Zelená fasáda v kontexte obnovy budov: Zmena vzhľadu aj teplotného režimu

Dokáže vegetačná fasáda reálne ochrániť budovu pred prehrievaním? O koľko môže znížiť povrchovú teplotu obvodovej steny a čo to znamená pre obnovu existujúcich budov? Experimentálne meranie na administratívnej budove vo Viedni ukazuje, že rozdiel medzi holou a vegetáciou chránenou fasádou môže presiahnuť 20 °C.

Znižovanie environmentálneho zaťaženia stavebníctva sa nespája iba s výstavbou nových energeticky efektívnych budov. Významný potenciál predstavuje zachovanie a kvalitná obnova existujúceho stavebného fondu. Predĺžením životnosti budovy sa zachováva hodnota už zabudovaných materiálov a súčasne sa obmedzuje potreba ich náhrady novou výstavbou. V podmienkach rastúceho prehrievania miest sa stáva dôležitou aj adaptácia existujúcich budov na meniace sa klimatické podmienky. Rast miest sa spája so zvyšovaním podielu zastavaných a spevnených plôch a súčasným úbytkom vegetácie. Povrchy budov a komunikácií počas slnečných dní absorbujú značné množstvo energie, ktorá sa odovzdáva do okolitého prostredia. Tento proces prispieva k prehrievaniu zastavaného územia a k vzniku mestského tepelného ostrova – UHI (Urban Heat Island). Preto úprava povrchov budov predstavuje jednu z možností, ako obmedziť ich tepelné pôsobenie v mestskom prostredí [1, 2]. Jedným z možných prístupov je doplnenie vegetácie na pôvodnú obálku budovy. Vegetačná fasáda znižuje podiel povrchu priamo vystaveného slnečnému žiareniu a mení podmienky výmeny tepla medzi obvodovou stenou a vonkajším prostredím. Uplatňuje sa tienenie pôvodného povrchu, evapotranspirácia rastlín, odparovanie vody zo substrátu a zmena mikroklimatických podmienok v priestore medzi vegetáciou a stenou. Výsledný účinok závisí od konštrukčného riešenia systému, hustoty vegetácie, zavlažovania, orientácie a klimatických podmienok [3, 4]. Pri aplikácii na existujúcu budovu získava vegetačná fasáda ďalší rozmer. Nevytvára iba novú funkčnú vrstvu obvodového plášťa, ale výrazne mení aj architektonické pôsobenie objektu. Pôvodný minerálny povrch čiastočne nahradí živá, v priebehu roka sa meniaca vrstva vegetácie. Takýto zásah spája obnovu stavebného fondu s adaptačným opatrením založeným na prírodných procesoch. Príspevok vychádza z experimentálneho merania publikovaného v pôvodnej vedeckej štúdii [1]. Tá bola zameraná najmä na tepelnotechnické vlastnosti vegetačného systému, meranie súčiniteľa prechodu tepla a vytvorenie simulačného modelu. Predložený článok sa sústreďuje na samostatnú časť experimentu – na porovnanie povrchových teplôt vegetačnej a holej časti rovnakej fasády. Podrobnejšie bol vyhodnotený interval od 1. do 30. septembra 2016. Cieľom hodnotenia bolo kvantifikovať, do akej miery dokáže vegetačný systém obmedziť vznik vysokých povrchových teplôt a stabilizovať teplotný režim pôvodnej obvodovej steny v reálnych klimatických podmienkach.

Existujúca budova v mestskom prostredí

Skúmaný vegetačný systém je inštalovaný na viacpodlažnej administratívnej budove magistrátu na ulici Einsiedlergasse 2 vo Viedni. Administratívna budova MA 48 pochádza zo 60. rokov 20. storočia. Vegetačný systém bol na jej fasádu dodatočne inštalovaný v roku 2010 a v súčasnosti pokrýva plochu približne 850 m². Preto realizácia predstavuje výraznú transformáciu existujúcej budovy, nie súčasť pôvodného architektonického návrhu. Objekt sa nachádza na okraji mestského bloku, v blízkosti ďalších vyšších budov a frekventovanej komunikácie. Okolitá zástavba vytvára členité podmienky prúdenia vzduchu a zvyšuje aerodynamickú drsnosť prostredia. Pôvodnú obvodovú konštrukciu tvorí nezateplené murivo z plných tehál. Vegetačný systém pokrýva vybranú časť južne orientovanej fasády. Vedľa vegetačnej časti zostal zachovaný pôvodný povrch bez vegetácie, ktorý slúžil ako referenčné meracie miesto. Skúmaná realizácia nepredstavuje novostavbu navrhnutú od začiatku so zelenou fasádou. Ide o zásah do existujúcej budovy, pri ktorom sa pred pôvodnú obvodovú stenu doplnila nová funkčná a vizuálne dominantná vrstva. Realizáciou sa nezmenil iba vzhľad fasády, ale aj spôsob, akým jej povrch reaguje na slnečné žiarenie a vonkajšie klimatické podmienky. Pohľad na budovu a jej fasádny systém vidieť na obr. č. 1.

