Solárna stratégia udržateľného mesta, časť 8: Aplikácia výstupov výskumu

Vybrané časti knihy zverejňujeme na pokračovanie. V záverečnej časti autori aplikujú výstupy výskumu na prípadovej štúdii zahustenia monofunkčnej urbánnej štruktúry na princípe solárneho urbanizmu.

Sídlisko Ostredky (mestská časť Bratislavy – Ružinov), bolo vybudované v 60. rokoch minulého storočia v zmysle potrieb socialistického štátu a princípov moderny ako celosvetového architektonicko-urbanistického prúdu. Na ploche 77 ha vznikla prísne monofunkčná obytná štruktúra pre 10 000 obyvateľov, pozostávajúca z panelových bytových domov so 4290 bytovými jednotkami. Súčasť sídliska tvorí základná občianska vybavenosť (zariadenia pre deti predškolského veku, základné a stredné školy, centrá maloobchodu a služieb). Funkcionalistický urbanistický koncept, vznikajúci v období energetickej bezstarostnosti, môžeme považovať za rozvoľnený s vysokým podielom neartikulovaných zelených plôch bez bližšieho funkčného využitia. Z dnešného pohľadu možno uvažovať o zahustení urbánnej štruktúry so zámerom zvýšiť hustotu obyvateľstva; vytvoriť priestory pre pracovné príležitosti, čím by bolo možné znížiť celo mestskú migráciu obyvateľstva; zlepšiť využiteľnosť zelených plôch; minimalizovať uhlíkovú stopu prevádzky sídliska; zmodernizovať technickú infraštruktúru a vytvoriť podmienky pre dlhodobo pozitívny rast kultúrnej spoločnosti.

Predloženou prípadovou štúdiou nadväzujeme na dosiahnuté výsledky výskumu, prezentované v predchádzajúcich kapitolách. Zároveň predstavuje možnosti integrácie princípov solárneho urbanizmu do existujúcej zástavby a overuje vstup nových generovaných solárnych urbánnych štruktúr do jestvujúceho územia. Cieľom bolo preskúmanie možnosti solárne optimalizovaného zahustenia existujúcej urbánnej štruktúry a potenciálneho nárastu počtu obyvateľov v území. Súčasť štúdie je aplikácia definovaných nových energeticky viazaných urbanistických ukazovateľov – solárneho indexu a energetického kooperačného indikátora v reálnom území.

Riešená lokalita bola z dôvodu jej veľkosti rozčlenená na sedem sektorov (A, B, C, D, E, F, G). Členenie rešpektovalo rôzne formy zástavby, funkčné využitie, či technickú organizáciu územia. Model jestvujúcej urbánnej štruktúry Ostredkov bola podrobená simulácii ročnej solárnej iradiácie horizontálnych plôch za účelom posúdenia solárneho potenciálu.

Obrázok hore: Celková situácia územia Ostredkov s vyznačením hlavných dopravných a peších ťahov

Obrázok hore: Hmotovo-priestorová analýza územia_údaje v rámikoch vyjadrujú výšku objektov v metroch / podlažnosť . Na obrázku je znázornené členenie riešenej lokality na sedem sktorov (A, B, C, D, E, F). V lokalite A sú lokalizované administratívne, školské a výrobné objekty. Časti B, E, F sú si funkčne veľmi podobné. Jedná sa o objekty bývania s otvorenými vnútroblokmi a s doplnkovými funkciami (škôlky, nižšia vybavenosť). V sektore C sú okrem bývania sústredené aj školy s ihriskami, v juhovýchodnom cípe je administratívny objekt a supermarket. Časť D s bytovými budovami je doplnená o jednopodlažné garáže. Sektor G dnes tvorí park, ktorý ostáva v štúdii zachovaný.

Obrázok hore: Simulácia ročnej horizontálnej iradiácie existujúceho stavu riešenej lokality. Čiarkovanou čiarou je vyznačená hranica tienenia zemského povrchu objektmi počas rovnodennosti. Prekryv názorne zobrazuje opodstatnenosť zvoleného obdobia, v ktorom si objekty nemôžu vzájomne tieniť. Tak ako bolo opísané v predchádzajúcich kapitolách, interval od 20. marca do 21. septembra (9.00 až 15.00) sa stáva východiskom pre generovanie urbánnych štruktúr v riešenom území.

