SIMULACE A VERIFIKACE ENERGETICKÝCH SYSTÉMŮ S OPTICKÝMI RASTRY, URČENÝCH PRO BIOLOGICKÉ APLIKACE

Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích Ústav fyzikální biologie Doktorská disertační práce SIMULACE A VERIFIKACE ENERGETICKÝCH SYSTÉMŮ S OPTICKÝMI RASTRY, URČENÝCH PRO BIOLOGICKÉ APLIKACE Vypracoval: Ing. Jozef Korečko V Třeboni 2010 Školitel: Ing. Vladimír Jirka, CSc. Zaměstnavatel: ENKI, o.p.s. Dukelská 145 Třeboň, 379 01

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ O AUTORSTVÍ: Prohlašuji, že svoji disertační práci jsem vypracoval samostatně pouze s použitím pramenů a literatury uvedených v seznamu citované literatury. Prohlašuji, že v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb. v platném znění souhlasím se zveřejněním své disertační práce, a to v nezkrácené podobě elektronickou cestou ve veřejně přístupné části databáze STAG provozované Jihočeskou univerzitou v Českých Budějovicích na jejích internetových stránkách, a to se zachováním mého autorského práva k odevzdanému textu této kvalifikační práce. Souhlasím dále s tím, aby toutéž elektronickou cestou byly v souladu s uvedeným ustanovením zákona č. 111/1998 Sb. zveřejněny posudky školitele a oponentů práce i záznam o průběhu a výsledku obhajoby kvalifikační práce. Rovněž souhlasím s porovnáním textu mé kvalifikační práce s databází kvalifikačních prací Theses.cz provozovanou Národním registrem vysokoškolských kvalifikačních prací a systémem na odhalování plagiátů. Datum... 2010... Ing. Jozef Korečko 1

Anotace Práce hodnotí chování systémů, využívajících sluneční energii a posuzuje míru shody mezi reálnými systémy a jejich dynamickými matematickými modely. Byly porovnávány systémy, na jejichž vývoji jsem se podílel biotechnologická hala s koncentračními biokultivátory v Nových Hradech a objekt modulárního skleníku v Třeboni. Simulace byly vytvořeny v softwarovém prostředí TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) výsledky byly porovnávány se skutečnými hodnotami, naměřenými na objektech. Pro matematický popis objektu byly vyvinuty a začleněny do programu vlastní moduly původních českých technických prvků (např. kolektory SOLARGLAS, optické rastry). Byly porovnávány děje, probíhající v reálném čase popisující dynamické chování objektů, zejména setrvačnosti a rychlosti vyvolaných změn. Tyto děje ovlivňuje mnoho parametrů (rozložení akumulačních hmot, velikost průsvitných ploch, orientace, zastínění ). První část obsahuje popis měření v samotných objektech a tepelných poměrů v těchto objektech. Ve druhé části je těžiště práce kladeno na vytvoření matematických modelů sledovaných objektů, postihující jejich podstatné funkce a technologie. Výsledkem je kvalifikované zhodnocení energetických poměrů v systémech, verifikace matematických modelů, tj. porovnání nasimulovaných a naměřených hodnot a upřesnění parametrů, vstupujících do modelů a doporučení pro uživatele rastrových systémů. The work is evaluated a behaviour of systems utilizing a solar radiation and also looking on concordance rate between a real systems and their dynamics mathematical models. There are compare systems biotechnology hall with concentration photobiorectors in Nové Hrady and object of modular greenhouse in Třeboň. The simulation was created in TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) program and a result from simulation was compare with real data measured in these objects. The original Czech technical components (concentration collector SG1 and passive optical rasters) were implements to TRNSYS like owners module for better describe of monitored objects. It was compared process which running in real time and describes dynamics behaviour of objects, mainly inertia and speed of developed changes. A lot of parameters influence of these processes (lay of accumulation mass, size of translucent area, orientation, shading...). The first part of thesis consist of describe of measurement and thermal rate in monitored objects. The focus of work in the second one was aim for build of mathematical models of the monitored objects, describe its cardinal functions and technologies. The result is qualification evaluation of energy rates in systems and verifications of mathematical models, so it is mean a compare of calculated and measured values, also correction of parameters inputs to models and recommendation for user of the raster systems. 2

