1/79 Solární soustavy s vysokým pokrytím

Transkript

1 1/79 Solární soustavy s vysokým pokrytím soběstačnost průběh teplot v zásobníku návrh soustavy integrace solárních kolektorů do obálky budovy

2 Nulová x soběstačná budova 2/79 energeticky nulová budova není budova bez potřeby vytápět není budova bez potřeby vnější energie bilančně nulová z hlediska potřeby primární energie roční potřeba je kompenzována roční produkcí s využitím externí sítě významná interakce s externí sítí energeticky soběstačná budova potřeba energie je kompenzována produkcí/akumulací místním zdrojem v každém okamžiku / v každé hodině minimalizace interakce s externí sítí, zvýšení nezávislosti

3 Co znamená místní? 3/79 budova obálka domu jako hranice pozemek, zahrada plot jako hranice vlastnické právo správní území (distrikt) územní jednotka, čtvrť, obec,... ČR, Evropa...

4 Jaké zdroje energie jsou místní? 4/79 sluneční energie - solární zařízení solární termické soustavy solární fotovoltaické systémy energie okolního prostředí - tepelná čerpadla využití energie okolního vzduchu využití energie zemského masivu, vč. spodní vody využití sluneční energie akumulace (tepla, elektřiny)

5 Solární domy se 100% pokrytím 5/79 pokusy a realizace 30. léta v USA nárůst experimentů v pol. 70. let IEA Solar Heating and Cooling Programme: : Task 13 Advanced Solar Low Energy Buildings : Task 26 Solar Combisystems : Task 32 Advanced Storage Concepts for Solar and Low Energy Buildings : Task 40 Net Zero Energy Solar Buildings : Task 41 - Solar Energy and Architecture

6 Prehistorie solárních domů v ČR 6/79 Experimentální nízkoenergetický dům VUES v Podolí u Brna % 330 m 2, 2300 m 3 45 cm plná cihla, 20 cm izolace tepelná ztráta 10 kw vzduchový kolektor 24 ks kapalinových vakuových kolektorů Thermosolar Kč 2 vodní zásobníky á 50 m 3 pouze pro podlahové vytápění přímo nebo přes TČ

7 Solární aktivní domy 7/79 European Solar Thermal Technology Platform 2006 ESTIF, EUREC solární tepelné soustavy jako hlavní OZT pro nízkoteplotní aplikace podpora technologického vývoje, vytipování oblastí výzkumu cíl do 2030: pokrýt 50 % nízkoteplotní potřeby tepla v Evropě solární aktivní domy se 100% pokrytím potřeby tepla a chladu jako stavební standard pro novostavby solární rekonstrukce domů: 50% pokrytí potřeby tepla a chladu

8 Solární aktivní dům 8/79

9 Akumulace tepla 9/79 akumulace tepla klíčová otázka potřeba vysoké hustoty akumulace, bezztrátové citelné teplo: 100 až 300 MJ/m 3 využití tepelné kapacity, změna teploty latentní teplo: 200 až 500 MJ/m 3 skupenské teplo tání-tuhnutí sorpční teplo: 500 až 1000 MJ/m 3 akumulace vodní páry: adsorpce, absorpce chemické teplo: 1000 až 3000 MJ/m 3 vratné chemické reakce: jímání / uvolňování tepla

10 Základní problém 10/ potřeba tepla Qv dopadlá sluneční energie Qs Q v, Q s [kwh] Q v = Q sezónní akumulace s sluneční energie!!! leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec

11 Solární tepelné soustavy 11/79 běžná konfigurace spořič tepla úsporné opatření, částečné pokrytí potřeby tepla snižuje energetickou náročnost přípravy teplé vody, případně vytápění Druh solární soustavy pokrytí roční zisky [ % ] [ kwh/m 2 ] Solární ohřev vody 40 až až 500 Vytápění a ohřev vody 10 až až 400

