. udržitelného bytového domu UBD a udržitelného rodinného domu URD) byl zpracován podle obecných principů a požadavků trvale udržitelného rozvoje stavebnictví [1]. Cílem projektu bylo navrhnout vhodná konstrukční řešení budov s minimalizovanými negativními vlivy na životní prostředí a kvantifikovat jejich efekt porovnáním dosažených environmentálních parametrů s referenčními stavbami shodného uživatelského standardu. Toto porovnání bylo provedeno z hlediska spotřeby zdrojů (materiálových a energetických), produkce škodlivých emisí, produkce nerecyklovatelných odpadů a dalších environmentálních kritérií v rámci celého životního cyklu staveb.

Při návrhu udržitelných obytných staveb byl kladen důraz na maximální využití obnovitelných zdrojů ve stavebních konstrukcích, zejména pak využití konstrukcí na bázi dřeva. Podíl dřevostaveb v ČR je v současnosti menší než 1 %, proti tomu současný průměr v zemích EU dosahuje 10 % a má stále zvyšující se tendenci. V USA, Kanadě, Austrálii aj. je podíl dřevostaveb v bytové výstavbě až 80 %. Z toho vyplývají zřejmé rezervy a potenciál pro větší využití dřevostaveb v bytové výstavbě v ČR.

Architektonické i technické řešení zpracovaných návrhů vychází (a) ze snahy o maximální uplatnění obnovitelných zdrojů materiálů - především dřeva a recyklovaných materiálů a tím snížení spotřeby neobnovitelných surovin, (b) zkvalitnění funkčních parametrů budovy (především v oblasti potřeby provozních, energetických a dalších zdrojů) a (c) optimalizace technického vybavení - především otopného systému.

Optimalizovaný návrh bytového domu

Bytový dům UBD je navržen jako alternativní řešení k již realizovanému bytovému domu v Moravských Budějovicích, který sloužil pro porovnání jako referenční objekt. Tento dům byl realizován tradiční zděnou technologií s uživatelskými parametry mírně převyšujícími běžný standard.

Navržený dům UBD je čtyřpodlažní, částečně podsklepený. V 1. PP a 1. NP jsou umístěna parkovací stání, nebytové prostory a zázemí bytového domu. Ve 2. - 4. NP jsou na každém podlaží tři bytové jednotky Đ 4+kk (116 m²), 2+kk (40 m²), 3+kk (82 m²). V dispozičním řešení je důsledně dodrženo zónování Đ společné prostory, komory, schodiště jsou umístěny ve studené zóně, vytápěný prostor je redukován pouze na vlastní obytnou plochu. Na jihovýchodní fasádě jsou před obytnými místnostmi zimní zahrady. Důvodem jejich uplatnění je zvýšení komfortu bydlení, předpokládá se využití za příznivého počasí v přechodném období, v létě je lze zcela otevřít.

Nosný systém obytných podlaží je tvořen celostěnovými dřevěnými panely, se sloupkovou konstrukcí z nosníků I průřezu, jejichž pásnice jsou z dvojice latí 40x60 mm a stojina z OSB desek. Osová vzdálenost těchto sloupků je 625 mm a jejich výška je pro vnitřní nosné stěny 150 mm a pro nosnou obvodovou stěnu 250 mm. Panely jsou opláštěny OSB deskami. Tloušťka izolace z minerálních vláken je 100 mm pro vnitřní nosné stěny a 250 mm pro obvodové stěny. V interiéru jsou tyto panely obloženy sádrokartonovými deskami na dřevěném roštu. Stropy obytných podlaží (včetně nosné konstrukce střechy) jsou řešeny dřevobetonovou konstrukcí. (I-profily dřevo/OSB výšky 250 mm (po 625 mm) uložené na nosných stěnách nesou trapézový plech s vybetonovanou vyztuženou deskou tl. 50 mm.

Spodní stavba je monolitická železobetonová skeletová se ztužujícími suterénními a schodišťovými železobetonovými stěnami. Stropní konstrukci nad 1. NP tvoří monolitická železobetonová deska, na kterou jsou ocelovými přípravky kotveny dřevěné nosné stěnové panely obytných podlaží. Jelikož tento strop odděluje vytápěné prostory obytné části (2. NP) od vesměs nevytápěných prostorů vstupního podlaží, je izolován tepelnou izolací z minerálních vláken tl. 300 mm, která je položena na stropní desku, mezi rošt z I-profilů dřevo/OSB tvořící podklad pro podlahové souvrství.

V prostoru schodiště jsou požární a ztužující stěny tl. 200 mm vyzděné z dutinových betonových tvarovek a jsou doplněné tepelnou izolací tl. 320 mm z minerálních vláken v dřevěném roštu. Schodiště je navrženo jako železobetonové monolitické. Předsazené konstrukce (balkony) jsou zavěšeny na obvodových stěnách.