Poděkování Úvodem bych chtěl poděkovat všem lidem, kteří my umožnili věnovat se této práci a kteří mi odborně radili a dávali věcné připomínky v průběhu experimentální činnosti a také v průběhu kompletovaní výsledků a sestavování čistopisu. Jmenovitě bych rád poděkoval mému školiteli Ing. Vladimíru Jirkovi, CSc. a řediteli společnosti ENKI, o.p.s. doc. RNDr. Janovi Pokornému, CSc. 3

Obsah Anotace... 1 Poděkování... 3 Obsah... 4 1 Cíl práce... Chyba! Záložka nie je definovaná. 2 Rešerše současný stav řešené problematiky... Chyba! Záložka nie je definovaná. 2.1 Simulační programy... 9 2.2 Fototrofní řasové kultivátory... 11 2.2.1 Sinice a řasy... 14 2.2.2 Podmínky pro kultivaci řas... 16 2.3 Stavební objekty... 18 3 Použitá technologická zařízení... 19 3.1 Biotechnologická hala... 19 3.2 Experimentální skleník... 21 3.3 Biokultivátor technologická jednotka Biotechnologické haly... 23 3.4 Monitorovací systémy... 23 3.5 Optické rastry společný jmenovatel studovaných systémů... 24 3.5.1 Rastry pasivní... 25 3.5.2 Rastry aktivní - fokusující... 25 3.6 Teoretická propustnost skla... 26 3.6.1 Základní části koncentračního kolektoru... 27 4 Dosažené výsledky na objektu biotechnologické haly... 31 4.1 Měření energetických parametrů v biotechnologické hale... 31 4.1.1 Hlavní součásti kultivačního systému a princip činnosti (střešního, fasádního)... 31 Popis funkce:... 34 4.1.2 Energetické systémy a jejich funkce v biotechnologické hale... 37 4.1.3 Systémy měření a regulace v biotechnologické hale... 40 Měření a Regulace (MaR) kultivace řas... 40 MaR solární systém... 41 4.1.4 Zhodnocení výsledků měření energetických toků v hale... 42 4.2 Simulace biotechnologické haly a biokultivárorů... 46 4.2.1 Matematické modely sestavené pro biotechnologickou halu... 46 4.2.1.1 Popis modulu solárního systému tvořeného plochými kolektory Heliostar... 47 4.2.1.2 Popis modulu solárního systému, tvořeného transparentními koncentračními kolektory střešními (a fasádními)... 47 4.2.1.3 Popis modulu biokultivátorů... 48 4.2.1.4 Popis modulu akumulace tepla... 49 4.2.1.5 Popis modulu budovy... 50 4.2.2 Simulace energetických bilancí při projektování objektu... 51 4.2.3 Simulace energetických bilancí jednotlivých technologií a jejich porovnání s naměřenými hodnotami... 53 4.2.4 Zhodnocení výsledků simulací... 60 4

