Výpočtové analyzovanie ekologického algoritmu architektonického prostredia

Abstract

Výskum sleduje návrhy budov tak aby napĺňali prísne ekologické kritériá dané európskou legislatívou 2020 a pritom využívali súčasné digitálne technológie parametrického navrhovania v programe Grasshopper. Zamerali sme sa špecificky na fázu architektonického dizajnu. Namiesto čisto technologického riešenia sme uprednostňovali použitie technológie ako súčasti architektonického konceptu. Cieľom bol priblíženie sa ku konceptu nulovému domu. Nástrojom bola parametrizácia technologickej, estetickej a organizačnej časti budovy do jedného systému, rovnako ako parametrizácia okolitého prostredia. Výskum ukazuje jednu z možností rozšírenia informačného modelu budovy do fázy koncepčného designu a prepojenie dát s okolitým prostredím.

1. Introduction

Klasický pohľad na problém Smart city a prínosu k zlepšeniu fungovania mesta je skôr z uhla užívania mesta. Ukazuje to aj otázka Anthony M. Townsenda v knihe SmartCities: How will a buildings systems talk to each other? How can my phone ask a bus where it is going? [Townsend, A.M.: Smart Cities: Big Data, Civic Hackers, and the Quest for a New Utopia. W. W. Norton & Company (2013)] Je to prirodzené východisko, lebo tento informačný rozmer je možné aplikovať do existujúcej mestskej štruktúry ako novú vrstvu.  Tento postoj je ďalej odôvodnený súčasným prudkým zrýchlením používania informačných technológií bežnými obyvateľmi mesta a naproti tomu informačnou pasivitou mestského prostredia.

Druhým pohľadom na problém je využitie dát na optimalizáciu tokov v mestskom prostredí. Optimalizácia hromadnej dopravy alebo  distribúcia bezpečnostných zložiek sú niektoré už zrealizované príklady.

Uvedené stratégie však neriešia problém návrhu základného prvku mesta a to budovy.  V našom prípade sme ohraničili zadanie na architektúru na bývanie, ktorá sa nachádza na periférii mesta. V tomto prípade ide o územie pustnúcich vinohradov nad mestskou časťou Bratislavy, Račou. Lokalita je typická pre stredoeurópsky kontext rozvoja miest. Tu je aj rozdiel v podobných stratégiách, ktoré sú väčšinou aplikované na väčšie aglomerácie s dynamickejším rastom urbánnej štruktúry.

Pri hľadaní limitov v rámci ekologického aspektu stavby, sme sa čo najviac snažili potlačiť čisto technologické riešenia a uprednostňovali sme použitie technológie ako súčasti architektonického konceptu. Riešenie smerovalo na jednoduché už dostupné technológie použité inovatívnym spôsobom. Cieľom bol priblíženie sa k nulovému domu, ktorého definícia objasňuje naše energetické ciele. Nulovým domom (Zero Energy Building – ZEB) nazývame budovu, ktorá vyprodukuje počas roka z obnoviteľných zdrojov (aspoň) toľko energie, koľko potrebuje na svoju prevádzku. Potreba primárnej energie je teda plne pokrytá energiou získanou z prostredia či z obnoviteľných zdrojov v /na/ pri budove. Toto pokrytie posudzujeme v ročnej bilancii. [Krajcsovics, L.: Nulový, plusový, autonómny dom. In: Špaček, R. and Pifko, H. (eds.) Rukoväť udržateľnej architektúry. pp. 59–59. SKA, Bratislava (2013)]

Ideové architektonické východiská udržateľnej architektúry obsahujú parametre sociálne, estetické a parameter kvality prostredia. Koncepciu hlbšie rozvinul v téme Ekologický algoritmus navrhovania prof. Keppl. Definuje tento problém ako Algoritmus vychádza z princípu navrhovania v súlade s prostredím (myšlienka bioklimatickej architektúry – vid. Ekologická architektúra) a využitia daností prostredia, lokality a prírodných síl, hlavne Slnka a vetra, v prospech fungovania navrhovaného objektu. [Keppl, J.: Ekologický algoritmus navrhovania. In: Špaček, R. and Pifko, H. (eds.) Rukoväť udržateľnej architektúry. pp. 72–79. SKA, Bratislava (2013)]

2. Parametrizácia architektúry

Tu spomenuté východiská tvoria nesúrodé milieu vzťahov a informácií, ktoré je nutné zohľadniť pri návrhu budovy. Oproti štandardnej architektonickej praxi, pribúda množstvo nových faktorov, ktoré treba v dizajne zohľadniť. Pri istom množstve dát stráca ľudský faktor schopnosti zmysluplne analyzovať a interpretovať informácie. Je nutné použiť digitálne technológie.

Postup znamenal kvantifikovať jednotlivé zložky tvoriace architektonický diagram, zapísať ich do jednotného dátového formátu, zadefinovať ich vzťahy a umožniť trojdimenzionálnu interpretáciu dát do architektonickej formy. Celý systém musí byť interaktívny (rekurzívny), aby bolo možné v ktorejkoľvek fáze redefinovať vstupné údaje a tak optimalizovať výslednú formu.