12 Solární tepelné soustavy 12/79 hlavní zdroj tepla 100% pokrytí sezónní akumulace solárních zisků přenesení z léta do zimy výrazně předimenzovaná plocha kolektorů a objem zásobníku ekonomicky problematické řešení, zvláště pro soustavy vytápění a přípravy teplé vody čím vyšší pokrytí potřeby energie solární soustavou (= vyšší úspora emisí) tím nižší měrný energetický zisk (= horší ekonomika) 100% pokrytí = měrné zisky pod 200 kwh/m 2.rok

13 100 % pokrytí 13/ září-říjen teplota v akumulátoru [ C] K 30 K březen-duben pouze vytápění 10 vytápění a příprava TV dny

14 100% pokrytí vytápění a TV 14/79 v každém okamžiku je k dispozici dostatek energie o požadované teplotní úrovni nízká potřeba tepla na vytápění, nízkoteplotní otopná soustava, využití pasivních solárních zisků nízká potřeba tepla na přípravu TV, vysoce úsporné armatury, nízká teplota TV (35-37 C) Sonnenhaus Diergardt

15 Rodinný dům Regensburg 15/79 Sonnenhaus Lehner, DE 38 m 3, 83 m 2, 2006 zdroj: Jenni Energietechnik

16 16/79 zásobník (etc) kolektory celkem odhad: Kč Kč Kč zdroj: Sonnenhaus Institut

17 Rodinný dům Regensburg 17/79 zdroj: Sonnenhaus Institut

18 Bytový dům Oberburg Oberburg Sonnenhaus, CH 8 bytových jednotek 205 m 3, 276 m 2, /79 zdroj: Jenni Energietechnik

19 100% vytápění a příprava teplé vody 19/79 zdroj: Jenni Energietechnik

20 100% vytápění a příprava teplé vody 20/79

21 Sezónní akumulace pouze pro vytápění 21/79 simulační analýza dům: objem 500 m 3, plocha 150 m 2 standard nízkoenergetický dům 35 kwh/m 2.rok pasivní dům 15 kwh/m 2.rok otopná soustava vysokoteplotní 50/44 C nízkoteplotní 25/22 C běžné ploché kolektory zásobník vodní, uložený v zemi, izolace 50 cm

22 Sezónní akumulace pouze pro vytápění 22/79

23 23/79 Nízkoenergetický dům (100 %) pokrytí 100 % p z A k [m 2 ] 40 A k p z 60 p z [%] /22 C 50/44 C A k 30 V a [m 3 ]

24 Pasivní dům (100 %) 24/ /22 C 50/44 C pokrytí 100 % p z A k [m 2 ] 40 p z 120 p z [%] A k A k V a [m 3 ]

25 NED nákladové optimum 25/ varianta NED 1200 N i [tis.kč] m 3 / 42 m %, 25/22 C 100 %, 25/22 C 75 %, 50/44 C 100 %, 50/44 C m 3 / 22 m 2 V a [m 3 ]

26 PAS nákladové optimum 26/ varianta PAS N i [tis.kč] m 3 / 24 m %, 25/22 C 100 %, 25/22 C 75 %, 50/44 C 100 %, 50/44 C m 3 / 15 m 2 V a [m 3 ]

27 Souhrnné výsledky 27/79 typ domu Nízkoenergetický dům Pasivní dům pokrytí 100 % 75 % 100 % 75 % 25/22 C 50/44 C 100 m 3 /22 m 2 60 m 3 /17 m 2 40 m 3 /15 m 2 40 m 3 /9 m tis. Kč tis. Kč m 3 /42 m 2 80 m 3 /28 m 2 80 m 3 /24 m 2 40 m 3 /18 m tis. Kč tis. Kč 430 nízkoteplotní vytápění: snížení nákladů o 40 % (100% pokrytí) pokrytí 100 %: zvýšení nákladů o 35 až 45 % oproti 75 %

28 Závěry analýzy pouze vytápění 28/79 Pro variantu pasivního domu PAS s nízkoteplotní otopnou soustavou: 40 m 3 vodního objemu zásobníku 14 m 2 pro 100% pokrytí investiční náklady > 400 tis. Kč solární soustava se sezónním zásobníkem pro krytí vytápění představuje pro pasivní variantu rodinného domu zhruba 5 až 10 % ceny rodinného domu. návratnost investice se pohybuje v řádu běžné životnosti solární soustavy.

