Národní technická knihovna od návrhu k provozu

Budova NTK
Budova NTK se nachází v centru kampusu technických univerzit ČVUT a VŠCHT v Praze - Dejvicích (obr. 1, 2). Ústřední vizí bylo vytvořit určité centrum mezi jednotlivými vysokými školami, pomyslné srdce celého kampusu. Národní technická knihovna má proto čtyři vchody a je zcela průchozí. Budova má v půdorysu čtvercový zaoblený tvar o vnějších rozměrech přibližně 70 × 70 m a obsahuje šest nadzemních a tři podzemní podlaží. Celková zastavěná plocha budovy je cca 5200 m2.

Celá budova je rozdělena do několika samostatných funkčních celků. Hlavní částí je vlastní knihovní prostor umístěný v 3. až 6.NP. Část tohoto prostoru je vyčleněna pro studovny, čítárny a počítačové studovny. V severovýchodní části za atriem jsou umístěny kancelářské prostory. V přízemí a 2.NP se nacházejí prodejní plochy, restaurace a pasáž. V podzemních podlažích jsou hromadné garáže. Uprostřed budovy je navrženo velké otevřené atrium se schodištěm a výtahy, které umožňují přístup do všech veřejných prostor. Atrium je na střeše opatřeno rozlehlým světlíkem, který slouží pro přístup světla, ale lze ho otevřít a zajistit přirozené větrání.

Národní technická knihovna je příkladem budovy, u které byl při návrhu využit energetický simulační výpočet pro předpověď tepelného chování budovy včetně vlivu na její vnitřní tepelné prostředí. Tento přístup byl zvolen s ohledem na výraznou akumulační schopnost budovy, která umožňuje tepelnou aktivací masivních částí betonových konstrukcí upravovat stav vnitřního prostředí. Budova NTK byla slavnostně otevřena 9. září 2009 a od té doby uběhla doba, která umožňuje bilancovat její provoz.

Technické řešení budovy
Koncepce technického řešení budovy vychází z minimalizace tepelných zisků využitím vnějšího stínění a uspořádání budovy. Budovu tvoří nosný železobetonový monolitický skelet s deskami působícími většinou ve dvou směrech (oboustranně předpjatý). Vnitřní stěny jsou převážně ze sádrokartonových příček či prosklených stěn. Fasáda je dvouplášťová, s vnějším pláštěm ze skleněných prvků typu Profilit. Vnitřní obvodová fasáda je lehká, s výrazným podílem prosklených ploch.

Aktivace betonového jádra
Pro vytápění a chlazení prostoru knihovny a čítáren v 3. až 6.NP je navržen stropní sálavý systém s možností akumulace tepla do stavební konstrukce, tzv. aktivace betonu (TABS - Thermo Active Building System). V betonové desce je v hloubce 150 mm (uprostřed desky) umístěn potrubní systém s roztečí 150 mm, do něhož je přiváděna chladicí nebo otopná voda. Jedná se o plastové potrubí o průměru 20 × 2 mm nebo 17 × 2 mm, které se vkládalo přímo s armováním (obr. 3a, b). Smyčky potrubí jsou kladeny přes sebe. Funkce systému spočívá v předchlazení (případně předehřevu) betonové stropní desky v nočních hodinách (od 20.00 hod. do 8.00 hod.)
zabudovaným potrubním systémem. V průběhu dne dochází ke sdílení naakumulované energie do prostoru (systém se vybíjí). Chladicí systém pracuje s výkonem 40 W/m2 a teplotou chladicí vody 18/21 °C. Aktivní plocha tvoří cca 71 % z celkové plochy stropu.

Při aktivaci betonu (chlazení stavebních desek) se kombinuje sálavé chlazení s akumulací chladu do masivní betonové konstrukce. Při sálavém chlazení je pak množství větracího vzduchu omezeno pouze na hygienické minimum (25 m3/h.os). Vzduch je přiváděn do prostor knihovny a odváděn přes atrium. Především v kancelářích na severovýchodní fasádě se předpokládá přirozené větrání okny. Dobře provětraná dvojitá fasáda spolu s otevíratelnými okny a centrálním atriem umožňuje i přirozené větrání a případné noční chlazení (předchlazení budovy venkovním vzduchem během chladnější noci).