5 Dosažené výsledky v experimentálním skleníku... 62 5.1 Měření energetických parametrů v experimentálním skleníku... 62 5.1.1 Stavebně technické řešení skleníku... 62 5.1.1.1 Návrh barevného řešení vnitřních akumulačních stěn... 64 5.1.2 Měření, regulace a archivace dat v experimentálním skleníku v Třeboni... 66 5.1.2.1 MaR teploty v prostorech... 67 5.1.2.2 MaR plochých vakuových kolektorů... 67 5.1.2.3 MaR koncentračních kolektorů... 67 5.1.2.4 MaR tepelného čerpadla... 68 5.1.2.5 MaR elektrického přitápění akumulačních nádrží... 68 5.1.2.6 MaR vzduchotechnické jednotky... 68 5.1.2.7 Měření dalších veličin ve skleníku... 68 5.1.3 Stanovení účinnosti jednotlivých typů kolektorových systémů a stanovení jejich charakteristických křivek účinnosti... 70 5.1.3.1 Střešní a fasádní koncentrační kolektory s Fresnelovými čočkami (SG3, SG2 a SF1)... 71 5.1.3.2 Ploché vakuové kolektory... 74 5.1.4 Měření optických vlastností Fresnelovy čočky... 76 5.2 Simulace energetických toků ve skleníku... 80 5.2.1 Předrealizační simulační výpočty... 81 5.2.1.1 Zhodnocení výsledků simulací... 84 Zhodnocení výsledků... 87 5.2.2 Simulace, podílející se na vývoji skleníku, prováděné v průběhu jeho monitorování... 88 5.2.2.1 První porovnání naměřených a vypočtených hodnot... 89 5.2.2.1.1 Výsledky... 90 5.2.3 Simulace solárních soustav po úpravě vstupních parametrů jednotlivých kolektorů... 96 5.2.4 Měření a simulace energetických bilancí skleníku v přechodovém období... 101 5.2.4.1 Výsledky experimentálního měření... 103 5.2.4.2 Výsledky porovnávající měřená a vypočtená data... 106 5.2.5 Vyhodnocení ročních energetických bilancí skleníku... 109 5.2.6 Porovnání energetických bilancí skleníku v rozdílných klimatických podmínkách... 113 6 Zhodnocení... 118 5

1 Cíl práce Cílem práce SIMULACE A VERIFIKACE ENERGETICKÝCH SYSTÉMŮ S OPTICKÝMI RASTRY, URČENÝCH PRO BIOLOGICKÉ APLIKACE bylo posouzení využitelnosti simulačního programu TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) v projekční činnosti složitějších energetických systémů určených pro biologické aplikace. Tohoto cíle bylo dosaženo experimentálním porovnáním výstupů z matematického modelování energetických toků v systémech využívajících dopadající sluneční radiace s reálními hodnotami získanými měřením na dvou samostatných objektech. Tyto objekty jsou svojí koncepcí a konstrukcí v stavební a technické praxi unikátní. Oba systémy jsou založeny na využívání původních českých skleněných lineárních optických rastrů. Na jejich návrhu, technickém řešení, optimalizaci a realizaci jsem se aktivně podílel. Jedná se o: zařízení - systém biokultivátorů v biotechnologické hale v Nových Hradech budova - experimentální modulární skleník v Třeboni Unikátnost těchto objektů dosvědčuje i skutečnost, že koncentrační biokultivátor je patentově chráněný a modulový skleník s aktivními a pasivními skleněnými rastry je chráněn několika užitnými vzory. Ve shodě s cílem práce je disertace zaměřena na matematické modelování koncentračního biokultivátoru a experimentálního skleníku, které využívají aktivních i pasivních skleněných lineárních optických rastrů. Mým hlavním cílem bylo sestavení matematického modelu těchto systémů v programovém prostředí TRNSYS. Model je zaměřen na hodnocení energetických bilancí celých objektů. biotechnologická hala i experimentální skleník byly od samotného návrhu koncipovány a projektovány tak, aby v nich byly vytvořeny co nejlepší podmínky pro intenzivní využití energie Slunce v kultivačním resp. pěstebním procesu. Proto je nezbytné se na objekty a technologie v nich umístěné dívat jako na jeden ucelený systém. Výsledky energetických bilancí získané výpočtem jsem porovnával s hodnotami naměřenými v provozním režimu obou sledovaných objektů. Dílčími cíly bylo: zhodnocení přínosů nových metod navrhování, projektování a predikce chování technologických systémů a staveb, použitelných v biologických aplikacích, začlenění systémů koncentračních kolektorů do programového prostředí TRNSYS pro přesnější výpočet dynamického chování soustav, využívajících těchto technologií. Základem je měření tepelně-technických vlastností solárních systémů umístněných v experimentálním skleníku a měření optických vlastností lineární Fresnelovy čočky na simulátoru slunečního svitu, zhodnocení energetické bilance systémů pro kultivaci řas za sledovaná období. Energetická bilance je zhodnocena na základě sestaveného matematického modelu v simulačním prostředí TRNSYS a naměřených dat z monitorovacího systému. Hodnocení slouží zároveň jako verifikace pro využití v reálných technických objektech, 6

