Solárna stratégia udržateľného mesta, časť 7: Energetická kooperácia urbánnych štruktúr

Vybrané časti knihy zverejňujeme na pokračovanie. Dnes je témou Energetická kooperácia urbánnych štruktúr a definovanie nových energeticky vztiahnutých urbanistických indikátorov na uplatnenie v procese územnej regulácie.

Bádanie na poli architektúry sa takmer zákonite uskutočňuje v spojitosti s presahom do inej vednej disciplíny. Výsledky výskumu tu však, na rozdiel od iných vied, nebývajú uspokojivé, kým nie je zrejmá eventualita ich architektonickej aplikácie. Tam, kde pre iný výskum „postačí“ na vyvolanie úžasu číselná hodnota alebo prebehnutie reakcie, induktívny výskum v architektúre potrebuje vnímať kontext uplatniteľnosti ako určitý oporný bod. V publikácii preto považujeme za potrebné, okrem zozbierania dát, ich evaluácie a interpretácie, ponúknuť presah do možností ich praktického uplatnenia v kontexte energeticky efektívneho urbanizmu.

Heterogénnosť zástavby v urbanizovanom území je vo svojej podstate zaujímavá nie len z pohľadu možnej estetiky priestorov, ale aj z hľadiska energetického. Upriamením pozornosti na kľúčovú dimenziu urbanizmu, v ktorej sa snúbi stará výstavba s novou, formuje sa typologická a funkčná rozmanitosť a energetickú deficitnosť niektorých urbánnych elementov je možné vyvažovať potenciálom energetickej nadprodukcie iných, chceme prispieť k posunu vývoja udržateľnej tvorby miest. V urbanistickom zábere tiež možno efektívnejšie stanoviť limitné požiadavky na energetické parametre výstavby a zamerať sa na dosahovanie cieľov, vytýčených EÚ, prostredníctvom takmer nulovej energetickej bilancie mestských štvrtí. V urbanistickej rovine sa tiež formuje kultúrna identita mesta, ktorá je z hľadiska udržateľnosti nemenej podstatná ako energetická efektívnosť.

Cieľom, prezentovaným na nasledujúcich stranách, je preskúmanie potenciálu využívania solárnej energie zaužívanými typologickými druhmi obytných urbánnych štruktúr, fungujúcich vo vzájomnej energetickej kooperácii v prospech urbanistického celku. Typológie sú v podmienkach Bratislavy posudzované z hľadiska možnosti dosahovať vyrovnanú energetickú bilanciu medzi vlastnou produkciou a spotrebou, prípadne vytvárať prebytky, ktoré by bolo možné poskytnúť okolitým štruktúram. Kooperatívne princípy umožňujú dosiahnuť pri organizovaní územia väčšiu mieru rozmanitosti a vyššiu kvalitu pobytových priestorov. Tento koncept umožní, že nebude nevyhnutné sústrediť sa pri všetkých urbanistických štruktúrach na maximalizáciu energetických ziskov prostredníctvom aktívnych solárnych systémov, pretože smerodajnou bude sumárna efektívnosť (vyváženosť) celku. /Sledovanie energetického potenciálu urbánnych štruktúr je potrebné prepojiť s ukazovateľmi urbanistickej ekonómie – posudzovať podlažné plochy, resp. počet obyvateľov vo vzťahu k sledovanému modelovému územiu. V podobnom duchu (množstvo spotrebovanej energie za dané časové obdobie/m2) je bežne posudzovaná energetická náročnosť jednotlivých stavebných objektov./ Problematiku a potenciál prepojenia jestvujúcich a novovznikajúcich štruktúr je potrebné vnímať v kontexte princípov generovania efektívnych urbánnych objemov, vytvárajúcich lokálne energetické prebytky. Takýmto urbanistickým vstupom je možné oživiť územie nielen kompozične, ale aj z hľadiska tokov energie. Jestvujúce urbánne štruktúry je potrebné, spolu s novovznikajúcimi, aktívne zapojiť do energeticky kooperujúcich zonálnych celkov.