Optimalizovaný návrh rodinného domu

Pro návrh rodinného domu URD byl zvolen stavební pozemek v konkrétní lokalitě určené k zástavbě izolovanými rodinnými domy v obci Zlatníky. Uvažuje se běžný standard rodinného domu pro čtyřčlennou rodinu s užitnou plochou 160 m². Jako referenční objekt pro porovnání technických a environmentálních parametrů byl použit konkrétní projekt rodinného domu realizovaného ve zděné technologii (stěnový systém z keramických bloků a keramickobetonových stropů). Dvoupodlažní nepodsklepený rodinný dům URD je navržen s maximálním důrazem na architektonickou a dispoziční variabilitu. Prefabrikovaný nosný i obvodový systém z dřevěných panelů umožňuje jednak "růst" objektu dle požadavků uživatele a jednak různá řešení tvaru střechy. V 1. NP (106 m²) je ze severní strany vstup, dále obývací prostor, kuchyň a hygienické zázemí. Na severovýchodní straně je situován tzv. alternativní prostor, umožňující různé způsoby využití (dílna, garáž, sklad, prostor pro podnikání, zvětšení obytné plochy, bytová jednotka se samostatným vstupem, atd). Ve 2. NP (91 m²) jsou umístěny 3 ložnice, hygienické zázemí a šatny. Z otevřené herny je možno zbudovat další pokoj. U vnitřní dispozice je dodrženo zónování Đ na severní a části východní fasády jsou představeny nevytápěné prostory (sklad, spíž, komora, zádveří). Obytný prostor je ze tří světových stran díky proskleným plochám osluněn. Nadměrné letní tepelné zisky jsou omezeny stíněním.

Svislé nosné konstrukce jsou tvořeny dřevěnými prefabrikovanými celostěnovými panely v rozměrech příslušných nosných stěn. Jejich skladby i konstrukční řešení jsou shodné jako u návrhu bytového domu. Nosná stropní a střešní konstrukce je poloprefabrikovaná a skládá se z předem vyrobených dřevěných panelů s akustickou izolací v úrovni spodní pásnice, z na stavbě provedeného zásypu tříděným a vysušeným pískem, a ze záklopu tvořícího podklad pro podlahovou konstrukci. Hlavní nosné prvky těchto panelů - dřevěné I nosníky dřevo/OSB - jsou shodné jako u obvodových nosných stěn. Pískový zásyp zajišťuje vzduchovou neprůzvučnost stropu a zvyšuje akumulační schopnosti dřevostavby. V konstrukci střechy je pískový násyp nahrazen tepelnou izolací z minerální vlny tl. 360 mm. Krytina je z měděného plechu (z důvodů dlouhodobé životnosti) na bednění z OSB desek. Vnější povrchová úprava obvodových stěn je navržena v alternativách (1) nekontaktní obklad z přírodního dřeva nebo (2) s deskami na bázi dřeva, (3) omítka (resp. kontaktní zateplovací systém).

Dřevěná okna i dveře jsou na bázi Europrofilů. Transparentní výplně jsou v přízemí stíněny dodatečně montovanými dřevěnými clonami, v patře přesahem střešní konstrukce.

Energetická koncepce

Obecné požadavky pro návrh energetického systému obou typů budov byly dány:

(a) minimalizací tepelných ztrát větráním, (b) zohledněním místních tepelných zisků, (c) pro bytový dům pak možností individuální regulace spotřeby jednotlivých bytů.

Pro bytový dům byla navržena kombinace řízeného centrálního větrání se zpětným získáváním tepla a nízkoteplotní teplovodní otopné soustavy. Přívod čerstvého vzduchu pro vytápění a větrání je řešen přes zemní kolektor do větrací jednotky s filtrem, rekuperačním dílem, ohřívákem pro předehřev větracího vzduchu a ventilátorem. V každém bytě jsou instalována desková otopná tělesa, umožňující regulaci teploty vzduchu podle individuálních požadavků. Teplo do teplovodní soustavy je odebíráno z centrálního zásobníku umístěného v kotelně. TUV bude připravována zásobníkovým způsobem v jednotlivých bytech.

U rodinného domu je využito teplovzdušného vytápění s rekuperací. V technické místnosti je umístěn teplovodní akumulátor vytápěný z hlavního zdroje tepla. Energie je z akumulátoru předávána malým teplovodním výměníkem do centrální vzduchotechnické jednotky s filtrací, která pracuje s čerstvým a cirkulačním vzduchem. Rozvody teplého vzduchu vedou v podlaze a jsou zakončeny regulovatelnými vyústkami. TUV je připravována průtokovým způsobem pomocí trubkového výměníku v teplovodním akumulátoru.

Hlavní zdroj tepla u obou objektů (URD i UBD) by měl přednostně využívat obnovitelné zdroje energie. Může se tedy jednat např. o výměník tepla s napojením na centrální zásobování teplem okrskovou kotelnou na spalování biomasy, kotel na spalování biomasy, kotel na bioplyn, kotel na elektrický proud z blízké kogenerační výrobny tepla a elektřiny, kotel na elektrický proud z obnovitelných zdrojů (tzv. zelená elektřina), atd. Pokud se nelze vyhnout použití fosilních paliv, bude se nejspíše jednat o plynový kondenzační kotel.

