1/79 Solární soustavy s vysokým pokrytím soběstačnost průběh teplot v zásobníku návrh soustavy integrace solárních kolektorů do obálky budovy
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
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...
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)
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: 1989-1994: Task 13 Advanced Solar Low Energy Buildings 1998-2002: Task 26 Solar Combisystems 2003-2006: Task 32 Advanced Storage Concepts for Solar and Low Energy Buildings 2008-2013: Task 40 Net Zero Energy Solar Buildings 2009-2012: Task 41 - Solar Energy and Architecture
Prehistorie solárních domů v ČR 6/79 Experimentální nízkoenergetický dům VUES v Podolí u Brna 1994-1997 70 % 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 21.1.2010 4 900 000 Kč 2 vodní zásobníky á 50 m 3 pouze pro podlahové vytápění přímo nebo přes TČ
Solární aktivní domy 7/79 European Solar Thermal Technology Platform 2006 ESTIF, EUREC http://www.esttp.org 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
Solární aktivní dům 8/79
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
Základní problém 10/79 2000 potřeba tepla Qv dopadlá sluneční energie Qs Q v, Q s [kwh] 1500 1000 Q v = Q sezónní akumulace s sluneční energie!!! 500 0 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec
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 60 350 až 500 Vytápění a ohřev vody 10 až 30 300 až 400
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
100 % pokrytí 13/79 100 90 září-říjen teplota v akumulátoru [ C] 80 70 60 50 40 30 20 60 K 30 K březen-duben pouze vytápění 10 vytápění a příprava TV 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 dny
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
Rodinný dům Regensburg 15/79 Sonnenhaus Lehner, DE 38 m 3, 83 m 2, 2006 zdroj: Jenni Energietechnik
16/79 zásobník (etc) kolektory celkem odhad: 1 200 000 Kč 500 000 Kč 1 700 000 Kč zdroj: Sonnenhaus Institut
Rodinný dům Regensburg 17/79 zdroj: Sonnenhaus Institut
Bytový dům Oberburg Oberburg Sonnenhaus, CH 8 bytových jednotek 205 m 3, 276 m 2, 2005 18/79 zdroj: Jenni Energietechnik
100% vytápění a příprava teplé vody 19/79 zdroj: Jenni Energietechnik
100% vytápění a příprava teplé vody 20/79
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
Sezónní akumulace pouze pro vytápění 22/79
23/79 Nízkoenergetický dům (100 %) 100 150 pokrytí 100 % p z 80 120 60 90 A k [m 2 ] 40 A k p z 60 p z [%] 20 0 25/22 C 50/44 C 0 0 50 100 150 200 250 300 A k 30 V a [m 3 ]
Pasivní dům (100 %) 24/79 100 300 80 25/22 C 50/44 C pokrytí 100 % p z 240 60 180 A k [m 2 ] 40 p z 120 p z [%] A k 20 60 A k 0 0 50 100 150 200 250 300 0 V a [m 3 ]
NED nákladové optimum 25/79 1400 varianta NED 1200 N i [tis.kč] 1000 800 125 m 3 / 42 m 2 600 400 75 %, 25/22 C 100 %, 25/22 C 75 %, 50/44 C 100 %, 50/44 C 0 50 100 150 200 250 300 100 m 3 / 22 m 2 V a [m 3 ]
PAS nákladové optimum 26/79 1000 varianta PAS N i [tis.kč] 800 80 m 3 / 24 m 2 600 400 200 75 %, 25/22 C 100 %, 25/22 C 75 %, 50/44 C 100 %, 50/44 C 0 50 100 150 200 250 300 40 m 3 / 15 m 2 V a [m 3 ]
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 2 630 tis. Kč 470 380 tis. Kč 290 125 m 3 /42 m 2 80 m 3 /28 m 2 80 m 3 /24 m 2 40 m 3 /18 m 2 990 tis. Kč 680 620 tis. Kč 430 nízkoteplotní vytápění: snížení nákladů o 40 % (100% pokrytí) pokrytí 100 %: zvýšení nákladů o 35 až 45 % oproti 75 %
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.
Sezónní akumulace pro sídliště 29/79 společná akumulace pro soubor domů nížší ztráty, vyšší využitelnost centrální zdroj tepla, vyrovnání špiček nižší emise
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
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
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.