Z hľadiska optimalizácie energetickej bilancie územia by bolo vhodné, už vo fáze urbánneho návrhu, disponovať určitou mierou usmerňujúcich poznatkov, pretože vo fáze riešenia samotných architektonických objektov je v zásade zlepšenie energetického potenciálu neprimerane náročné, prípadne až nemožné. Preto považujeme za potrebné definovať urbanistické ukazovatele, ktoré by v rámci komplexného systému energetických tokov poskytli možnosť jednoduchej charakteristiky jednotlivých elementov urbánneho celku.

Zavedenie nových ukazovateľov energetického kooperačného potenciálu urbánnych štruktúr nutne predpokladá energetickú aktiváciu urbánnych štruktúr z hľadiska využívania solárnej energie. Parciálny cieľ je etablovať tiež urbanistický ukazovateľ, ktorý by charakterizoval urbánne štruktúry z hľadiska efektívnosti zachytávania dopadajúceho solárneho žiarenia a umožňoval by tak objektívne porovnanie ich solárneho potenciálu. Význam nových indikátorov nemá spočívať v nahradení tých súčasných, majú mať predovšetkým doplnkovú funkciu. Ich uplatnenie musí podliehať kultúrnemu a historickému kontextu daného územia a pred eventuálnym uvedením do praxe musia byť podrobne preverené dostatočným množstvom štúdií, ktoré potvrdia alebo vyvrátia ich schopnosť usmerňovať územný rozvoj v intenciách zvyšovania energetickej efektívnosti a dosahovania primeraných aktívnych solárnych ziskov v rámci urbánneho celku.

Indikátor umožňujúci vyjadriť potenciál urbanistickej štruktúry alebo určitého územia energeticky kooperovať so svojím okolím prostredníctvom lokálnej inteligentnej energetickej siete možno v územnoplánovacích procesoch využiť rovnako pre elektrickú ako aj pre termickú energiu. Intenciou zavedenia takéhoto verzatilného urbanistického indikátora je vnesenie aspektu aktívneho získavania a narábania s regeneratívnou energiou do dimenzie urbanistickej tvorby. Predpokladom na jeho uplatnenie je práve decentralizácia energetických zdrojov/producentov prostredníctvom ich integrácie do hmotovo-priestorovej substancie urbánnej skladby. Urbanistický indikátor tohto typu bol v našej práci nazvaný kooperačný indikátor. 

Schematické znázornenie princípov energetickej kooperácie medzi urbánnymi fragmentmi mesta. Kooperačný indikátor je definovaný ako kvantifikátor negatívnej alebo pozitívnej energetickej bilancie urbánnej štruktúry v rámci synergického urbánneho rámca. Deklaruje jej energetické prebytky, resp. energetické nároky, vo vzťahu k okolitým štruktúram alebo mestským štvrtiam, za účelom efektívneho využívania aktuálne dostupnej energie z obnoviteľných zdrojov.

Kooperačný indikátor urbánnej štruktúry sme definovali ako kvantifikátor negatívnej alebo pozitívnej energetickej bilancie danej štruktúry v rámci synergického urbánneho rámca – teda schopnosti urbánnej štruktúry poskytnúť svoje energetické prebytky, resp. definovať svoje energetické nároky vo vzťahu k okolitým štruktúram alebo mestským štvrtiam, za účelom efektívneho využívania aktuálne dostupnej energie z obnoviteľných zdrojov. Indikátor je možné využiť v súvislosti s manažovaním obojsmerných energetických tokov na lokálnej (resp. regionálnej) úrovni, čím anticipuje koncept inteligentných energetických sietí smart-grid (stratégia Európa 2020).