zhodnocení energetických toků v solárních a otopných systémech skleníku i budovy jako celku v rámci krátkodobých i dlouhodobých experimentů, využití výsledků matematického modelování pro návrh stavebních konstrukcí, otopného systému a dimenzování akumulačních nádrží, využití matematických modelů systémů pro predikci chování objektu v odlišných klimatických podmínkách, standardně definovaných TRY (Test Reference Year) a návrhu přizpůsobení stavebního řešení těmto podmínkám, navrhnout obecně platná doporučení při projekci solárních systémů a využívaní simulačního programu TRNSYS. Disertační práce je rozdělena do pěti tematických okruhů. První okruh je věnován rešerši nejčastěji používaných simulačních prostředků, biokultivačních zařízení a stavebních objektů, využívajících sluneční energii. Výsledkem jsou podrobné popisy a zdůvodnění vybraných řešení, prostředků a technologií, uplatněných při realizaci systémů. Druhý okruh je věnován stručnému představení technologických zařízení, které byly objektem zájmu v této práci. Třetí okruh je věnován popisu experimentální činnosti a dosaženým výsledkům na systémech v biotechnologické hale Ústavu fyzikální biologie v Nových Hradech. Čtvrtý okruh je věnován popisu experimentální činnosti a dosaženým výsledkům v modulárním skleníku v Třeboni. Součástí třetího a čtvrtého okruh jsou kapitoly popisné a výsledkové. Popisné kapitoly představuji problematiku, které jsem se věnoval a popisují sledované technologie a stavby. Vzhledem k tomu, že vývoj, návrh, realizace a monitoring těchto systémů byly náplní mé práce (spoluautorství na užitných vzorech CZ 18543 U1, CZ 18955 U1), jsou tyto kapitoly psané v širším měřítku. Popis je poměrně podrobný a obsahuje všechny funkční závislosti, které tvoří základ pro stavbu matematického modelu v TRNSYSu. Výsledková část hodnotí výstupy, získané z výpočtů v simulačním prostředí, které jsou následně konfrontovány s měřenými hodnotami získanými monitoringem. Tyto dvě kapitoly jsou psány v následující struktuře: měření energetických parametrů v sledovaných objektech, využití simulačního programu TRNSYS při projektování objektů, doplnění simulačního programu o optické a energetické účinky rastrů (jen v kapitole věnované experimentálnímu skleníku), porovnání skutečného chování sledovaných systémů s výsledky simulací. Pátý okruh hodnotí výsledky stanovených cílů. 7