Jedním z důvodů použití systému s akumulací chladu do stavební konstrukce je snaha o maximální využití zdroje chladu a minimalizaci jeho výkonu (v noci pracuje s vyšším chladicím faktorem, využívá výhodnější tarif). V nočních hodinách se zdroj chladu využívá k chlazení stavební konstrukce, během dne pak slouží pro klimatizaci počítačových učeben a provozoven. Detailní návrh dynamického chování při střídavém chlazení překračuje možnosti běžného projektování a vyžaduje podrobné řešení využívající energetickou počítačovou simulaci.

Energetická simulace
V rámci návrhu budovy byla realizována energetická počítačová simulace. Cílem výpočtů bylo predikovat chování budovy s ohledem na tvorbu vnitřního prostředí v knihovně, navrhnout optimálně výkon zdroje chladu a režim provozu. Energetická simulace se skládala ze dvou částí: modelu dvojité prosklené fasády a celkového modelu budovy NTK.

Model dvojité fasády
V první části byla řešena dvojitá zasklená provětrávaná fasáda objektu. Studie měla za úkol:

• optimalizovat koncepci dvojité provětrávané fasády se zaměřením na extrémní letní podmínky - určení vnitřní teploty, respektive rozdílu mezi teplotou venkovní a teplotou ve fasádě, je důležité pro posouzení zjednodušujících okrajových podmínek pro celkový model budovy NTK.;
• vyhodnotit možnosti využití ?mezifasádního? vzduchu k přívodu čerstvého vzduchu do prostor knihovny.
  

Pro řešení teplotních podmínek v mezifasádním prostoru byl sestrojen model segmentu dvojitého zaskleného pláště s jižní orientací. Modelovaná fasáda je vícepodlažní výsek objektu, kde je každé podlaží zastoupeno jednou zónou. Spodní hrana zasklení se nachází ve výšce 3,5 m nad zemí, horní hrana přečnívá o 1,2 m nad střechou. Celková výška fasády je 20,4 m . Jedná se o pětizónový model s hmotnými stínicími prvky o výšce 1,4 m v mezifasádním prostoru v jednotlivých zónách. Tyto stínicí žaluzie jsou použity podél celého obvodového pláště (kromě severní části fasády). Geometrický model byl doplněn o model přirozeného proudění vzduchu zahrnující především proudění způsobené rozdílem hustot a účinkem větru (obr. 4). Model proudění řeší tlakové poměry v jednotlivých podlažích s respektováním jak spodních a horních větracích otvorů, tak štěrbin mezi jednotlivými profily vnější fasády. Při detailním řešení přirozeného proudění vlivem větru bylo potřeba získat korekční koeficienty respektující tvar a pozici budovy, stejně jako její okolí, vzhledem k tlakovým účinkům větru na danou fasádu.

Počítačová simulace byla provedena pro letní období typického roku v Praze (TRY). Vyhodnotila chování atypické provětrávané fasády Národní technické knihovny. Bylo shledáno, že k přívodu čerstvého vzduchu do prostor knihovny lze využít ?mezifasádního? vzduchu. Teploty vzduchu v mezifasádním prostoru jsou mírně vyšší než teplota venkovního vzduchu, ale po většinu letního období (94 %) tento rozdíl nepřevýší 2 °C.

Celkový model NTK
Pro řešení energetických bilancí budovy NTK a dimenzování systému stropního chlazení s akumulační hmotou byl sestaven model v programu ESP-r. Vzhledem k tomu, že hlavní důraz se kladl na řešení celkové energetické bilance v prostorách knihovny, byl model sestaven pro nadzemní část knihovny (3. až 6.NP). Tato část budovy byla rozdělena do třinácti zón. Model budovy byl vzhledem k technickým možnostem použitého softwaru zjednodušen. Vlastní tvar jednotlivých podlaží se v podstatě shoduje s tvarem budovy, jen zakřivené tvary fasády musely být nahrazeny rovnými úseky (obr. 5).