Obr. č. 1 Administratívna budova MA48 vo Viedni – vegetačný fasádny systém

Vegetačný fasádny systém

Skúmaný systém pozostáva z horizontálnych kovových vegetačných žľabov osadených nad sebou. Žľaby sú predsadené približne 60 mm pred pôvodný povrch fasády. Vertikálna vzdialenosť ich horných hrán je približne 250 mm. Jednotlivé žľaby obsahujú substrát a vegetáciu, ktorá po rozvinutí prekrýva nosné a konštrukčné prvky systému. Zavlažovanie je zabezpečené automaticky. Dostupnosť vody vytvára podmienky na rast vegetácie a súčasne ovplyvňuje odparovanie vody zo substrátu a evapotranspiráciu rastlín. Medzi vegetačnými žľabmi a pôvodnou fasádou vzniká priebežná vzduchová medzera. Jej teplotný režim a prúdenie vzduchu sú ovplyvnené konštrukčným riešením systému, hustotou vegetácie a úpravou jeho okrajov. Vegetácia a konštrukcia žľabov zároveň chránia pôvodný povrch obvodovej steny pred priamym slnečným žiarením a čiastočne aj pred pôsobením vetra. Konštrukčné usporiadanie systému je znázornené na obr. č. 2.

Obr. č. 2 Konštrukčné riešenie skúmaného vegetačného fasádneho systému (vľavo), pohľad na vegetačný fasádny systém (vpravo)

Experimentálne meranie

Meranie prebiehalo súčasne na vegetačnej a holej časti fasády. Obe meracie miesta sa nachádzali na rovnakom podlaží, boli orientované na juh a z vnútornej strany priliehali k tej istej miestnosti. Takéto usporiadanie umožnilo porovnať dve časti rovnakej obvodovej konštrukcie pri porovnateľných vnútorných a vonkajších podmienkach. Hlavným rozdielom medzi meracími miestami bola prítomnosť vegetačného systému. Na vegetačnej časti sa merala povrchová teplota pôvodnej obvodovej steny za vegetačným systémom. Referenčný snímač bol umiestnený na vonkajšom povrchu rovnakej steny bez vegetácie. Preto merané hodnoty nepredstavujú teplotu listov, ale povrchovú teplotu steny chránenej vegetačným systémom a povrchovú teplotu priamo exponovanej holej fasády. Povrchové teploty sa merali odporovými snímačmi Pt 1000. Teplota vonkajšieho vzduchu sa zaznamenávala snímačom Lin Picco A05 umiestneným v radiačnom kryte, aby sa obmedzil vplyv priameho slnečného žiarenia na výsledok merania. Súčasne sa merala intenzita globálneho slnečného žiarenia. Pôvodný interval záznamu bol päť minút. Celé experimentálne meranie prebiehalo od 21. apríla 2015 do 6. júna 2017. Pre potreby prezentovaného hodnotenia bol vybraný súvislý interval od 1. do 30. septembra 2016, ktorý predstavuje 720 hodín. Päťminútové údaje sa spracovali do hodinových priemerov. Z hodinových hodnôt boli pre každý deň stanovené priemerné, minimálne a maximálne povrchové teploty a denná teplotná amplitúda. Pre teplotu vonkajšieho vzduchu bol vypočítaný denný priemer. Integráciou intenzity globálneho slnečného žiarenia bola stanovená denná dávka slnečného žiarenia. Pre celý mesačný interval bol zároveň vypočítaný počet hodín, počas ktorých povrchová teplota prekročila hranice 20, 25, 30, 35, 40 a 45 °C.

Výsledky

Priebeh teploty vonkajšieho vzduchu, intenzity globálneho slnečného žiarenia a povrchových teplôt oboch častí fasády je uvedený na obr. č. 3. Krátkodobý priebeh teploty vzduchu a slnečného žiarenia je doplnený denným priemerom vonkajšej teploty a dennou dávkou slnečného žiarenia. Takéto zobrazenie umožňuje porovnať okamžitú reakciu povrchov s celkovým klimatickým charakterom jednotlivých dní.

Počas prvej polovice septembra sa denné priemery vonkajšej teploty pohybovali prevažne približne od 22 do 25 °C. Po 17. septembri nasledovalo ochladenie, keď denný priemer klesol približne na 17 až 20 °C. V závere mesiaca sa teplota vzduchu opäť zvýšila. Priebeh dennej dávky slnečného žiarenia dokumentuje striedanie slnečných a oblačných dní počas celého analyzovaného obdobia. Najvyššie povrchové teploty holej fasády boli zaznamenané počas dní s vysokou dennou dávkou slnečného žiarenia. Počas dní s nízkym slnečným žiarením sa rozdiel medzi oboma meracími polohami zmenšoval. Tento vzťah je zreteľný najmä od 8. do 16. septembra a v závere mesiaca, keď sa počas slnečných dní opakovane vyskytovali vysoké maximá povrchovej teploty holej fasády. Počas oblačnejšieho obdobia okolo 6. až 7. septembra a 17. až 19. septembra boli povrchové teploty oboch častí steny podstatne bližšie. Dopadajúce slnečné žiarenie spôsobovalo výrazný denný nárast povrchovej teploty holej fasády. Po poklese intenzity slnečného žiarenia nasledovalo rýchle ochladzovanie povrchu. Preto sa v jednotlivých dňoch pravidelne opakovali teplotné cykly s vysokými dennými maximami a veľkou amplitúdou. Na povrchu steny za vegetačným systémom bol priebeh podstatne stabilnejší. Denné maximá boli nižšie a rozdiel medzi minimálnou a maximálnou teplotou bol výrazne menší. Zmeny klimatických podmienok sa na chránenom povrchu prejavili predovšetkým postupnou zmenou strednej úrovne teploty, zatiaľ čo krátkodobé denné výkyvy zostávali obmedzené.

Najvyšší hodinový priemer povrchovej teploty steny za vegetačným systémom dosiahol približne 25,8 °C. Na povrchu holej fasády bola zaznamenaná maximálna hodnota približne 46,0 °C. Rozdiel medzi najvyššími hodinovými hodnotami oboch povrchov tak presiahol 20 K. Najväčšia denná amplitúda povrchovej teploty steny za vegetačným systémom dosiahla približne 4,4 K. Na povrchu holej fasády bola zaznamenaná maximálna denná amplitúda 27,4 K. Prítomnosť vegetačného systému teda neovplyvnila iba najvyššiu povrchovú teplotu, ale aj výrazne znížila každodenné teplotné namáhanie pôvodnej obvodovej steny.

Obr. č. 3 Teplota vonkajšieho vzduchu, intenzita a denná dávka globálneho slnečného žiarenia a povrchové teploty vegetačnej a holej časti fasády od 1. do 30. septembra 2016

Rozdielny teplotný režim oboch častí obvodovej steny dokumentuje histogram hodinových priemerov uvedený na obr. č. 4. Povrchové teploty steny za vegetačným systémom sa pohybovali v pomerne úzkom intervale približne od 18 do 26 °C. Najvyššia početnosť bola zaznamenaná v teplotnej triede okolo 23 °C, v ktorej sa nachádzalo približne 20 % hodinových hodnôt. Približne 18 % hodnôt pripadalo na triedu okolo 22 °C a 17 % na triedu okolo 24 °C. Rozdelenie povrchových teplôt holej fasády bolo podstatne širšie a siahalo približne od 13 do 46 °C. Jeho výrazná pravá časť dokumentuje opakovaný výskyt vysokých povrchových teplôt. Preto hodnoty nad 30 °C nepredstavovali iba jednotlivé krátkodobé extrémy, ale pravidelne sa vyskytujúcu súčasť denného teplotného režimu holej fasády.

Úzke rozdelenie hodnôt chráneného povrchu potvrdzuje stabilizáciu jeho teplotného režimu. Široké rozdelenie hodnôt na holej fasáde súvisí s výrazným denným zahrievaním povrchu vystaveného slnečnému žiareniu a jeho nasledujúcim ochladzovaním. Histogram tak dopĺňa časový priebeh uvedený na obr. č. 3 a denné amplitúdy stanovené z hodinových údajov.

Obr. č. 4 Histogram hodinových priemerov povrchovej teploty vegetačnej a holej časti fasády v septembri 2016

Histogram poskytuje informáciu o celkovom rozdelení hodnôt. Na kvantifikáciu výskytu vysokých povrchových teplôt bol samostatne stanovený počet hodín nad vybranými teplotnými hranicami. Výsledky sú uvedené v tab. č. 1.

Tab. č. 1 Počet hodín s povrchovou teplotou nad stanovenými teplotnými hranicami

Teplotná hranica	Stena za vegetačným systémom	Holá fasáda
> 20 °C	648 h	537 h
> 25 °C	39 h	312 h
> 30 °C	0 h	190 h
> 35 °C	0 h	114 h
> 40 °C	0 h	40 h
> 45 °C	0 h	2 h