Úloha kooperačného indikátora je číselné vyjadrenie potenciálu energetickej nadprodukcie, resp. deficitnosti určitého typu zástavby, (spravidla pre referenčnú plochu/pozemok veľkosti 1 ha), za určité časové obdobie. Z energetického hľadiska môže byť zameraný na vyjadrenie potenciálu elektrickej alebo termickej energie, (prípadne inej sledovanej komodity, resp. média, ktorými sa však naša práca bližšie nezaoberá).

Kooperačný indikátor urbánnej štruktúry je určovaný výpočtom alebo simuláciou pre danú lokalitu na základe aktívnych energetických ziskov z obnoviteľných zdrojov (PV, ST) a energetických nárokov na prevádzku. V určitých špecifických prípadoch môže ísť o energetické prebytky vo význame odpadového tepla z produkcie, či iných procesov. Z hľadiska spracovania údajov je možné hodnotu kooperačného indikátora stanoviť ako energetický ukazovateľ, udávaný v [kWh/d/ha] alebo ako jednotkový ukazovateľ, udávaný v v počte cieľových jednotiek (domácností/bytových jednotiek a pod.) [dw/d/ha]. V alternatívnom vyjadrení by bolo možné kooperačný indikátor vztiahnuť k úžitkovej podlažnej ploche, k zastavanej ploche, prípadne k entite samotnej štruktúry. Definície tohto alternatívneho charakteru však budú mať zrejme skôr lokálne uplatnenie a z dôvodu ich značnej premenlivosti pravdepodobne nebudú v tejto podobe adekvátne uplatniteľné v konštrukcii urbanistickej skladby širšej ako urbanistická zóna.

Pre účely nášho výskumu bol kooperačný indikátor jednotlivých urbánnych štruktúr určovaný prepočtom, na základe simulácií iradiácie povrchu urbánnych štruktúr v lokalite Bratislava, ako priemerná denná hodnota počas troch simulačných období (zimné/prechodné/letné). Na základe ziskov z PV systémov a elektrickej spotreby urbánnej štruktúry bol určovaný elektrický kooperačný indikátor [EKI]. Na základe energetických ziskov zo solárnych kolektorov, pasívnych energetických ziskov, teplotechnických výpočtov potreby tepla na vykurovanie a potreby tepla na prípravu teplej vody bol kalkulovaný termický kooperačný indikátor [TKI]. Oba indikátory boli vyjadrované paralelne dvoma spôsobmi – ako energetické kooperačné indikátory, v skrátenej forme uvádzané ako [eEKI; eTKI] v [kWh/d/ha], a ako jednotkové (unitárne) kooperačné indikátory, skrátene [uEKI; uTKI] v [dw/d/ha].

Ďalší indikátor, umožňujúci vyjadrenie potenciálu urbánnych štruktúr zachytávať dopadajúce slnečné žiarenie je solárny index. Má umožňovať jednoduché vzájomné porovnanie solárneho potenciálu rôznych typov urbanistickej zástavby pri dodržaní určitých okrajových kritérií. Ťažisková oblasť aplikácie tohto ukazovateľa má spočívať v tvorbe regulatívov s dôrazom na tvorbu energeticky efektívneho urbanizmu.

Inšpiratívny vstup pre úvahy o solárnom indexe stavebných objemov poskytli vyššie spomínané solárne katastre viacerých európskych miest, opisujúce potenciál energetických ziskov pri využití strešnej roviny alebo častí fasád aktívnymi solárnymi technológiami. V takejto forme zobrazenia nadobúda štruktúra mesta novú dimenziu. Jeho mierku, jeho kompozičnú, funkčnú a typologickú skladbu možno vnímať iným spôsobom. V energeticky podmienenom pohľade na štruktúru mesta vystupujú do popredia jednotlivé typy urbánnych štruktúr ako obrazotvorné elementy s variujúcim potenciálom využitia dostupného slnečného žiarenia. Reguláciou solárneho indexu v určitých častiach územia možn nepriamo ovplyvňovať i tvorbu obrazu mesta. Definuje však len predpoklad získavania a využívania energie slnka a nutne nevyžaduje uplatnenie aktívnych solárnych technológií. Solárny index tak môže byť využitý ako medzistupeň, zabezpečujúci predbežný potenciál pre budúce aktívne energetické zisky v urbánnej skladbe.