Dosažená potřeba tepla na vytápění obou objektů splňuje základní požadavek na nízkoenergetickou budovu, tj. je menší než 15 kWh/(m²a). Roční měrná potřeba tepla na vytápění podle ČSN EN 832 je u bytového domu UBD 22,4 kWh/(m²a), u rodinného domu URD pak 36,4 kWh/(m²a). Nízkých parametrů potřeby tepla na vytápění bylo u bytového domu dosaženo snazšími prostředky než u rodinného domu, díky vyšší míře kompaktnosti tvaru budovy (nižší tzv. geometrická charakteristika podle ČSN 73 0540). Opačně platí, že při použití konstrukcí se shodnými součiniteli prostupu tepla se u bytového domu dosáhne nižší potřeby tepla na vytápění než u rodinného domu. Vzhledem k návaznosti na stávající řadovou zástavbu bylo při výpočtech uvažováno, že jedna ze štítových stěn bytového domu bude v kontaktu s trvale vytápěnými prostory sousedního objektu.

Zasklení lodžií bylo zvoleno z důvodů zvětšení komfortu bydlení (ne kvůli úspoře energie). Podmínkou toho, aby se zasklené lodžie ("zimní zahrady") naopak nestaly místem tepelných ztrát, je (1) užívání bytů informovanými a zodpovědnými uživateli, (2) omezení využívání v chladném období, které přirozeně omezuje výrazně horší vnější zasklení lodžie (U = 2,8 W/m²K). V praxi vede nedůsledné řešení této otázky ke zvýšení spotřeby tepla.

Environmentální hodnocení objektů

Závěrečná analýza environmentálních kritérií, která byla součástí studie, prokázala snížení negativních dopadů takto koncipovaných staveb na životní prostředí, a to hned z několika hledisek [4]. V případě obou návrhů objektů URD a UBD je výrazné mnohonásobně větší využívání obnovitelných a recyklovaných materiálových surovinových zdrojů. Použití obnovitelných materiálů je v obou případech více než 8 x větší (využití dřeva v nosné konstrukci i prvků na bázi dřeva pro plášťové materiály), využití recyklovaných materiálů je téměř 100 x větší než u referenčních domů.

Také využívání plnohodnotně recyklovatelných materiálů je několikanásobně větší. Současně s tím je podstatně sníženo množství nerecyklovatelných odpadů (u rodinného domu 8x a u bytového domu více než 2x). Potřeba tepla na vytápění je u URD o 55 % a u UBD dokonce o 79 % menší než v referenčních objektech. Dosažená potřeba tepla na vytápění splňuje základní požadavek na nízkoenergetickou budovu se značnou rezervou a v případě UBD se blíží hodnotě pro pasivní domy.

Závěr

Uvedené demonstrační studie bytového a rodinného domu si nekladou za cíl doporučovat jednoznačný návod jakým způsobem navrhovat nové konstrukce bytových objektů. Jistě lze nalézt řadu jiných řešení více nebo méně splňujících uvažovaná environmentální kritéria, případně akcentující kritéria další podle místních podmínek a priorit. Cílem studie je ukázat na potenciál, který v navrhování a managementu provozování obytných budov existuje, a který by měl být postupně ve větší míře využíván. Ověřených environmentálně příznivých technických řešení existuje celá řada, je však třeba je integrovat do komplexního návrhu se vzájemně sladěnými položkami zajišťujícími dosažení vysoké úrovně výsledných uživatelských i environmentálních parametrů, a to z hlediska celého životního cyklu bytové stavby. Koncepce takového návrhu musí vycházet ze všech základních požadavků udržitelnosti zohledňujících environmentální kvality, ekonomickou dostupnost, socio-kulturní aspekty a technickou reálnost řešení v daném prostředí a daném čase.

Na řešení úkolu se kromě autorů příspěvku podíleli další spolupracovníci z FSv ČVUT a architektonického atelieru KUBUS

Doc. Ing. Petr Hájek, CSc., Ing. Jan Růžička

Literatura

[1] Hájek P, Tywoniak J.: Udržitelná výstavba budov, Stavební listy 12 Đ 13/2002, ISSN 1211-4790, ČKAIT, 2002
[2] Hájek P. a kol.: Pozemní stavby a udržitelný rozvoj. 3. etapa, Zpráva pro Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR, ČVUT Praha, 2002
[3] Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu, český překlad CIB Report 237, ČVUT v Praze, ISBN 80-01-02467-9, Praha, 2001
[4] Hájek P., Vonka M.: Environmentální dopady a energetická náročnost staveb pro bydlení - případová studie, Topenářství a instalace, 2004
[5] www.substance.cz - Udržitelná výstavba / Sustainable Construction - informace na internetu