2 Rešerše současný stav řešené problematiky Díky rozvoji výpočetní techniky nacházejí v současné době stále větší využití matematické modely energetických systémů. Jejich aplikace je zajímavá především při predikci různých stavů a dějů systémů, které jsou dynamické (měnící se v čase). Matematickým modelem lze simulovat chování sledovaného systému při měnících se okrajových podmínkách, které tento systém ovlivňují. V biologických aplikacích se matematické modelování rozšířilo a úspěšně využívá. Z rešerše zaměřené na kultivaci řas plyne, že se publikované práce věnují modelování dějů, které přímo souvisí nebo mají vliv na růst nebo produkci určité látky v řasách. Modeluje se rozložení intenzity světla v profilu trubek, kterými protéká řasová suspenze (Molina et. al 1999), modeluje se proudění suspenze v kultivátoru (Perner-Nochta and Posten 2007), produkce biomasy v závislosti na teplotě a intenzitě osvětlení (Arnaund et. al 2003, Papáček et al 2007). Souvisejícími tématy jsou měření a optimalizace kultivačních procesů a podmínek v různých typech biokultivátorů pro odlišné druhy řas (Molina et. al 1994, Rebolloso Fuentes et. al 1999, Ning Zou and Richmond 1999, Molina et. al 2001Richmond and Cheng-Wu 200, Fernandez et. al 2003). Práce berou biokultivátor jako hotové zařízení, které je jen prostředkem potřebným ke kultivaci řas. V mé práci je biokultivátor pojat jako předmět výzkumu pro testování stavebních simulačních programů, při dobře dokumentovaných energetických tocích v objektech, které umožňují srovnání simulačních a reálných výstupů. Z rešerší prací věnovaných predikci energetického chování skleníků plyne, že jsou vytvářeny numerické modely, vycházející z energetických bilancí sledovaných jevů, jako například simulace vytápění s využitím tepelných clon a geotermální energie (Ghosal and Tiwari, 2004), nebo klimatické modely, které vytvořili Takakura et al. (1971), Kindelan (1980), Avissar and Mahrer (1982) či model pro akumulaci tepla do hmotné zdi (Wei Chen and Wei Liu, 2004). V současné době známe skleníky využívající aktivně i pasivně sluneční energii. Vhodným využitím pasivních prvků v konstrukci skleníku je možné snížit v zimním období jeho spotřebu na vytápění a v letním období snížit jeho energetickou zátěž od dopadajícího slunečního záření. Bylo proto nutné najít optimální konstrukční řešení stavby s ohledem na co nejefektivnější využití solární energie. Navrhli jsme asymetrický tvar střechy s orientací hřebene východ-západ. Práce (Sethi 2008) nám správnou volbu potvrdila. Z hlediska stavebních konstrukcí je nutné zajistit co možná největší akumulační hmoty. To může být dosaženo několika způsoby (Santamoris et al., 1994). Pro maximální možnou absorpci přebytečné dopadající energie na plochy stěn a podlah je důležitý výběr barvy. Při využívání skleníku k pěstebním účelům je vhodná modrá a červená barva, které odrážejí ve vlnové délce cca 470nm a cca 650nm. Tyto vlnové délky jsou absorbovány v chloroplastu fotosystémem I (PSI) resp. fotosystémem II (PSII) a využívány k fotosyntéze (Kirk 1994). Velký prosklený otvor na jižní fasádě přináší samozřejmě v letních měsících přebytek energetických zisků v interiéru, které je nutné vhodným chladícím systémem odvést (Sethi and Sharma, 2007). Komplexní přehled aktivního využívání sluneční radiace ve sklenících se stručním popisem uvádí Santamouris (1993). Využití lineární Fresnelovy čočky se uvádí v mnoha publikacích (Nelson et al., 1975; Kritchman et al., 1979; Nabelek et al., 1991; etc.). Možná aplikace těchto čoček je posuzována pouze teoreticky, případně jsou čočky vyrobeny z akrylátu, který není příliš vhodný pro integraci do obálky budovy pro jeho malou odolnost vůči UV záření (Tripanagnostopoulos et al., 2007). 8

V následujícím soupisu jsou předkládány možné simulační prostředky a související technická řešení biokultivátorů a stavebních objektů skleníkového typu. Jsou předložena a zdůvodněna kritéria, která musí systémy splňovat a dále jsou ukázány přístupy, které by měli projektanti zohlednit. 2.1. Simulační programy Pro výpočty energetických toků a bilancí technologických systémů a staveb jsou vývojovými pracovišti nejčastěji používány následující simulační programy: ESP-r Fluent TRNSYS ESP-r je simulační software, který je složen z několika programů, integrovaných pod jedním pracovním prostředím, určený k simulacím tepelných, optických a akustických vlastností budov a k jejich hodnocení. Program dovoluje také popsat budovu z hlediska materiálů použitých při výstavbě daného objektu. Materiály jsou komplexně hodnoceny z hlediska ekologické zátěže od výroby přes dobu životnosti až po likvidaci (hodnocení životního cyklu budovy). Software dále umožňuje sledovat toky energií vstupujících do stavby z různých energetických zdrojů, proudění vzduchu a změny jeho vlhkosti v budově. Program je využíván pro hloubkovou analýzu faktorů, které ovlivňují energetickou bilanci budovy i její vnitřní klima. Program je nepřetržitě vyvíjen od roku 1974. Jeho tvůrci přistupovali k vytvoření matematického modelu chování budov především z následujících hledisek: reálný popis fyzikálních vlastností studovaného systému matematickým aparátem - dodržení reálnosti sledovaného fyzikálního systému, dosažení vysoké rychlosti vyhodnocení navrhnuté koncepce řešení, zjištění faktorů, které nejvíce ovlivňují sledovaný systém a jejich následných optimalizací. Pomocí ESP-r je možné simulovat reálné děje s maximální precizností, která umožňuje projektantům objevit komplexní závislosti mezi tvarem budovy, její konstrukcí, vnitřním zařízením, vnitřním prouděním vzduchu a regulací. Program pracuje na principu výpočtu rovnic, popisujících sledovaný systém, které vzájemně interagují v čase v závislosti na počátečních podmínkách. Mezi ně patří meteorologická data, systém regulace, způsob využívaní daného prostoru, atd. Jednotlivé programy ESP-r jsou integrované pod centrálním Project Manager, který načítá podpůrné databáze, simulátory, výpočetní nástroje a tři Obr. 2.1 PrintScreen programu ESP-r základní aplikace pro CAD, vizualizaci a výstupní pracovní prostor určený k definování výsledky simulací. konstrukčních a tepelnětechnických vlastností Program je využívaný především ke sledovaného objektu komplexním výpočtům tepelně-technických vlastností budov. V čase zadání této práce (rok 9