Solárny index urbánnej štruktúry (zóny/celku/mestskej štvrte), definujeme ako pomer celkového množstva slnečnej radiácie dopadajúcej počas stanoveného obdobia na povrch predmetnej urbánnej štruktúry, voči celkovému množstvu slnečnej radiácie, dopadajúcej na povrch referenčnej plochy pozemku, prislúchajúcej k danej urbánnej štruktúre. Prostredníctvom číselnej hodnoty tak vyjadruje, akú veľkú časť slnečného žiarenia, dopadajúceho na dané územie, je urbánna štruktúra schopná zachytiť a potenciálne zužitkovať.

Schematické znázornenie solárneho indexu. Je daný pomerom slnečnej radiácie, dopadajúcej počas určitého obdobia na povrch urbánnej štruktúry, voči celkovému množstvu slnečného žiarenia teoreticky dopadajúceho na povrch plochy pozemku.

Zatiaľ čo solárna iradiácia referenčného pozemku ostáva nemenná, konfiguráciou objemov štruktúry, ich orientáciou voči svetovým stranám, regulovaním hustoty zástavby, tvarovaním hmôt atď. je možné ovplyvniť množstvo slnečnej energie, ktorú urbánna štruktúra dokáže povrchom zachytiť. Množstvo dopadajúcej energie bude závislé od posudzovaného obdobia, ktoré by malo byť stanovené zmysluplne vzhľadom na zámer využívania solárnej energie. Výpočet zahŕňa redukciu ziskov z dôvodu tienenia okolitými štruktúrami a pochopiteľne i mieru vlastného tienenia. /Určitá forma solárnej regulácie mestskej zástavby môže byť založená na solárnom indexe jednotlivých urbánnych elementov/celkov. So stanovením hraničných hodnôt solárneho indexu urbánnych štruktúr musia nutne súvisieť limitné požiadavky na reguláciu hustoty zástavby a odstupové vzdialenosti, aby sa predišlo eventuálnej kontraproduktívnosti tohto konceptu. Solárny index je zákonite tým vyšší, čím väčší je rozsah „zberných plôch“, čo by v určitých prípadoch pri nesprávnej aplikácii mohlo mať za následok znížené hodnoty iradiácie okolitých štruktúr./ Na definovanie solárneho indexu je podstatným referenčné obdobie. V práci určujeme solárny index pre jednotlivé obdobia charakteristickej skladby roka – zima/prechodné obdobie/leto. Táto podrobnosť vyplýva z potreby detailnejšieho preskúmania charakteristík solárneho indexu sledovaných urbánnych štruktúr počas spomenutých období. 

Solárny index ako podiel iradiácie urbánnej štruktúry a iradiácie prislúchajúceho územia je vyjadrený bezrozmerným číslom, spravidla menším ako 1. Hodnota vyššia ako 1 by znamenala, že štruktúra dokáže zachytiť viac solárnej radiácie, než dopadá na prislúchajúce územie. V zásade je takáto situácia možná, ale skôr neštandardná.

V našej práci je solárny index skúmaných typologických druhov urbánnych štruktúr vztiahnutý k referenčným plochám o veľkosti 1 ha z dôvodu lepšej možnosti ich vzájomnej komparácie. Pre regulatívne uplatnenie ukazovateľa solárny index v územnom plánovaní je však možné rámec predmetného územia definovať v širšom rozsahu za účelom umožnenia väčšej kompozičnej rozmanitosti.