29 Sezónní akumulace pro sídliště 29/79 společná akumulace pro soubor domů nížší ztráty, vyšší využitelnost centrální zdroj tepla, vyrovnání špiček nižší emise

30 Případová studie sídliště RD 30/79 6 řad x 9 rodinných domů = 54 domů á 150 m 2 běžný standard: 80 kwh/(m 2.rok) 12 MWh/rok (648 MWh/rok) nízkoen. standard 50 kwh/(m 2.rok) 7,5 MWh/rok (405 MWh/rok) pasivní standard: 20 kwh/(m 2.rok) 3 MWh/rok (162 MWh/rok) příprava TV: 50 l/(os.den) 2.4 MWh/rok (129 MWh/rok) 55/45 C 45/37 C 35/30 C 55 C celková plocha jižních střech = 2900 m 2

31 Cíle studie 31/79 pro zadané solární pokrytí 100 % stanovit návrhové parametry plocha solárních kolektorů A k objem sezónního akumulátoru V s stanovit energetické přínosy 31/65

32 Stanovení návrhových parametrů 32/79 předpoklady solární soustava dodává požadované množství tepla pro zajištění definovaného ročního pokrytí celkové potřeby tepla; solární zásobník tepla pracuje v ustáleném provozu, teploty v zásobníku na konci každého ročního cyklu jsou stejné (v zásobníku se trvale meziročně nesnižuje nebo nezvyšuje teplota); zásobník je optimálně využit, solární soustava nestagnuje a tím se nesnižují potenciálně dosažitelné zisky.

33 Parametry simulace (TRNSYS) 33/79 solární kolektory ploché: h 0 = 0,75; a 1 = 3,5 W/(m 2.K); a 2 = 0,015 W/(m 2.K 2 ) orientace jih, sklon 45 plocha podle požadovaného solárního pokrytí sezónní akumulátor nadzemní zásobník tepla tepelná izolace 30 cm / 0,04 W/(m.K) maximální teplota 85 C objem podle plochy kolektorů, požadovaného solárního pokrytí, maximalizace využití tepelné kapacity zásobníku 33/65

34 Parametry simulace (TRNSYS) 34/79 rozvody kolektorového okruhu lepší izolační standard dimenze podle navržené plochy kolektorů 34/65

35 Průběh teploty v sezónním zásobníku 35/79 25 % 100 % 35/65

36 Výsledky pro 100% pokrytí 36/79 STA LOW PAS plocha kolektorů [m 2 ] objem zásobníku [m 3 ] měrné solární zisky [kwh/(m 2.rok)] průměrná teplota zásobníku [ C] podíl tepelných ztrát solární soustavy [%]

37 Výsledky jinak... plocha kolektorů 37/79 kolektory STANDARD NÍZKOENER. PASIVNÍ pokrytí 25 % pokrytí 50 % pokrytí 75 % pokrytí 100 % pasivní standard snižuje celkovou investici pro vysoké solární pokrytí je už rozdíl malý

38 Výsledky jinak... 38/79 objem STANDARD NÍZKOENER. PASIVNÍ pokrytí 25 % pokrytí 50 % pokrytí 75 % pokrytí 100 % pasivní standard snižuje celkovou investici pro vysoké solární pokrytí je už rozdíl malý