Obrázok hore: Zobrazenie miery tienenia objektov počas rovnodennosti v časovom intervale od 9.00 do 15.00 s vyznačením plochy, ktorá je na základe stanovených podmienok pre insoláciu a uskutočnených simulácií vhodná na zastavanie (vyznačená žltou farbou)

Zástavba je charakterizovaná množstvom medziľahlých plôch, s vysokou insoláciou. Rozsah tienenia existujúcimi stavbami v území bol na základe predošlého overovania posudzovaný pre rovnodennosť a 6-hodinový časový interval od 9.00 do 15.00. Tým boli vymedzené potenciálne zastaviteľné plochy.

V prvotných fázach prípadovej štúdie bola analyzovaná spotreba tepla existujúcej zástavby z dostupných zdrojov (centrálny dodávateľ tepla v území). Výskum narábal so spriemerovanými hodnotami potreby tepla pre jednotlivé objekty podľa meranej spotreby tepla za roky 2009 až 2013. Údaje o spotrebe elektrickej energie nebolo možné v prípade neverejných budov získať, preto sa v týchto prípadoch uvažovalo s priemernými hodnotami na základe ekvivalentných objektov. Väčšina z existujúcich bytových domov prešla v nedávnej minulosti rekonštrukciou, ktorá zahŕňala aj ich termickú sanáciu pridaním dodatočnej tepelnej izolácie na vodovú konštrukciu, prípadne hydrostatickým vyregulovaním vykurovacieho systému. Zníženie energetickej bilancie (nákladov na vykurovanie) niektorých objektov bolo zo získaných údajov spotreby tepla badateľné, aj preto boli výpočty založené na priemere posledných troch rokov.

Tabuľka: Urbanistické ukazovatele riešeného územia po navrhovanom zvýšení hustoty zástavby podľa jednotlivých sektorov.

Obrázok hore: Vyznačenie priemernej ročnej spotreby elektrickej a tepelnej energie pre jednotlivé objekty na základe dostupných údajov. Spotrebu elektrickej energie v bytových domoch v území nebolo možné získať, preto bola odhadnutá na základe priemernej spotreby slovenských domácností a počtu bytových jednotiek.

Tabuľka: Energetické urbanistické ukazovatele riešeného územia s pôvodnou zástavbou podľa jednotlivých sektorov Potreba tepla v pôvodnej zástavbe vychádzala zo získaných reálne nameraných hodnôt a spotreba elektriny na domácnosť bola určená na 6 kWh/dw/d. Účinnosť ST systémov bola stanovená na 25 % a PV systémov na úroveň 15 %. Spotreba elektromobilu predstavovala 17 kWh/100 km. 

Teoretický solárny potenciál urbánnych štruktúr bol získaný simuláciami solárnej iradiácie ich povrchov počas roka a je vyjadrený solárnym indexom. Výsledky simulácií zamerané na využitie helioenergetických systémov sa spolu s energetickou náročnosťou jednotlivých sektorov premietli do priemerných denných hodnôt energetického kooperačného indikátora. Uvažované solárne aktívne plochy vo forme fotovoltiky pokrývali v prípade existujúcej zástavby 45 % strešných plôch panelových domov. Účinnosť fotovoltickej konverzie bola stanovená na 15 % (v súčasnosti bežná účinnosť PV systémov). Na výpočet termického kooperačného indikátora urbánnych štruktúr sa uvažovalo s 15 % podielom solárnych kolektorov na strechách a 30 % na južne orientovaných fasádach objektov (bezokenné štítové steny). Celková účinnosť ST systému bola stanovená na 25 %, potreba tepla recipientných objektov bola 7,5 kWh/d/dw. Do výpočtu elektrického kooperačného indikátora vstupovali údaje o priemernej spotrebe elektrickej energie v podmienkach Slovenska 6 kWh/d/dw. Fotovoltický solárny potenciál urbánnych štruktúr bol alternatívne vyjadrený z hľadiska možnej kooperácie s elektromobilitou. Rátalo sa s dojazdom 20 km denne (pohyb elektomobilu v rámci mesta – zamestnanie, nákup etc.) Spotreba priemerného elektromobilu dosahuje 17 kWh/100 km. Ukazovateľ vyjadruje, koľko elektromobilov v rámci daného sektora možno za takto stanovených podmienok zásobiť potrebným množstvom elektriny. 