Počítačové simulace umožňují posuzovat různé varianty provozu systému budovy. Pro budovu NTK byly nakonec sledovány dvě základní varianty provozu chladicích stropů. Simulační výpočty byly zaměřeny pouze na letní období v režimu chlazení, přičemž se předpokládalo plné vytížení knihovny. V první variantě bylo stropní chlazení v provozu na plný výkon (cca 40 W/m2) v nočních hodinách (od 20.00 hod. do 8.00 hod.) a jednu hodinu během dne (13.30 až 14.30 hod.). Stropní chlazení se vypne, když teplota vzduchu v knihovně klesne pod 20 °C. Ve druhé variantě bylo stropní chlazení v provozu jen v noci (20.00-8.00 hod.).

Počítačové simulace pomohly pochopit chování budovy a potvrdily možnost využití sálavého chladicího systému s akumulační hmotou (aktivace betonu) pro budovu NTK. Pro tyto podmínky se maximální vnitřní teploty vzduchu v létě pohybují okolo 27 °C, pokud bude v provozu denní přichlazování. V případě pouze nočního chlazení betonu okolo jsou maximální teploty blízké 28 °C. Z výsledků simulačních výpočtů je rovněž zřejmé kolísání teploty vzduchu (respektive operativní teploty zahrnující vliv teploty vzduchu, střední radiační teploty a rychlosti proudění) během dne. Toto kolísání lze u systémů podobného typu připustit.

V přechodovém období hrozí v nočních hodinách nebezpečí podchlazení budovy. V původním návrhu se nepředpokládalo využití aktivace betonu v kancelářské části budovy. Výsledky simulace však poukázaly na riziko nárůstu teplot v letních měsících a na základě těchto závěrů byl systém sálavého chlazení (aktivace betonu) instalován i v této části budovy.

Zkušenosti z provozu budovy
Po dokončení budovy bylo realizováno a uvedeno do provozu monitorování budovy, a to včetně postupné optimalizace provozu systému. První zkušenosti s provozem potvrdily závěry simulace i přes skutečnost, že jeho optimalizace trvá u budov obdobného typu minimálně jeden až dva roky.

Základní otázkou provozu větrání a klimatizace budovy je aktivace betonového jádra. Část letního období lze používat noční přirozené větrání pro předchlazení betonových konstrukcí bez aktivace vodním systémem. Vodní chlazení je pak v provozu pouze v kancelářských prostorách s vyšší tepelnou zátěží, v knihovní části budovy potom jen v letních extrémech. Přirozené převážně noční větrání okny s odvodem vzduchu pod stropem atria zajišťuje dostatečné provětrání, což je průběžně pověřováno čidly CO2 v jednotlivých částech budovy.

Další otázkou je používání aktivace betonu v denních či nočních hodinách. Lze tedy říci, že i po šesti letech provozu není proces optimalizace, vzhledem ke komplexnosti a vzájemnému provázání jednotlivých systémů, plně dokončen. Na druhé straně i když se stále hledá optimální provoz, již při stávajícím provozování poskytuje budova návštěvníkům i zaměstnancům knihovny vysoký komfort a vykazuje extrémně nízkou spotřebu energie na chlazení. Měrná roční spotřeba na chlazení se u této budovy pohybuje mezi 2,5 až 5 kWh/m2. Běžné klimatizované budovy v ČR mají hodnoty spotřeby zdrojů chladu mezi 7 a 18 kWh/m2 [6].

Podobně v zimním období je nucené větrání provozováno minimálně a aktivace betonu pro vytápění je v provozu jen v zimních extrémech.

Systém měření a regulace umožňuje nejen sofistikované nastavení provozu systémů včetně otevírání oken, ale poskytuje také dlouhodobě archivovaná data o dosahovaných parametrech a spotřebách pro další vyhodnocení.