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
Parametry simulace (TRNSYS) 34/79 rozvody kolektorového okruhu lepší izolační standard dimenze podle navržené plochy kolektorů 34/65
Průběh teploty v sezónním zásobníku 35/79 25 % 100 % 35/65
Výsledky pro 100% pokrytí 36/79 STA LOW PAS plocha kolektorů [m 2 ] 4000 3500 3100 objem zásobníku [m 3 ] 40000 38000 37000 měrné solární zisky [kwh/(m 2.rok)] 209 169 113 průměrná teplota zásobníku [ C] 64 66 67 podíl tepelných ztrát solární soustavy [%] 56 63 75
Výsledky jinak... plocha kolektorů 37/79 kolektory STANDARD NÍZKOENER. PASIVNÍ pokrytí 25 % 460 310 175 pokrytí 50 % 1 000 650 400 pokrytí 75 % 1 620 1 050 635 pokrytí 100 % 4 000 3 500 3 100 pasivní standard snižuje celkovou investici pro vysoké solární pokrytí je už rozdíl malý
Výsledky jinak... 38/79 objem STANDARD NÍZKOENER. PASIVNÍ pokrytí 25 % 1 300 700 110 pokrytí 50 % 4 500 2 600 1 000 pokrytí 75 % 8 000 5 000 2 500 pokrytí 100 % 40 000 38 000 37 000 pasivní standard snižuje celkovou investici pro vysoké solární pokrytí je už rozdíl malý
Návrhové parametry 39/79
Provozní parametry 40/79 400 až 500 kwh/(m 2.rok) 100 až 200 kwh/(m 2.rok)
Provozní parametry 41/79 60 až 75 % 15 až 25 %
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)
Návrh solární soustavy se 100% pokrytím 43/79 výpočet potřeby tepla na vytápění EN ISO 13790 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
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 73 0302 jednotné klimatické údaje účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci h k tepelné ztráty solární soustavy - paušální procentní srážka p = 0,5
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 73 0302 jednotné klimatické údaje pro střední sluneční ozáření G T,m během dne na uvažovanou plochu (sklon, orientace)... předpoklad: jasný den tabulky v TNI 73 0302 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
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
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 3 1000 4187 t max t min
Bilance 48/79 700 90 600 80 potřeba Q p ; zisky Q ss,u [kwh/měs] 500 400 300 200 100 70 60 50 40 30 20 10 teplota v zásobníku [ C] 0 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec měsíc 0
Plášť budovy jako zdroj energie 49/79
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)
Využití sluneční energie v budovách 51/79 řídká hustota sluneční energie max. 1000 W/m 2, max. 1200 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
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
Proč integrace? 53/79 extrémní instalace
Proč integrace? 54/79 běžné instalace
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
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
Neviditelný prvek 57/79
Dominantní architektonický prvek 58/79 Malmo, Sweden
Dominantní architektonický prvek 59/79 Linz, Rakousko
Funkční prvek - stínicí zařízení 60/79 Výstaviště, Brno Dunajvaros, Maďarsko
Zelený pruh, Praha 61/79
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
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
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
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)
Konstrukční integrace 66/79 změna v myšlení architektů změna v navrhování budov
Náhrada obálky kolektorem 67/79
Integrace do střešního pláště 68/79 nepravidelné tvary
Velkoplošné integrace 69/79
Prefabrikovaná solární střecha 70/79 special prefabrication
Solární kolektory integrované do fasády 71/79
Solární kolektory integrované do fasády 72/79 prefabrikované fasády výroba na místě běžné moduly
Velkoplošné solární fasády 73/79
Solární sanace fasády Ostrava 74/79 panelový dům, zateplení & solární kolektory DPS Syllabova ul., Mariánské hory
Vizuálně citlivé barevné řešení 75/79
Problémy se stíněním v zástavbě 76/79 SPŠ a SOU Břeclav TU Liberec
Stínění překážkami 77/79 z H d H H tg tg(90 ) z d... vzdálenost překážky od fasády h... výška překážky z... zenitový úhel
Odraz slunečního záření od sněhu 78/79
Odraz zisk vlivem odrazu 79/79 G t G b R b G d 1 cos 1 cos gr Gb Gd 2 2