Obrázok hore: Celková situácia so začlenením navrhovanej zástavby. Navrhnuté rozmiestnenie nových objektov v existujúcej štruktúre vychádzalo z predchádzajúcej analýzy priestorov vhodných na zastavanie. Hmota novonavrhovaných štruktúr bola navrhnutá tak, aby nespôsobovala zatienenie jestvujúcej zástavby. Pre potreby prípadovej štúdie sa počítalo s odstránením niektorých existujúcich stavieb – predovšetkým menej hodnotnej jednopodlažnej zástavby a garáží. Rozmiestnenie a pôdorysný tvar doplnených objektov kompozične vychádza z existujúcej zástavby v riešenej lokalite. Park v centrálnej časti ostáva zachovaný.

Základným determinantom generovania nových urbánnych štruktúr bol stanovený interval, v ktorom si objekty nesmú vzájomne tieniť. Ten vychádzal z predošlých dosiahnutých výsledkov – od 20. marca do 21. septembra (jarná a jesenná rovnodennosť) počas intervalu od 9.00 do 15.00. Cieľové priestory na umiestňovanie novonavrhovaných objektov boli predovšetkým vnútrobloky bytových domov, ktoré vytvárajú svojím usporiadaním polouzavreté priestranstvá (otvorený blok). Pre účely výskumu (generovania) sa predpokladalo s asanáciou existujúcich (často nevyužívaných) jednopodlažných nebytových objektov, nachádzajúcich sa v riešených vnútroblokoch a plošne rozsiahlych individuálnych garáží, predovšetkým v sektoroch C a D. Rozmiestnenie a pôdorysný tvar doplnených objektov kompozične vychádza z existujúcej zástavby v riešenej lokalite. Park v centrálnej časti ostáva zachovaný.

Pre definovanie energetickej náročnosti a potenciálov novonavrhovaných objektov bola potreba tepla na kúrenie sta2no vená na úrovni pasívneho domu (15 kWh/m /a) a potreba energie na prípravu teplej vody 3,5 kWh/d/dw. Pri novonavrhovanej zástavbe sa rátalo s integrovaním PV systémov do južne orientovaných fasád pri ich plošnom pokrytí 45 %. Sklon týchto fasád bol optimalizovaný už pri procese generovania (rovina 36°). Na východných a západných stranách pokrývala fotovoltika 30 % fasádnych plôch. Rozsah plôch solárnych kolektorov na južnej, východnej a západnej fasáde bol hypoteticky stanovený na 25 %. Na základe konštrukčnej výšky podlažia 3 m a využiteľnosti stavebného objemu 75 % bol vypočítaný počet bytov (na jeden byt pripadalo 2,5 obyvateľa, pričom bytová jednotka vrátane prislúchajúcich plôch spoločných priestorov bola stanovená na 2100 m ).

Z dosiahnutých výsledkov vyplýva, že existujúca zástavba v lokalite Ostredky je v súčasnosti i pri teoretickej inštalácii aktívnych solárnych systémov energeticky deficitná – stále závislá od dodávky energie z externých zdrojov. Čistá produkcia elektrickej energie z PV pokrýva 54 % vlastnej spotreby elektrickej energie v území, resp. vo vzťahu k elektromobilite dostačuje napríklad na zásobenie 6498 elektromobilov. Na celkovo 4290 bytov to predstavuje približne 1,5 auta na domácnosť. Uvažované fototermické systémy by za daných podmienok dokázali saturovať asi štvrtinu potreby tepla na vykurovanie a ohrev TÚV. Solárny index celého posudzovaného územia s existujúcou zástavbou je 0,29, index podlažných plôch 0,60, index zastavaných plôch 0,13 a počet obyvateľov na hektár 138.