39 Návrhové parametry 39/79

40 Provozní parametry 40/ až 500 kwh/(m 2.rok) 100 až 200 kwh/(m 2.rok)

41 Provozní parametry 41/79 60 až 75 % 15 až 25 %

42 Diskuse 42/79 snaha o velmi vysoké pokrytí (100 %) v nejnepříznivějším období (březen) musí být v zásobníku teplota pro bezpečnou přípravu teplé vody (65 C) nízké využití akumulační schopnosti zásobníku velký objem celoročně vysoká provozní teplota v zásobníku velký podíl ztrát nízká účinnost kolektorů a celé soustavy (10 až 20 %) příliš velké plochy a objemy investiční náročnost x přínos plocha kolektorů pro 100% pokrytí > plocha střech domů pasivní domy horší provozní parametry větší podíl přípravy náročné teplé vody nižší návrhové parametry (absolutní hodnoty)

43 Návrh solární soustavy se 100% pokrytím 43/79 výpočet potřeby tepla na vytápění EN ISO zjednodušeně denostupňová metoda (z tepelné ztráty) Q, 24 d Q p VYT, mes z t i, p t iv t t e, p ev kwh/měs výpočet potřeby tepla na přípravu TV Q p, TV, mes d V c t TV 6 3,6 10 t SV kwh/měs

44 Teoreticky využitelný zisk kolektorů 44/79 teoreticky využitelný tepelný zisk Q k,u [kwh/m 2 ] solárních kolektorů v daném období (měsíc) Q k, u 0,9 hk HT,mes Ak 1 p kwh/měs skutečná denní dávka slunečního ozáření plochy kolektoru H T,měs tabulky v TNI jednotné klimatické údaje účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci h k tepelné ztráty solární soustavy - paušální procentní srážka p = 0,5

45 Účinnost solárního kolektoru 45/79 účinnost solárního kolektoru h k (střední měsíční účinnost) h k h a 0 1 pro průměrnou venkovní teplotu v době slunečního svitu t e,s tabulky v TNI jednotné klimatické údaje pro střední sluneční ozáření G T,m během dne na uvažovanou plochu (sklon, orientace)... předpoklad: jasný den tabulky v TNI jednotné klimatické údaje pro průměrnou teplotu kapaliny t k,m v kolektoru viz dále t k,m G t T,m e,s a 2 t k,m G t T,m e,s 2

46 Provozní teplota solární soustavy 46/79 průměrná měsíční teplota kapaliny t k,m v kolektoru t k, m t min minimální teplota vybitého zásobníku pouze vytápění t min = 30 C vytápění a TV t min = 50 C t max t aku, m t max = 70 až 80 C t t t t max 2 min max maximální teplota nabitého zásobníku 2 min M 6 sin 2 12

47 Návrh prvků soustavy 47/79 určení ročního měrného zisku 12 qk, u,rok 0,9 hk,i HT,i 1 p kwh/m 2.rok 1 návrh plochy kolektorů A k Q q p,rok k,u,rok m 2 návrh objemu zásobníku V aku 6 3,6 10 Qp,rok m t max t min

48 Bilance 48/ potřeba Q p ; zisky Q ss,u [kwh/měs] teplota v zásobníku [ C] 0 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec měsíc 0

49 Plášť budovy jako zdroj energie 49/79

50 Využití sluneční energie v budovách 50/79 teplo nízkoteplotní aplikace (teplá voda, vytápění) chlad vysokoteplotní aplikace (solární chlazení) elektrická energie fotovoltaika (on-grid, off-grid) přirozené osvětlení rovnoměrně rozptýlené světlo (okenní prvky)

51 Využití sluneční energie v budovách 51/79 řídká hustota sluneční energie max W/m 2, max kwh/(m 2.rok) omezená plocha pláště budovy při vhodné orientaci efektivní využití plochy obálky pro umístění kolektorů využití synergetických vazeb solární kolektory: spolupráce nikoli konkurence, víceúčelová zařízení, multifunkční / hybridní koncepty integrace do konstrukčních prvků pláště budovy

52 Integrace solárních kolektorů do budov 52/79 Architektonická vizuální kvalita jako klíčový úkol Konstrukční integrace kolektor jako regulérní stavební prvek, náhrada obálky solárním kolektorem energeticky ztrátová obálka... obálka jako zdroj energie přechod z energeticky pasivní obálky na energeticky aktivní obálku spojení funkce kolektoru s funkcí stavebního prvku