Z pohledu provozu větrání a klimatizace lze budovu hodnotit jako velmi zdařilou, kde vysoká tepelná hmota, kvalitní tepelná izolace a vnější stínění spolu s menší plochou oken přispívají k minimální potřebě energie na vytápění a chlazení stavby. Kvalitní návrh s využitím počítačových simulací přispěl již během projektování k vyhledání kritických bodů a optimalizaci systému.

Závěr
Od počátku projektu byla snaha nalézt netradiční řešení, která budou korespondovat jak po stránce architektonické, tak technické, a přitom ve výsledku nabídnou hospodárný provoz celé budovy s využitím stropního sálavého chlazení.

Energetické simulační výpočty realizované na modelu NTK prokázaly, že systém sálavého chlazení s akumulační hmotou provozovaný v cyklickém režimu je schopen zajistit požadované podmínky vnitřního prostředí zajišťující tepelnou pohodu osob v letních měsících při současné snaze o energetickou efektivnost celé budovy. Stejně tak mezery mezi fasádními prvky umožní dobře provětrat mezifasádní prostor a využívat přirozené větrání. Oba tyto závěry počítačových simulací byly potvrzeny během prvních let provozu.

Národní technická knihovna patří díky zvolenému konstrukčnímu řešení velkorozponových stropů s použitím technologie dodatečného předpínání v kombinaci s aktivací betonového jádra k nejvýznamnějším stavbám podobného typu realizovaným na území ČR.

Základní údaje o stavbě

Název projektu: Národní technická knihovna

Místo: Praha - Dejvice, areál vysokých technických škol

Investor: Státní technická knihovna, Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

Architektonické řešení: PROJEKTIL ARCHITEKTI s.r.o., Roman Brychta, Adam Halíř, Ondřej Hofmeister, Petr Lešek, spolupráce: Helena Hejdová, Kateřina Horáková, Anna Jenčková, Rudolf Wiszcor

Spoluautor řešení interiéru:

HIPPOSDESIGN, Radim Babák, Ondřej Tobola

Vizuální styl, infosystém: LABORATOŘ, Petr Babák

Koncepce výtvarných děl: PAS, Vít Havrának, Tomáš Vaněk, Jiří Skála

Centrální umělecké dílo: Dan Perjovschi

Energetický koncept budovy:

Jan Žemlička

Energetická simulace: Miloš Lain, Vladimír Zmrhal, František Drkal, Jan Hensen, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí

Generální projektant: Helika a.s.

Generální partner výstavby:

Sekyra Group a.s.

Generální dodavatel: Sdružení Metrostav a.s. a OHL ŽS, a.s.

Realizace: 09/2006-12/2008

Celková plocha pozemku: 11 740 m2

Zastavěná plocha podlaží celkem:

51 434 m2

Obestavěný prostor nadzemních pater:

115 613 m3

Obestavěný prostor celkem:

168 187 m3

Použitá literatura:

[1] Lain, M.; Zmrhal, V.; Drkal, F.; Hensen, J.: Slab Cooling System Design Using Computer Simulation. In: Central Europe towards Suistainable Bulding 07 Prague. Prague: CTU, Faculty of Civil Engineering, 2007, p. 599-605. ISBN 978-80-903807-8-3.

[2] Lain, M.; Zmrhal, V.; Drkal, F.; Hanák, V.: Aktivace betonu - Státní technická knihovna. In: Budovy a prostredie 2007. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia, 2007, s. 74-79. ISBN 978-80-227-2759-4.

[3] Lain, M.; Drkal, F.; Hensen, J.; Zmrhal, V.: Studie energetické simulace objektu Státní technická knihovna Praha 6 - Dejvice, Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze, 31 s., 2006.

[4] Zmrhal, V.: Sálavé chladicí systémy. 1. vyd. Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2009. 217 s. ISBN 978-80-01-04318-9.

[5] Jileček, P.; Půlpán, M.: Národní technická knihovna - návrh a realizace železobetonové konstrukce. Dostupné z: www.metrostav.cz.

[6] Lain, M.; Tuharský, R.: Spotřeba elektrické energie klimatizačních zařízení, 21. konference Klimatizace a větrání 2014. Praha, 2014. Společnost pro techniku prostředí, ISBN 978-80-02-02520-7.