Novonavrhovaná zástavba s objektmi generovanými na solárnom princípe mala za cieľ dosiahnuť energetický štandard budovy s takmer nulovou potrebou energie. Pri dnes už bežne dostupných stavebno-technických riešeniach pasívneho domu by fotovoltika v definovanom rozsahu pokryla 128 % a fototermika 117 %. Stáva sa tak energeticky nadproduktívna (v priebehu roka vyrobí viac energie, ako je potrebné na zabezpečenie jej prevádzky) s potenciálom zapojenia sa do konceptu vzájomnej energetickej kooperácie.

Obrázok hore: Uplatnenie princípov generatívneho navrhovania urbánnych štruktúr v zastavanom území. Po vyčlenení nezastaviteľných plôch (zelené plochy, plochy odstupov od obytných domov 10 m) nasledovalo vymedzenie objemov, ktoré nie sú zatienené od úrovne prvého nadzemného podlažia. Finálnym krokom bolo vygenerovanie stavebných objemov v zmysle solárneho urbanistického konceptu dopĺňajúceho jestvujúci sídelný útvar. Objemy nových štruktúr netienia jestvujúcim v období od rovnodennosti do letného slnovratu v intervale od 9.00 do 15.00 hodiny.

Obrázok hore: Solárny index Ostredkov podľa jednotlivých sektorov pri súčasnej zástavbe a po doplnení generovanými štruktúrami. Solárny index bol vyčíslený pre súčasnú aj navrhovanú konfiguráciu zástavby na základe simulácií solárnej iradiácie pre celoročné obdobie. Údaje v jednotlivých sektoroch dopĺňajú tiež zaužívané urbanistické ukazovatele – index podlažných plôch, index zastavaných plôch, počet obyvateľov na hektár. Nezastavaný sektor G je zohľadnený v rámci ukazovateľov pre celkové územie.

Obrázok hore: Jednotkový termický a elektrický kooperačný indikátor pôvodnej zástavby.

Tabuľka: Energetické urbanistické ukazovatele riešeného územia s pôvodnou zástavbou podľa jednotlivých sektorov. Potreba tepla v pôvodnej zástavbe vychádzala zo získaných reálne nameraných hodnôt a spotreba elektriny na domácnosť bola určená na 6 kWh/dw/d. Účinnosť ST systémov bola stanovená na 25 % a PV systémov na úroveň 15 %. Spotreba elektromobilu predstavovala 17 kWh/100 km. 

V prípade výlučného zásobovania elektromobilov možno zásobiť elektrinou 2668 elektromobilov. Na celkovo 1184 bytov to predstavuje približne 2,25 auta na domácnosť.

Integrovaním dvoch predchádzajúcich štruktúr dochádza k zahusteniu zástavby so zachovaním požiadaviek na insoláciu. Solárny index takejto novej štruktúry je 0,37, index podlažných plôch sa zvyšuje na úroveň 0,75, index zastavaných plôch na 0,18 a celkový počet obyvateľov na hektár je 176, čo predstavuje približne 30 % nárast oproti existujúcemu stavu. Fotovoltika je schopná pokryť 65 % elektrickej spotreby v území a fototermika 32 % potreby tepla. V prepočte na celkový potenciálny počet elektromobilov to znamená 9166 vozidiel.

Analýza výslednej zahustenej štruktúry prebiehala aj pre optimálne okrajové podmienky, keď bolo uvažované so znížením spotreby elektrickej energie na hodnotu 4 kWh/d/dw a potreby tepla existujúcej zástavby o 25 %. V takomto prípade celkový jednotkový elektrický kooperačný indikátor v území je -1400 dw, čiže pokrytie vlastnej spotreby na 85 %. Jednotkový termický kooperačný indikátor dosahuje pre celé územie hodnotu -5922 dw, čo znamená pokrytie potreby tepla na 42 %. Územie by ani pri takto stanovených parametroch nedokázalo fungovať ako energeticky takmer nulové. Alternatívne, redukcia potreby tepla o 40 % komplexnou energetickou obnovou existujúcich budov, zvýšením účinnosti fototermického systému na 50 %, fotovoltiky na 21 % a zachovaním spotreby elektrickej energie v domácnosti 4 kWh/d/dw sa prejavili vo vytvorení synergického energeticky pozitívneho urbánneho celku. K zvýšeniu vyťažiteľnosti energie zo solárneho termického systému môže prispieť celoročné odovzdávanie prebytkového tepla do existujúcej infraštruktúry CZT (potrebná by bola legislatívno-právna úprava). Výsledný jednotkový elektrický kooperačný indikátor je +809 dw a jednotkový termický kooperačný indikátor je +127 dw. Fotovoltika zabezpečuje 109 % a fototermika 102 % celkových energetických potrieb v území.