53 Proč integrace? 53/79 extrémní instalace

54 Proč integrace? 54/79 běžné instalace

55 Architektonická integrace 55/79 Problémy využití větší části pláště budovy pro solární kolektor zásadní vliv na vzhled budovy zkušenost s nízkou vizuální kvalitou v minulosti kolektorová pole instalována odděleně od kontextu obálky budovy fragmentace obálky budovy disharmonie geometrie budovy Požadavky na kolektory různá barevná řešení, tvary, velikosti,materiály, povrchové vlastnosti, neviditelné řešení detailů připojení, neviditelná potrubí,... jeden z klíčů pro kladné přijetí solárních zařízení veřejností nástroj trhu

56 Architektonická integrace 56/79 Trendy neviditelný kolektor kolektor je skrytý nebo vypadá stejně jako obálka (konstrukční integrace) viditelný kolektor kolektor jako dominantní prvek kolektor jako funkční prvek (stínicí prvek, aj.) Možnosti ploché kolektory trubkové kolektory vzduchové kolektory koncentrační kolektory

57 Neviditelný prvek 57/79

58 Dominantní architektonický prvek 58/79 Malmo, Sweden

59 Dominantní architektonický prvek 59/79 Linz, Rakousko

60 Funkční prvek - stínicí zařízení 60/79 Výstaviště, Brno Dunajvaros, Maďarsko

61 Zelený pruh, Praha 61/79

62 Konstrukční integrace 62/79 kolektor jako regulérní stavební prvek, náhrada obálky solárním kolektorem energeticky ztrátová obálka... obálka jako zdroj energie přechod z energeticky pasivní obálky na energeticky aktivní obálku spojení funkce kolektoru s funkcí stavebního prvku

63 Konstrukční integrace 63/79 multifunkčnost obálky: stavební konstrukce a zdroj energie v jednom prvku úspora nákladů: jeden prvek zajišťující několik funkcí zlepšení tepelných vlastností obálky budovy esteticky přitažlivé řešení (ve srovnání se stavebně oddělenými) architektonicky méně náročné

64 Konstrukční integrace 64/79 Problémy diskuze a návrh již v počátečním stádiu plánování budovy mezioborová spolupráce mezi architektem, stavařem a topenářem estetické, technické a praktické aspekty musí být vyjasněny již na počátku odpovědnost za návrh a funkci jako pláště tak solárního prvku životnost prvku

65 Přímá x nepřímá integrace 65/79 Nepřímá kolektor je oddělen od budovy větranou mezerou slabá tepelná vazba mezi kolektorem a obálkou Přímá kolektor tepelně svázán s budovou (nízká tepelná ztráta) budova ovliněna kolektorem (zimní zisky, letní zátěž)

66 Konstrukční integrace 66/79 změna v myšlení architektů změna v navrhování budov

67 Náhrada obálky kolektorem 67/79

68 Integrace do střešního pláště 68/79 nepravidelné tvary

69 Velkoplošné integrace 69/79

70 Prefabrikovaná solární střecha 70/79 special prefabrication

71 Solární kolektory integrované do fasády 71/79

72 Solární kolektory integrované do fasády 72/79 prefabrikované fasády výroba na místě běžné moduly

73 Velkoplošné solární fasády 73/79

74 Solární sanace fasády Ostrava 74/79 panelový dům, zateplení & solární kolektory DPS Syllabova ul., Mariánské hory

75 Vizuálně citlivé barevné řešení 75/79

76 Problémy se stíněním v zástavbě 76/79 SPŠ a SOU Břeclav TU Liberec

77 Stínění překážkami 77/79 z H d H H tg tg(90 ) z d... vzdálenost překážky od fasády h... výška překážky z... zenitový úhel

78 Odraz slunečního záření od sněhu 78/79

79 Odraz zisk vlivem odrazu 79/79 G t G b R b G d 1 cos 1 cos gr Gb Gd 2 2