Potenciál vyššie spomenutých energeticky viazaných urbanistických ukazovateľov spočíva v zavedení aspektu generovania energie a aktívneho manažmentu energetických tokov do dimenzie územného plánovania. Majú poukázať na možnosti vytvárania lokálnych inteligentných energetických sietí a zdôrazniť príležitosť eliminovania energetických požiadaviek deficitných (súborov) budov z obnoviteľných zdrojov prostredníctvom energetickej kooperácie v rámci mestskej štvrte. Už vo fáze plánovania urbánnych celkov sa tak bude dať nahrubo sledovať, kontrolovať a reagovať na energetický potenciál, resp. energetickú bilanciu budúceho návrhu. Takýto postup je dôležitý a príznačný pre výstavbu s ambíciou vysokej energetickej efektívnosti. V úzkej súvislosti s lokálnym využívaním OZE stojí tiež „čisté“ zásobovanie elektromobility. Koncept vytvárania tzv. smart gridov, rovnako ako ciele znižovania energetickej spotreby, zvyšovania efektívnosti a intenzívnejšieho využívania obnoviteľných zdrojov, zapadajú do vytýčených cieľov stratégie Európa 2020.

Príklad: Otvorená bloková zástavba, 8 NP

Tvar pozemku: 100 x 100 m
Plocha územia: 1,000 ha
Obostavaný objem: 57 504 m3
Plocha strešnej roviny: 2 396 m2
Plocha fasádnych rovín: 10 272 m2
Podlažnosť: 8
Index zastavanej plochy: 0,24
Index podlažnej plochy: 1,92
Počet bytov/ha: 191,7
Odstupová vzdialenosť fasád: 30 - 44 m
Hĺbka traktu: 14 m

EKI - Elektrický kooperačný indikátor. Elektrický kooperačný indikátor je do veľkej miery ovplyvnený zmenou orientácie. V zime výrazne dominuje S a J orientácia, pričom v lete práve táto orientácia je nevýhodná.

Elektrický kooperačný indikátor je v grafoch vyjadrený variantne: uEKI – jednotkový elektrický kooperačný indikátor a eEKI – energetický elektrický kooperačný indikátor.

Priemerný denný uEKI urbánnej štruktúry v závislosti od zmeny priemernej spotreby elektrickej energie domácnosti. Rozdiel vo výsledných hodnotách výpočtu kooperačných indikátorov, ktorý vzniká zmenou východiskových parametrov – teda znížením priemernej dennej spotreby domácnosti zo 6 kWh na 4 kWh.

Solárny index

Tienenie.

Rozsah tienenia vytváraný štruktúrou medzi 10.00 a 14.00 pre 21. december/marec/jún, zobrazený pre najviac a najmenej výhodnú orientáciu na základe solárneho indexu.

TKI – Termický kooperačný indikátor Pre jednotlivé simulačné obdobia sa z hľadiska TKI výhodnosť orientácie rôzni. Výsledkom je, že orientácia, dosahujúca v celoročnom priemere najvyšší kooperačný potenciál, sa nachádza v polohách medzi +150° a +135°, resp. -45° a -30°

Termický kooperačný indikátor je v grafoch vyjadrený variantne: uTKI – jednotkový termický kooperačný indikátor a eTKI – energetický termický kooperačný indikátor

Priemerný denný uTKI (jednotkový termický kooperačný indikátor) urbánnej štruktúry v závislosti od súčiniteľa prechodu tepla. Rozdiel vo výsledných hodnotách výpočtu kooperačných indikátorov, ktorý vznikajúci znížením súčiniteľov prechodu tepla v súlade s minimálnymi priebežnými požiadavkami EU od roku 2013, 2016, 2021.

Článok je výňatkom z publikácie Solárna stratégia udržateľného mesta.
Autori: Ing. arch. Ján Legény, PhD; Ing. arch. Peter Morgenstein, PhD.
Ústav ekologickej a experimentálnej architektúry Fakulta architektúry Slovenská technická univerzita Nám. slobody 19 813 45 Bratislava
Vydala Slovenská technická univerzita v Bratislave v Nakladateľstve STU. Bratislava, 2015
ISBN 978-80-227-4366-2 85-216-2015