Ani jeden hodinový priemer povrchovej teploty steny za vegetačným systémom neprekročil počas analyzovaného obdobia 30 °C. Povrchová teplota holej fasády bola vyššia ako 30 °C počas 190 hodín, čo predstavuje približne 26 % celého obdobia. Hodnoty nad 35 °C boli zaznamenané počas 114 hodín a nad 40 °C počas 40 hodín. V dvoch hodinách prekročil hodinový priemer povrchovej teploty holej fasády aj 45 °C. Výrazný rozdiel sa prejavil už pri hranici 25 °C. Hodinový priemer povrchovej teploty steny za vegetačným systémom prekročil túto hodnotu počas 39 hodín. Na povrchu holej fasády bolo zaznamenaných 312 hodín s teplotou vyššou ako 25 °C. Povrchová teplota steny za vegetačným systémom bola zároveň vyššia ako 20 °C počas 648 hodín, zatiaľ čo na holej fasáde to bolo 537 hodín. Vyšší počet hodín nad najnižšou sledovanou hranicou nepredstavuje prehrievanie chráneného povrchu. V spojení s nízkym počtom hodín nad 25 °C, absenciou hodinových priemerov nad 30 °C a úzkym rozdelením hodnôt na obr. č. 4 poukazuje na podstatne menšie kolísanie povrchovej teploty. Vegetačný systém obmedzoval vysoké denné teploty a pôvodná stena sa počas chladnejších častí dňa neochladzovala tak výrazne ako priamo exponovaný povrch.

Najväčšie rozdiely medzi povrchovými teplotami oboch meracích miest boli zaznamenané počas dní s vysokou dávkou slnečného žiarenia. Na vegetačnej časti pôvodnú obvodovú stenu tienili rastliny a konštrukcia žľabov. Nameraný rozdiel predstavuje spoločný účinok tienenia, vegetácie, zavlažovaného substrátu, vzduchovej medzery a zmenených podmienok prúdenia vzduchu pri fasáde. Podiel jednotlivých mechanizmov nebol v rámci prezentovaného hodnotenia samostatne stanovený.

Záver

Dodatočná realizácia vegetačnej fasády výrazne zmenila vizuálne pôsobenie existujúcej administratívnej budovy a súčasne ovplyvnila teplotný režim jej pôvodnej obvodovej steny. Počas analyzovaného obdobia od 1. do 30. septembra 2016 bol na povrchu steny za vegetačným systémom zaznamenaný podstatne menší rozsah teplôt ako na povrchu bez vegetácie. Najvyšší hodinový priemer povrchovej teploty chráneného povrchu dosiahol približne 25,8 °C, zatiaľ čo na holej fasáde bola zaznamenaná maximálna hodnota približne 46,0 °C. Ani jeden hodinový priemer povrchovej teploty steny za vegetačným systémom neprekročil 30 °C. Na povrchu holej fasády bola táto hranica prekročená počas 190 hodín, z toho počas 40 hodín bola povrchová teplota vyššia ako 40 °C. Maximálna denná amplitúda povrchovej teploty sa znížila z 27,4 K na holej fasáde na približne 4,4 K za vegetačným systémom. Histogram hodinových priemerov zároveň ukázal, že hodnoty chráneného povrchu sa pohybovali v úzkom intervale približne od 18 do 26 °C. Rozdelenie hodnôt na holej fasáde siahalo približne od 13 do 46 °C. Porovnanie s dennými priemermi vonkajšej teploty a dennou dávkou slnečného žiarenia ukázalo, že najväčšie rozdiely medzi oboma povrchmi vznikali počas slnečných dní. Pri nižšej dávke slnečného žiarenia sa povrchové teploty oboch meracích miest približovali. Preto sa najvýraznejšie zníženie povrchovej teploty pôvodnej steny prejavilo v čase najvyššieho radiačného zaťaženia holej fasády.

Skúmaná realizácia ukazuje, že vegetačná fasáda môže byť viac než doplnkovým prvkom novej architektúry. Pri aplikácii na existujúcu budovu sa stáva súčasťou jej obnovy, mení jej vizuálne pôsobenie a súčasne chráni pôvodnú obvodovú stenu pred výrazným teplotným namáhaním. Zachovanie existujúcej budovy a doplnenie novej funkčnej vrstvy predstavuje prístup, ktorý spája predĺženie životnosti stavebného fondu s adaptáciou na prehrievanie miest.

Predložený článok sa sústreďuje na povrchové teploty počas vybraného septembrového obdobia. Komplexné hodnotenie skúmaného systému vrátane výsledkov numerickej simulácie je uvedené v pôvodnej vedeckej štúdii [1].

Poďakovanie

Článok vznikol za podpory projektov VEGA 1/0382/25 Stavebné konštrukcie s vegetačnou a mokraďovou vrstvou v kontexte udržateľnej obnovy budov a 09I04-03-V02-00051 Výskum a inovácie pre dekarbonizáciu stavebnej činnosti prostredníctvom nízkoemisných stavebných procesov a materiálov v cirkulárnej ekonomike (DEKAST), Plán obnovy a odolnosti SR.

Literatúra