Tabuľka: Energetické urbanistické ukazovatele riešeného územia len pre novonavrhovanú zástavbou podľa jednotlivých sektorov. 2Potr eba tepla novonavrhovanej zástavby predpokladala dosiahnutie pasívneho energetického štandardu (15 kWh/m /a) a spotreba elektriny na domácnosť bola určená na 6 kWh/dw/d. Účinnosť ST systémov bola stanovená na 25 % a PV systémov na úroveň 15 %. Spotreba elektromobilu predstavovala 17 kWh/100 km. 

Obrázok hore: Jednotkový termický a elektrický kooperačný indikátor len novonavrhovanej zástavby.

Tabuľka: Energetické urbanistické ukazovatele riešeného územia pri navrhovanom zvýšení hustoty zástavby podľa jednotlivých sektorov. Potreba tepla v pôvodnej zástavbe vychádzala zo získaných reálne nameraných hodnôt v novonavrhovanej zástavbe predpokladala dosiahnutie pasívneho energetického 2štandar du (15 kWh/m /a) a spotreba elektriny na domácnosť bola určená na 6 kWh/dw/d. Účinnosť ST systémov bola stanovená na 25 % a PV systémov na úroveň 15 %. Spotreba elektromobilu predstavovala 17 kWh/100 km.

Obrázok hore: Jednotkový termický a elektrický kooperačný indikátor pri navrhovanom zvýšení hustoty zástavby.

Obrázok hore: Jednotkový termický a elektrický kooperačný indikátor pri znížení potreby tepla existujúcich štruktúr o 25 % a redukcii spotreby elektriny na 4 kWh/d/dw.

Tabuľka: Energetické urbanistické ukazovatele riešeného územia pri navrhovanom zvýšení hustoty zástavby podľa jednotlivých sektorov a pri teoretickom znížení spotreby a zvýšení účinnosti helioenergetických systémov. Potreba tepla v pôvodnej zástavbe vychádzala z jej hypotetického zníženia o 40 % oproti súčasnej reálne nameranej (komplexná energetická obnova), v novonavrhovanej 2zástavbe predpokladala dosiahnutie pasívneho energetického štandardu (15 kWh/m /a) a spotreba elektriny na domácnosť bola určená na 4 kWh/dw/d. Účinnosť ST systémov bola stanovená na 50 % a PV systémov na úroveň 21 %. Spotreba elektromobilu predstavovala 17 kWh/100 km.

Obrázok hore: Jednotkový termický a elektrický kooperačný indikátor pri znížení potreby tepla existujúcich štruktúr o 40 % a spotreby elektriny na 4 kWh/d/dw, pri zvýšení účinnosti fototermického systému na 50 %, fotovoltiky na 21 %.

Problematika simulácie energetickej bilancie stavieb a urbánnych celkov predstavuje komplexnú úlohu, ktorá závisí od množstva vstupných determinantov. V predloženej štúdii bolo kalkulované s priemernou dennou solárnou iradiáciou počas celého roka. Dostupnosť slnečného žiarenia sa v priebehu roka mení, čo sa prejavuje kolísavými energetickými ziskami. Spotreba jednotlivých objektov variuje aj v závislosti od odberových špičiek a ďalších faktorov. Je potrebné si uvedomiť, že všetky tieto aspekty sa v realite premietajú do kooperačného potenciálu a výsledného konceptu.

Na záver seriálu prikladáme vybrané kapitoly publikácie Solárna stratégia udržateľného mesta vo formáte PDF: