BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Pasivní systémy pro přitápění rodinného domku

Transkript

1 ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Pasivní systémy pro přitápění rodinného domku 29 Tomáš Langhammer

2

3

4 Anotace Předkládaná bakalářská práce má za úkol přiblížit problematiku pasivních solárních systémů a to konkrétně tzv. Trombeho stěny. Je rozdělena do pěti částí. V první části je popsán vznik sluneční energie a její dopad na Zemi. V druhé části je zachyceno rozdělení solárních systémů a jednotlivé typy jsou zde podrobněji popsány. Třetí část je věnována Trombeho stěně, od jejího principu a funkce až k provedeným měřením. Ve čtvrté části je zachyceno energetické, ekonomické a ekologické zhodnocení Trombeho stěny. V poslední části jsou shrnuty zjištěné poznatky. Klíčová slova solární radiace, intenzita slunečního záření, solární systém, pasivní solární systém, Trombeho stěna

5 Abstract The main task of this bachelor work is description of passive solar systems, especially Trombe s wall. The work consists of five parts. The first part of the work describe origin of solar energy and incidence of light to the Earth. In the second part of the work is situated distribution of solar systems. There is description of particular types of solar systems in this part. The third part of this work provides information about Trombe s wall from it s principle and function to the performed measurement. The fourth part is about evaluation of Trombe s wall in the energetical economical and ecological field. In the last part of the work is summary of proven findings. Key words solar radiation, intensity of solar radiation, solar system, passive solar system, Trombe s wall

6 Prohlášení Předkládám tímto k posouzení a obhajobě bakalářskou práci zpracovanou na závěr studia na Fakultě elektrotechnické Západočeské university v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této bakalářské práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této bakalářské práce, je legální. V Plzni dne:. Tomáš Langhammer

7 Poděkování Tímto by autor rád poděkoval svému vedoucímu práce prof. Ing. Janu Škorpilovi CSc. za poskytnutí cenných rad. Také by chtěl poděkovat panu Tomáši Merxbauerovi za svolení o provedení měření a pozorování na jeho objektu. Dále občanskému sdružení ENVIC za poskytnuté měřící přístroje.

8 Obsah 1 Úvod Solární energie Solární energie v ČR Solární systémy... 2 Pasivní systémy... 2 Členění pasivních systémů Vybrané typy pasivních solárních systémů Akumulační solární stěny (Trombeho stěna) Akumulační solární stěna s předsazeným skleníkem Energetická střecha Energetická fasáda Dvojité transparentní fasády Nezasklený solární vzduchový kolektor Transparentní tepelná izolace Ochrana budov proti nadměrným tepelným ziskům Trombeho stěna Obecně princip Trombeho stěny Použití Měření Výsledky měření Dlouhodobé měření teplot Naměřená data Diskuse k měření... 3 Měření vyzářené energie stěn pomocí bezkontaktního infračerveného pyrometru3 3 Bezkontaktní infračervený pyrometr (infrateploměr) a emisivita... 3 Naměřená data Diskuse k měření Měření s antireflexní fólií Naměřená data Diskuse k měření Zhodnocení přínosu Trombeho stěny Energetické zhodnocení Ekonomické zhodnocení Ekologické zhodnocení Závěr

9 Seznam zkratek a symbolů t tuna GJ/t gigajoul na tunu tj. to jest USA The United States of America ČR Česká Republika 1 H vodík 4 He helium e + elektron foton neutrino K Kelvin kw/m 2 kilowatt na metr čtvereční W/m 2 watt na metr čtvereční kwh/m 2 kilowatt hodina na metr čtvereční I intenzita slunečního záření MWh megawatt hodin m 2 metr čtvereční m n. m. metrů nad mořem atd. a tak dále viz podívej se na kap. kapitola cca přibližně tzn. to znamená Obr. obrázek SEČ středoevropský čas SELČ středoevropský letní čas UTC univerzální časová jednotka C stupně Celsia stupně (úhel) UV ultrafialové záření o.s. občanské sdružení m metr cm centimetr č. číslo Sb. sbírky GJ gigajoul Kg kilogram MŽP Ministerstvo životního prostředí popř. popřípadě DD MM YYYY date-month-year SO 2 oxid siřičitý NO x oxidy dusíku CO oxid uhelnatý CO 2 oxid uhličitý el. elektrický C x H y uhlovodíky emisivita 8

10 1 Úvod Světová spotřeba energie v roce 20 přesáhla 12x10 9 t uhelného ekvivalentu (neboli měrné palivo = 31,5 GJ/t). Průměrný obyvatel Země dnes spotřebuje o málo více než 2 t měrného paliva ročně. Hlavními spotřebiteli primárních energetických zdrojů jsou elektrárny (33 %), doprava (25 %), na ostatní spotřebitele, tj. zejména průmysl, zemědělství a domácnosti zbývá 42 % [8]. V jednotlivých oblastech a státech jsou samozřejmě poměry od světového průměru odlišné. Jiné jsou v USA, jiné v Evropě a Japonsku, a opět jiné v tzv. rozvojovém světě. Tento hlad po energii, se zvyšující se životním úrovní lidstva, stále roste. Je zřejmé, že docházející zásoby fosilních paliv, které navíc ničí naše životní prostředí, tuto situaci nemohou řešit donekonečna. Proto by bylo moudré, začít hledat alternativní zdroje energie a postupně na ně přecházet. Tyto zdroje by v budoucnu mohly zmírnit dopad důsledků spalování fosilních paliv a přinést finanční úsporu. S příchodem nových technologií a materiálů se nabízejí možnosti jak tyto zdroje efektivněji využívat. Za alternativní, někdy jmenované netradiční zdroje energie můžeme označit takové, které nezískávají energii spalováním fosilních paliv, nebo jadernou reakcí. Některé tyto zdroje jsou označovány jako obnovitelné a ekologicky šetrné. Mezi ně zahrnujeme především solární radiaci, potenciální a kinetickou energii povrchové vody, kinetickou energii větru, biochemickou energii biomasy (jako alternace solární radiace), dále geotermální energii, slapovou energii a některé druhotné zdroje vyplívající z recyklací energetických potenciálů z odpadních látek. [5] Ve své bakalářské práci se budu podrobněji zabývat pasivními solárními systémy, a to konkrétně Trombeho stěnou, někdy známou pod pojmem francouzská sluneční stěna, a jejím přínosem pro přitápění rodinného domku v klimatických podmínkách ČR. 9

11 1 Solární energie Slunce vzniklo zhruba před 4,6 miliardami let a bude svítit ještě přibližně 7 miliard let. Stejně jako všechny hvězdy hlavní posloupnosti (Hlavní posloupnost Hertzsprung-Russellova diagramu je křivka, kolem které se nachází většina hvězd) i Slunce září díky termojaderné fúzi v jádře (viz Obr. 1). Ta spočívá ve slučování jader vodíku 1 H (protonů) do jader hélia 4 He za vzniku velkého množství energie. Tento proces nazýváme proton-protonový řetězec. Lze ho též vyjádřit vzorcem: Obr. 1: Termojaderná fúze Aby mohlo ke slučování protonů docházet, je zapotřebí extrémně vysokých teplot. I za podmínek panujících v nitru Slunce ( K) tento proces probíhá velmi pomalu. Uvolněná energie je odnášena prostřednictvím fotonů a neutrin. Fotony dopadající na povrch Země pak vnímáme jako sluneční záření. Slunce vyzařuje konstantní výkon 3,9x10 26 Wattů po dobu 4,6 miliard let. Každou sekundu se přibližně 7 milionů tun vodíku přemění na 695 milionů tun hélia a zbylých 5 milionů tun hmotnosti se přemění na energii (96% elektromagnetické záření, 4% odnášejí elektronová neutrina). U Země je tok sluneční energie 1,4 kw/m 2 [9]. Na základě výše jmenovaných faktů se proto domnívám, že by nebylo moudré tuto energii nevyužívat. 10

12 1 Solární energie v ČR Intenzita slunečního záření nad zemskou atmosférou je cca 1,4 kw/m 2. Z toho atmosférou na zemský povrch pronikne za příznivých podmínek cca 1 kw/m 2. Rozptylem přímého záření na oblacích a nečistotách v atmosféře a odrazem od terénu vzniká difúzní záření. Toto záření se jeví jako světlo oblohy a nelze ho koncentrovat. Pokud by neexistovalo, jevila by se obloha i během dne černá s jasně zářícím slunečním kotoučem. Součet přímého a difúzního záření se označuje jako záření globální. Ve střední Evropě kolísá intenzita globálního slunečního záření v poledních hodinách od 1 do 10 W/m 2. Roční sumy globálního záření dopadajícího na 1 m 2 vodorovné plochy v ČR kolísají od 950 do 1250 kwh/m 2 (Obr. 2). V ČR je globální záření měřeno v síti radiačních stanic. U vybraných stanic reprezentujících klimatická specifika různých nadmořských výšek a zeměpisných poloh jsou uvedeny dlouholeté průměrné roční sumy globálního záření: Svratouch (Žďárské vrchy) 737 m n.m kwh/m2 1 % Luka u Litovle (Drahanská vrchovina) 0 m n.n kwh/m2 102 % Košetice u Pelhřimova (Českomor. vrch.) 470 m n.m kwh/m2 102 % Kuchařovice u Znojma (Dyjsko-svr. úval) 334 m n.m15 kwh/m2 108 % Hradec Králové (Česká tabule - Polabí) 285 m n.m kwh/m2 104 % Tab. 1: Závislost globálního záření na nadmořské výšce [11] Stanice umístěné v různých geografických polohách (Tab. 1) vykazují srovnatelné hodnoty solární radiace. Od nejvýše položené stanice Svratouch, vzaté jako základ 1 % jsou rozdíly do 10 %. To vyvrací obecně vžitou představu o výrazných rozdílech intenzity slunečního záření v nížinách a na vrchovinách. Z toho je patrné, že využití kolektorů je vhodné na celém území ČR bez ohledu na nadmořskou výšku. Nabídka slunečního záření v rámci ČR je srovnatelná, rozdíly jsou spíše v klimatických podmínkách, tj. teplotě a síle větru, které mohou výrazně ovlivnit ztráty na venkovní části solárního systému. Proto je pro efektivní funkci slunečního zařízení rozhodující použití kvalitních kolektorů a celého solárního systému, které zajistí maximální účinnost. 11

13 Obr. 2: Mapa globální solární radiace na území ČR Kolik energie můžeme ze slunečního záření získat, je ovlivněno následujícími faktory: Zeměpisná šířka: V našich zeměpisných šířkách, tj. okolo 5. rovnoběžky je intenzita slunečního záření menší než v tropických či subtropických oblastech. Roční doba: Intenzita slunečního záření se mění v průběhu roku. V zimě je den kratší a Slunce je na obloze níž, což s častým výskytem oblačností výrazně omezuje energetický zisk solárních zařízení. Je známo, že v letních měsících za jasného dne lze získat na 1m 2 plochy orientované na jih 7 až 8 kwh, při oblačném počasí pak jen 2 kwh. V zimním období za slunečného počasí jsou to 3 kwh a při oblačném počasí je to méně než 0,5 kwh. Klimatické podmínky: Při průchodu záření atmosférou se část záření odrazí a část je pohlcena. Značný vliv mají mraky. Za jasné oblohy dopadá na povrch Země přibližně 75% záření, tj. přibližně 1 kw/m 2. Při zatažené obloze je úroveň záření pod 15%, tj. méně než 2 W/m 2. Svou roli také hrají lokální vlivy, jako je například přízemní mlha. Umístění lokality vzhledem k okolí: Intenzita záření v čistých horských oblastech je větší, než v městských aglomeracích. Je to způsobeno znečištěním atmosféry, které působí podobně jako sluneční clona. 12

14 Orientace plochy: Nejvíce slunečního záření dopadá na plochy orientované k jihu, méně již na plochy orientované k ostatním světovým stranám. Sklon dané plochy: V letních měsících dopadá nejvíce záření na plochu mírně skloněnou, optimálně cca 30, v zimním období na plochu s větším sklonem, optimálně cca 64 až 70. Ideální celoroční sklon kolektoru pro orientaci na jih je potom 45. Většinou však kopírujeme sklon střechy, popřípadě stěny, která nám nenabízí moc možností, jak sklon ovlivnit. 1 Solární systémy Jedná se o technická zařízení, která dopadající solární radiaci přeměňují na energii. Solární systémy členíme na tyto: a) Pasivní: přijímají sluneční energii, tj. působí na tepelný režim vnitřních prostor budovy. Podmínkou využití pasivních solárních systémů je vyřešení řádného odvětrání a možnosti akumulace do stavebních konstrukcí. b) Aktivní: využívají systémů pro jímání solární radiace s její konverzí na teplo, elektrickou energii, mechanickou energii atd. Pasivní systémy jsou jednodušší na výstavbu, údržbu i obsluhu. Lze je využívat jak u nově stavěných budov, tak i u starších budov po přestavbě, či úpravě. Jedná se především o zimní zahrady, Trombeho stěny, energetické fasády, transparentní střechy a skleníky. Množství získané energie závisí na poloze a typu budovy (viz kap. 2). Energetický přínos z pasivního systému je proto vždy individuální. Aktivní systémy jsou více pokrokovější a komplikovanější. Konvergují energii do technicky využitelnějších podob. Jedná se především o tyto: 1) fotoelektrická konverze: Viditelná část spektra slunečního záření se mění na elektrickou energii (energie fotonů na elektrickou energii). Základem je fotoelektrický jev, který využívá vlastnosti polovodičů. 2) fotochemická konverze: Viditelná část spektra slunečního záření se mění při fotosyntéze na biomasu. Základními procesy fotosyntézy jsou oxidace vody (H 2 O) a redukce oxidu uhličitého (CO 2 ) za přítomnosti katalyzačního účinku chlorofylu (Q). Vyjádřeno vzorcem: H 2 O + CO 2 + Q CH 2 + O 2 13

15 3) fototermální konverze: Při této reakci se krátkovlnná část spektra slunečního záření mění na dlouhovlnnou část, což vnímáme jako teplo (infračervené záření). Přenos je uskutečňován pomocí vedení, proudění nebo sálání. Nejčastěji se jedná o kapalinové kolektory, které lze nainstalovat na nový nebo i stávající objekt. Tepelnou energii lze pro potřeby vytápění i dlouhodobě kumulovat do zásobníků. Solární zařízení je vhodné zapojit paralelně s jiným zdrojem (plynový kotel, elektrický kotel) pro případy kdy Slunce nesvítí, nebo svítí jen velmi málo. [5] 2 Pasivní systémy Velmi úzce souvisejí se základní architektonickou koncepcí budovy. Do návrhu budovy respektujícího optimální energetickou bilanci bychom měli zahrnout především: Úpravy obvodových ploch (velký tepelný odpor, ideální prosklení s jižní orientací). Dále je například nevhodná velká členitost půdorysu, ideální je jednoduchý tvar čtvercového, či obdélníkového půdorysu. Výhodou je také umístit budovu do závětrné strany a využít termoregulační schopnosti zeleně. Budovy, jenž se v co největší míře snaží využívat sluneční energii za pomoci čistě stavebních prostředků, se nazývají pasivní heliotechnické budovy. Pasivním solárním systémem lze nazvat jak celou budovu, tak pouze některé z jejích částí. Přesun energie probíhá pouze přirozenou cestou, bez pomoci technických zařízení. Teplo uvnitř objektu se šíří konvekcí, kondukcí a radiací. Největší část přenosu tepla u takovýchto budov je realizována vzduchem (konvekcí). Architektonická dispoziční a konstrukční koncepce musí umožňovat proudění vzduchu, které umožňuje vyrovnání teplotních rozdílů mezi osluněnou a neosluněnou částí objektu. Pohyb vzduchu je umožněn vznikem teplotního gradientu. Vytvoření účinného větracího systému pro distribuci vzduchu v celém objektu je důležité nejen z hlediska šíření tepla, ale i pro možnost chlazení v letních měsících. V menší míře se pak na přenosu infračerveného záření (tepla) podílí i vedení a sálání, které je ovlivněno barvou a strukturou povrchu, a také druhem a umístěním akumulační hmoty v objektu. 14

16 2 Členění pasivních systémů Pasivní systémy členíme: a) podle způsobu využití sluneční energie: - přímé (sluneční záření prochází přímo do místnosti přes zasklení) - nepřímé (sluneční záření se do místnosti dostává ve formě tepelné energie vyzařované z akumulační stěny) - hybridní b) podle umístění v konstrukci: - prvky umístěné v obvodových stěnách orientovaných na jih - střešní prvky - přídavné prvky 2 Vybrané typy pasivních solárních systémů Nyní se podrobněji zaměřím na příklady nejčastěji budovaných a používaných pasivních solárních systémů. 2 Akumulační solární stěny (Trombeho stěna) Jde o základní prvek solární architektury. Jižní stranu objektu využíváme jako kolektor. Tato stěna (někdy i podlaha) bývá z masivního stavebního materiálu, který má vysokou tepelnou kapacitu. Teplo se do objektu šíří nejčastěji konvekcí a sáláním, tudíž se z hlediska využití slunečního záření jedná o nepřímé využití. Na tomto základním principu pracuje i tzv. Trombeho stěna (viz kap. 3). Masivní stěna s vysokou tepelnou kapacitou je natřena černou barvou ze strany exteriéru a je předsazena v ideálním případě izolačním dvojsklem ve vzdálenosti cca 10 cm. Dále je stěna opatřena uzavíratelnými průduchy u podlahy a u stropu. Teplo se do objektu šíří sáláním ze stěny a konvekcí vzniklou samotížným stoupáním ohřátého vzduchu uvnitř stěny. V případě přímého slunečního využití by se jednalo o zjednodušený model, kde chybí akumulační stěna. Solární radiace pak prochází přímo do interiéru, kde je pohlcována, nebo odražena. [6] 15

17 2 Akumulační solární stěna s předsazeným skleníkem Jednou z mnoha dalších variant, která je založena na stejném principu jako Trombeho stěna, je předsazený skleník. Hlavním rozdílem oproti Trombeho stěně je vzdálenost odsazení zasklené plochy od stěny. Zatímco u Trombeho stěny jde o desítky centimetrů, u předsazeného skleníku se jedná řádově o metry. Výhoda tohoto řešení spočívá v přístupu do vnitřní části stěny. Což se jeví výhodné z hlediska údržby i čištění zasklené plochy z vnitřní strany, protože zaprášené a špinavé zasklení snižuje účinnost stěny. Další výhodou je, že je možný pobyt v tomto prostoru v zimních měsících, kdy teplota nedosahuje tak vysokých hodnot. Předsazený skleník pak funguje v podstatě jako zimní zahrada. Nevýhodou ovšem je, že po západu Slunce, kdy se z masivní stěny uvolňuje sáláním naakumulované teplo, dochází Obr. 3: Předsazený skleník (den/noc) u předsazeného skleníku k nechtěnému vytápění do vzduchové mezery (Obr. 3). Ani při denním provozu není konvekce tak efektivní jako v případě Trombeho stěny, jelikož tak velké množství vzduchu se ohřívá pomaleji. To se projevuje sníženou celkovou účinností tohoto systému. [4] 16

18 2 Energetická střecha Jedná se v podstatě o vzduchový kolektor zabudovaný přímo do střešní konstrukce (Obr. 4). Zpravidla se tento způsob kombinuje i se stěnovým vzduchovým kolektorem (viz příloha 7). K dosažení dostatečně účinného vztlaku ve vzduchovém kanálu s přirozenou cirkulací vzduchu je nutný určitý výškový rozdíl mezi vstupem a výstupem do systému. Proto je nutné tento systém budovat pouze u střech s minimálním sklonem skleněné střešní tašky 2 podpěrné latě 3 nosné latě 4 plech s černým povrchem 5 vzduchový kanál 6 tepelná izolace 7 hydroizolace 8 nosná deska 9 nosné latě 10 - bednění Obr. 4: Řez energetickou střechou 2 Energetická fasáda Energetická fasáda je jednoduchý vzduchový kolektor tvořený absorpční vrstvou, kterou je v tomto případě přímo fasáda objektu a předsazenou transparentní skleněnou deskou. Výhoda tohoto řešení je, že pomocí těchto kolektorů můžeme zásobovat teplem celou budovu. V případě zimního provozu se teplo zachycené fasádou využije pro vytápění, tzn. ohřátý vzduch se rozvádí do jednotlivých místností, které vyhřívá buď pomocí radiace, nebo konvekce. V letním období po otevření záklopek, které umožňují unikání ohřátého vzduchu do exteriéru, fasáda pracuje jako větrací šachta s přirozenou cirkulací vzduchu a je schopna odvádět větší část tepelné zátěže dopadající na osluněnou stranu budovy (viz příloha 8). Nevýhodou tohoto systému je drahé zasklívání i méně osluněných částí objektu. 17

19 2.5 Dvojité transparentní fasády Stejně jako v předcházejícím případě se jedná o vzduchový kolektor, který je tvořen skleněnými deskami předsazenými před obvodovou konstrukcí. Rozdíl spočívá v tom, že obvodovou konstrukci netvoří fasáda, ale skleněné desky (okna). Proto je tento systém omezen převážně na výškové objekty s hojným zasklením. Ve vzniklé dutině jsou umístěny stínící prvky a otvory, které umožňující regulaci vzduchu ve vnějším plášti (Obr. 5). Tento typ fasády nabízí při vhodné koncepci větrání účinnou ochranu proti pouličnímu hluku. Dále zlepšuje funkci tepelné izolace a slouží k ohřevu čerstvého vzduchu. Tato konstrukce chrání nejen fasádu, ale i zařízení protisluneční ochrany. A) původní objekt B) objekt s dvojitou transparentní fasádou 1 deska z izolačního dvojskla 2 stínící žaluzie 3 přídavná izolace 4 vzduchové klapky Obr. 5: Bokorys objektů bez (A) a s dvojitou transparentní fasádou (B) 18

20 2.6 Nezasklený solární vzduchový kolektor Největší výhodou tohoto typu kolektoru je jeho jednoduchost, díky níž má tento systém dlouhou životnost a malé provozní náklady. Kromě toho vrstva vzduchu snižuje tepelné ztráty budovy a předsazený plechový absorbér poskytuje ochranu proti povětrnostním vlivům (viz příloha 6). Udává se, že účinnost využití sluneční energie dosahuje 60 až 70 procent. Základem celé konstrukce je černý trapézový plech perforovaný malými otvory, který se umisťuje na fasádu nejčastěji ve vzdálenosti 2-4 cm od zateplené obvodové stěny. Ventilátor vytváří podtlak mezi stěnou a perforovaným plechem, tím dochází k nasávání vzduchu do dutiny přes děrování v plechu. Vzduch stoupá dutinou, ohřívá se a je posléze rozváděn běžným větracím systémem (Obr. 6). Tento systém je vhodný tam, kde se nachází jižně orientované fasády bez oken a potřebujeme dosáhnout výměny vzduchu ve velkém množství. Ideálním příkladem jsou průmyslové haly. Obr. 6: Princip nezaskleného solárního vzduchového kolektoru 2.7 Transparentní tepelná izolace Transparentní tepelné izolace (Obr. 7) jsou materiály, které výhodně kombinují dvě základní vlastnosti, dobrou propustnost slunečního záření a nízkou tepelnou ztrátu (viz příloha 9). Díky těmto vlastnostem přispívají ke snížení potřeby tepelné energie uvnitř objektu. Tyto materiály se vyrábějí ze skla, nebo plastu, přičemž každý má své výhody i nevýhody. Plastové materiály mají nízkou měrnou hmotnost, ale jejich použitelnost je omezena provozní teplotou do 140 C. Skleněné materiály mají sice větší měrnou hmotnost, ale jsou levnější, dostupnější, odolávají UV záření a mají vynikající optické vlastnosti. [4] 19

21 Obr. 7: Rozdíl mezi klasickou izolací (A) a transparentní izolací (B) 2 Ochrana budov proti nadměrným tepelným ziskům Paradoxně je v letním období, kdy výkon pasivních solárních systémů dosahuje největší účinnosti, získaná energie většinou nežádoucí. Proto tyto solární systémy opatřujeme protisluneční ochranou. Na opatření proti nadměrným tepelným ziskům v letních měsících bychom měli myslet již při výstavbě solárního systému. Dle typu námi budovaného systému pak máme následující možnosti. Samozřejmostí je, že při letním provozu se vzduch reguluje pomocí záklopek tak, aby pasivními solárními systémy jen procházel a nevstupoval do interiéru. To ovšem nemusí vždy jako účinná ochrana proti nežádoucímu přehřívání stačit. Pro akumulační solární stěny (Trombeho stěna) je například vhodnou protisluneční ochranou clonící deska na vrcholu zařízení. Ta svými rozměry a předsazením blokuje záření letního Slunce, o kterém je známo, že je na horizontu výše než to zimní. Naopak při zimním provozu tato deska nikterak nebrání funkci stěny (Obr. 8). Dalším vhodným protislunečním opatřením mohou také být vnější žaluzie, nebo antireflexní fólie. Neměli bychom opomíjet ani zeleň, která slouží jako přirozená protisluneční ochrana. Pokud před akumulační solární stěnu vysázíme rychle rostoucí opadavé listnaté stromy, v letních měsících účinně pohlcují záření a v zimním období snižují účinnost zařízení jen minimálně. Zeleň má však i mnoho dalších pozitivních vlivů, například vyrovnává výkyvy teplot a respirací zabezpečuje vlhkost vzduchu. 20

22 Pokud používáme transparentní tepelné izolace, je tento problém většinou ošetřen již při výrobě. Povrch těchto izolací působí selektivně, tzn. že její největší účinnost je v zimě a nejnižší v létě. Malá výška Slunce v zimním období způsobí, že transparentní izolace je propustnější a ozáření absorbéru dosáhne vyšší intenzity. V létě potom v důsledku velkého úhlu dopadu slunečního záření je podstatná část sluneční energie reflektována již na povrchu izolace. Je tím zabráněno nežádoucímu vzestupu teploty na vnitřním povrchu konstrukce. Díky tomuto efektu není zapotřebí žádných dalších drahých a někdy i nespolehlivých stínících zařízení. [10,12] Obr. 8: Sluneční clona pro akumulační solární stěny 3 Trombeho stěna Princip Trombeho stěny je znám už od roku 1881, kdy Edward Morse tento systém nechal patentovat (US Patent , viz příloha 11, 12), ale až v roce 1964 ho popularizoval francouzský Prof. Ing. Felix Trombe. Proto se Trombeho stěna někdy nazývá také francouzská sluneční stěna. 3 Obecně princip Trombeho stěny Jižně (popřípadě jihozápadně, jihovýchodně) situovanou stěnu budovy stavíme z dobře teplo kumulujícího, masivního materiálu, jako je například kámen, plná cihla, nebo beton. Tu pak opatříme z vnější strany černým nátěrem. Důvodem je maximalizovat pohltivost slunečního záření. Takovouto stěnu poté předsadíme skleněnou deskou. Obvyklá vzdálenost předsazení je 10 cm. V klimatických podmínkách ČR je vhodné používat izolační dvojsklo, 21

23 popř. trojsklo, abychom zamezili tepelným ztrátám v noci. Mezi stěnou a zasklením tak vznikne vzduchová mezera, ve které se vlivem slunečního záření zahřívá vzduch (Obr. 9). Ve vlastní stěně se ze strany interiéru zhotoví obvykle dva otvory. Jeden ve spodní části u podlahy domu a druhý co nejvýše stěny. V případě námi měřené stěny se jedná o šestici otvorů, které jsou umístěny vždy po dvojicích ve spodní, horní části a ve středu stěny. Tyto otvory jsou opatřeny klapkami, pomocí kterých regulujeme teplotu uvnitř domu (viz příloha 2). Pohyb vzduchu je umožněn vznikem teplotního gradientu. To znamená, že studený vzduch vstupuje nejspodnějším otvorem u podlahy do vnitřku stěny, kde se ohřívá, a poté stoupá samotížně vzhůru a opět vstupuje do místnosti. Stěna však dodává domu tepelnou energii i sáláním ze svého povrchu. Také ze strany exteriéru domu je stěna v horní části opatřena klapkou, která se otevírá při letním provozu, abychom zabránili přehřívání objektu. Vzduch poté stěnou jen prochází a do interiéru vůbec nevstupuje (Obr. 10). Námi měřená stěna se od standardu mírně liší tím, že vstupní otvory stěny jsou napojeny na vzduchový kanál umístěný v podlaze, který pomocí energeticky nenáročného malého ventilátoru přivádí vzduch ze severní části místnosti, kde by měl být teoreticky nejchladnější. Toto vylepšení zvyšuje účinnost systému. Trombeho stěna se vyskytuje v mnoha různých variantách a modifikacích. Proto je každá stavba svým způsobem originál. Například lze stěnu napojit na akumulační materiál, který je umístěn pod podlahou (např. štěrk). Ten by měl pak po západu slunce uvolňovat energii naakumulovanou během dne sáláním tepla. Domnívám se však, že tato modifikace je v klimatických podmínkách ČR zbytečná, jelikož sluneční záření nedosahuje takové intenzity, aby tento materiál pohltil dostatečné množství energie. [7] Obr. 9: Provoz Trombeho stěny (podzim jaro) 22

24 Obr. 10: Provoz Trombeho stěny (léto) 3 Použití Pokud je teplota ve vzduchové mezeře vyšší než teplota ve vytápěné místnosti, musí být zajištěno proudění vzduchu. V ideálním případě konstantní rychlostí (lze zajistit nenáročným ventilátorem). Pokud však bude teplota vzduchu ve vzduchové mezeře nižší než v interiéru, proudění se musí zastavit. Toho dosáhneme uzavřením klapky (klapek) na spodním vstupním otvoru do stěny. Jinak by hrozilo, že chladný vzduch (který klesá dolů) by mohl proudit ze vzduchové mezery zpět do interiéru, což by bylo kontraproduktivní. Dále by mělo být zajištěno, aby stěna byla v co největší míře vzduchotěsně izolovaná od vnějšího chladného vzduchu. Také dispoziční řešení budovy by mělo být takové, aby teplý vzduch vystupující z horních průduchů stěny byl v daném prostoru využitelný a mohl bez překážek proudit do interiéru. Stejně tak tepelné záření ze stěny do interiéru by mělo být efektivně využito, což znamená, že šíření záření by neměly bránit žádné větší překážky. 3 Měření Měření bylo pro účel této práce úspěšně zahájeno a ukončeno 279. V době od 50. do 18; od 120. do 2708 a od 20. do 269 došlo k výpadkům, které způsobila porucha modulu pro ukládání a sběr dat (viz příloha 5). Nicméně v měření bude i nadále pokračováno pro dlouhodobější pozorování, které zpracuje ENVIC, o.s. Námi měřená Trombeho stěna je umístěna na rodinném domu, který se nachází v Netunicích jižně od Plzně a jejím majitelem je Pan Tomáš Merxbauer. Technické vybavení 23

25 pro měření poskytlo občanské sdružení ENVIC, které se použitím Trombeho stěny v klimatických podmínkách ČR také zabývá. Měřeno je celkem 12 teplot v různých místech domu a Trombeho stěny (viz Tab. 2; Obr; přílohy 1, 3, 4). Dále je měřena intenzita slunečního záření, dopadajícího na stěnu. Měření je s dlouhodobým záznamem, který obstarává modul s vnitřní pamětí. Perioda měření je 5 minut a čas v modulu pro sběr a ukládání dat je typu UTC (Coordinated Universal Time) (Tab. 3). Snímač t1 [ C] t2 [ C] t3 [ C] t4 [ C] t5 [ C] t6 [ C] t7 [ C] t8 [ C] t9 [ C] t10 [ C] t11 [ C] t12 [ C] I [W/m 2 ] Popis Teplota vnějšího vzduchu 2 m nad povrchem (se slunečním krytem) Teplota vnitřního vzduchu 1 m nad povrchem přízemí (se slunečním krytem) Teplota vnitřního vzduchu 1 m nad povrchem 1. patro (se slunečním krytem) Teplota ve vstupních otvorech studeného vzduchu - dlouhý kanál (levý severní roh) Teplota ve vstupních otvorech studeného vzduchu - krátký kanál (pravý severní roh) Teplota vzduchu ve vzduchové mezeře Trombeho stěny dolní (se slunečním krytem) Teplota vzduchu ve vzduchové mezeře Trombeho stěny horní (se slunečním krytem) Teplota vzduchu ve výstupním otvoru Trombeho stěny - prostřední pravý otvor Teplota vzduchu ve výstupním otvoru Trombeho stěny - prostřední levý otvor Teplota vzduchu ve výstupním otvoru Trombeho stěny - horní pravý otvor Teplota vzduchu ve výstupním otvoru Trombeho stěny - horní levý otvor, volný snímač Teplota vzduchu ve výstupním otvoru Trombeho stěny - horní levý otvor, snímač v trubce Intenzita slunečního záření dopadajícího na stěnu Tab. 2: Přehled snímačů umístěných v různých místech domu a Trombeho stěny 24

26 Čas SEČ SELČ Přepočet UTC + 1h UTC + 2h SEČ středoevropský čas SELČ středoevropský letní čas UTC - souřadný univerzální čas Tab. 3: Přepočet času UTC Obr: Teplotní čidla viditelná z exteriéru. Dalším měřením, které jsme na objektu provedli bylo změření vyzářeného množství energie jednotlivých stěn pomocí bezkontaktního infračerveného pyrometru ze strany interiéru domu po západu Slunce, abychom zjistili, zda-li není Trombeho stěna ztrátovým prvkem. Také jsme provedli měření, při kterém jsme zakryli Trombeho stěnu reflexní fólií (viz příloha 10) a tím docílili jejího vyřazení z činnosti. Účelem tohoto měření bylo zjistit rozdíl měřených hodnot mezi dvěma dny (s a bez reflexní fólie), po které panovalo přibližně stejné počasí. 25