Keďže jedným z parametrov bola aj krása, povedané inými slovami estetická vhodnosť foriem vo vzťahu k okolitému prostrediu, zvolili sme ako nástroj nadstavbu modelovacieho programu Rhinoceros - Grasshopper [http://www.grasshopper3d.com/]. Je to graphical algorithm editor, ktorý umožňuje vytvárať generative algorithms. Najväčšou prednosťou je integrácia do architektonického modelovacieho prostredia. Takže výstupy sú dynamicky interpretované v 3D objektoch, ktoré je možné ďalej interpretovať v perspektívnom zobrazení. Ide o formu grafického programovacieho jazyka, ktorý umožňuje štandardné výpočty a tým integráciu rôznych foriem dát.

Výber bol stanovený na známe a pozitívne vnímané realizácie architektúry v podobnom prírodnom prostredí. V kompozícii sa hodnotil vzájomný pomer  plošných zložiek elementov: architektúra, prostredie pred objektom, prostredie za objektom a obloha. Cieľom bolo kvantifikovať aký pomer jednotlivých prvkov vytvára esteticky uspokojivý pohľad na architektúru v prírodnom prostredí.

Výsledkom analýz je návrh rôznych štruktúr hmôt s rovnakým objemom, ktoré sú následne kompozične a plošne vyhodnotené v prostredí vždy z troch rovnakých bodov: panoramatický pohľad, príjazdový pohľad, bod v prostredí medzi hmotami. Všetky pohľady sú komponované tak, že pozorovaný objekt, v našom prípade architektúra, je kompozične osadený v princípe zlatého rezu v ráme, ktorý je v pomere 16:9. Proces je automatizovaný skriptom, ktorý v modelovacom prostredí generuje rôzne typy architektonických foriem spĺňajúcich dané kritériá a aj vyhodnocuje ich estetickú kvalitu.

Energetický parameter

Energetický koncept vychádza zo snahy čo najefektívnejšie využiť morfológiu a Genius loci prostredia ako možného zdroja na výrobu energie potrebnej na pokrytie spotreby energetických nárokov budovy.

Spotrebovaná energia v danom  bytovom dome so 40 obyvateľmi sa dá rozdeliť do troch celkov. Energia potrebná na ohrev teplej a úžitkovej vody, energia potrebná na vykurovanie a energia potrebná na chod elektrospotrebičov. Pre tieto tri uzavreté celky sa hľadal najlepší spôsob výroby energie. Toho výsledkom bol komplexný vzorec  fungujúci na základe objemu a úžitkovej plochy objektu.

Energia potrebná na ohrev teplej vody by sa získavala pomocou  solárnych panelov. Podľa výpočtov vyššie je ročne spotrebované 13544 kWh/rok na ohrev TUV. Podľa výskumu Zuzany Krippelovej a Jany Peráčkovej [Krippelová, Z., Peráčková, J.: Aká je spotreba teplej vody na obyvateľa v bytovom dome? TZB Haustech. Odb. Recenzovaný Časopis Z Obl. TZB Tech. Prostredia. 22, 54–56.] je ročná spotreba teplej vody 16,76 m3 na obyvateľa. Spotreba teplej vody počas roka, týždňa dokonca dňa je veľmi kolísavá veličina. Preto je potrebné systém dimenzovať na najväčšiu možnú spotrebu vody, aby bolo možné pokryť potrebu vody pri maximálnej spotrebe . Podľa výskumu je najväčšia spotreba vody v nedeľu a to 52 l na človeka. Vzhľadom na počet obyvateľov potrebuje zásobník s kapacitou 3120 l (spotreba * obyvatelia*1,5) . Podľa vzorca predbežného návrhu plochy solárnych kolektorov ( počet osôb * 1.5 ), [Šebest, D.: Solarne kolektory: ohrev vody, http://www.solarnekolektory.sk/index.php?id=247.]  je predbežná potrebná plocha kolektorov 60m2 .Vzhľadom na vyrátané hodnoty odporúčam použiť 6 krát systém na ohrev vody s plochou 8,73m2, kapacitou  500l zásobník, 24 trubicových kolektorov.

Ďalším celkom je energia potrebná na vykurovanie budovy . Energia na vykurovanie budovy tvorí 33% ( 15962 kWh/rok) celkovej spotrebovanej energie . Pri počítanej výške podlažia 3m je celkový vykurovaný objem 3224 m3 . Výkon kotla sa empiricky ráta ako objem objektu m3 * odhadovaný tepelný výkon (20W/m3, novostavba , zateplená ) [energia: Ako si vybrať najvhodnejší kotol pre vykurovanie domu?, http://energia.dennikn.sk/poradime-vam/zemny-plyn-a-ropa/ako-si-vybrat-najvhodnejsi-kotol-pre-vykurovanie-domu/3996/]. Daným hodnotám zodpovedá kotol s výkonom 64 kW . Navrhujem kotol na pelety s koeficientom účinnosti 0,92. Uvažované  bolo aj so získavanie suroviny pre kotol z vinohradu, čím by sa znížili náklady na dopravu a uhlíková stopa použitého paliva. Vďaka využitiu softvérovej podpory bolo možné simulovať vinohrad ako zdroj rôznych druhov paliva, keďže každá teplonosná látka má inú výhrevnosť na kilogram. Zároveň bola simulovaná aj príslušná plocha vinohradu, aká by bola potrebná na získanie  dostatočného množstva paliva na rok. Napr. pri výhrevnosti drevených peliet 5kWh/kg účinnosti kotla 0,92 potrebujeme ročne 3470 kg peliet na pokrytie spotreby. Pri predpoklade, že 1m2 vinohradu sa dá získať 0,5kg drevených peliet je potrebná plocha vinohradu 6940m2.

Posledným tretím celkom je energia potrebná na pokrytie spotreby elektrospotrebičov. 39% z celkovej energie (18865 kWh/rok) pripadá na spotrebiče v domácnosti. Energiu potrebnú na pokrytie elektrospotrebičov budem získavať  pomocou fotovoltaických článkov. Tento výpočet nám uľahčili GIS dáta, ktoré boli vypracované k danej lokalite. Ak by sme plánovali pokryť celú spotrebu elektrickej energie pri vzorci (plocha solárnych panelov * výkon solárneho panelu vo WP * plocha jedného panelu * množstvo dopadnutého slnečnej energie na 1m2 ročne * koeficient strát 0,7 ) [How to calculate the output energy or power of a solar photovoltaic system, Excel PV calculator to estimate solar electricity output, http://photovoltaic-software.com/PV-solar-energy-calculation.php], budeme potrebovať 290 m2 fotovoltaických panelov. Problémom je nerovnomernosť príkonu energie vzhľadom na výdatnosť slnečného žiarenia počas dňa i počas roka. Túto nerovnomernosť v prípade prebytkov budeme uskladňovať do energie vody. Vzhľadom na morfológiu terénu sme sa rozhodli vybudovať tri jazerá na troch terasách. Počas dňa pri prebytkoch elektrickej energie sa bude voda prečerpávať z najnižšie položeného jazera do najvyššie položeného. Tato voda sa počas nedostatku elektrickej energie získanej z fotovoltaickych panelov vypúšťa cez potrubie do nižšie položeného jazera  a roztáča mikro-turbínu, čím sa získava potrebné  množstvo elektrickej energie. Vďaka softvéru je možne  určiť veľkosť jazera vzhľadom na množstvo hodín pokrytých týmto zdrojom. Napríklad na  pokrytie 5 hodín potrebujeme 10767W energie pri gravitačnom zrýchlení 9,81 a prevýšení medzi jazerami 14,197m účinnosti mikro turbíny 0,7 a účinnosti generátora 0,8 dostaneme potrebný prietok 50 litrov za sekundu a výsledný výkon 2924 kW za hodinu. Vzhľadom na použitie a vykrytie spotreby počas 5 hodín boli potrebné dve jazerá s potrebnou plochou 18m2 a hĺbke 3m.

Zároveň tento energetický koncept - zberné jazerá vytvárajú aj novu kvalitatívnu kategóriu prostredia a architektúry. Pri návrhu technológií treba brať aj ohľad na to akým spôsobom sa technológia odrazy na forme (fasáde) samotnej budovy.

3. Generovaná architektúra - záver

Technologické riešenia ako zatepľovanie a technické zariadenie budovy spadajú pod stavebné riešenia. Výskumy stavebných technológií sú v súčasnosti bežné a prinášajú stále nové a kvalitnejšie riešenia. Vo výskume sme sa snažili podporiť architektonické riešenia problému, ktoré súvisia s tvarom budovy, jej orientáciou a jej interakciou s najbližším okolím.

Budova sa stáva organizmom, nie je samostatná, ale komunikuje s okolím a tým sa nemyslia len budovy ale aj okolitá kultúrna krajina. Aby komunikácia budovy nezostala len na úrovni metafory, bolo potrebné vytvoriť spoločný jazyk, ktorým by mohli jednotlivé časti architektonického a stavebného procesu spolu komunikovať. Týmto jazykom je parametrizácia technologických a architektonických častí stavby rovnako ako parametrizácia prostredia, do ktorého architektúru vkladáme.

Digitálna architektúra má v súčasnosti nástroje, aby takáto parametrizácia prebehla už v ranných štádiách architektonického konceptu. Tieto dáta sa ďalej môžu prenesené do projektu v prostredí BIM a následne tieto informácie môžu byť ďalej integrované do širších informačných vzťahov v meste. Budovy komunikujú nielen o výdaji a výrobe energie ale aj o svojej forme. Je možnosť vyhodnocovať vzájomné urbanistické interakcie budov. Od množstva parkovacích miest až po právo na slnko budúcich budov.  Výskum ukazuje jednu z možností rozšírenia informačného modelu budovy do fázy koncepčného designu a prepojenie dát s okolitým prostredím.