2003) nebylo možné v tomto simulačním prostředí sestavit a počítat energetické bilance technologických systémů. V současné době je již program uzpůsoben i pro sestavování jednodušších technologických celků, jako jsou například solární soustavy. FLUENT je dnes jedním z nejvýkonnějších softwarových nástrojů v oblasti simulací dynamických dějů v tekutinách a plynech (Computational Fluid Dynamics - CFD). Díky různorodé platformě softwarů je Fluent využíván v mnohých průmyslových odvětvích jako je letectví, automobilový průmysl, medicína, zdravotnictví, elektronika, sklářství, námořnictví, chemický průmysl a především při modelování proudění vzduchu v budovách působením topení, chlazení, ventilace a sluneční radiace. Obr. 2.2 Ukázka výstupu ze simulací prováděných programem FLUENT (zdroj www.fluent.com) vizualizace proudění vzduchu ve výměníku tepla pro tři varianty vstupních kanálů CFD program umožňuje vytvořit virtuální model proudění vzduchu v budovách a tím již v průběhu projekce optimalizovat parametry, které toto proudění způsobují. Díky tomuto nástroji je možné předejít i při nových konstrukcích zbytečným chybám. Výsledky simulací mohou být ve 2D i ve 3D prostoru. Program je schopen vizualizovat a graficky vyjádřit průběh sledovaného děje v čase. Při simulacích je CFD model schopný zahrnout do výpočtu tepelné zdroje, jakými jsou kancelářská zařízení, světelné zdroje, obsazení prostoru uživateli, sluneční radiace, vítr a vnitřní tepelné vlastnosti budovy. Tepelné zisky ze slunečního záření, procházejícího prosklením budov je velice důležité zohlednit při návrhu ventilačního systému. Díky CFD programu je možné také zjistit rozložení teploty vzduchu v prostoru, radiační teploty, proudění vzduchu a jeho relativní vlhkost v prostoru. Na těchto výsledcích lze zhodnotit komfort vnitřního prostředí pro uživatele budovy. Fluent lze také využít při simulací proudění spalin pro případ, že v budově vznikne požár. To umožňuje získat důležité informace při projekci protipožárních opatření. Fluent je velice výkonný simulační nástroj, který je ale využitelný jen ke sledování jednoho konkrétního děje, a tak neumožňuje komplexní pohled na objekt a systém. TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) je universální simulační softwarové prostředí, určené k matematickému modelování nestacionárních dějů v energetických systémech. TRNSYS je využíván inženýry i výzkumníky po celém světě k simulacím a ověření nových řešení od jednoduchých domácích systémů pro ohřev teplé vody, až po návrh a simulaci budov včetně konstrukčního řešení stavby z hlediska tepelně technických vlastností, stavebních materiálů, otopných soustav a systémů regulace. Umožňuje vytvářet matematické modely a simulovat chování energetických systémů, využívajících obnovitelné zdroje energie jako jsou fototermální, teplovodní i teplovzdušné soustavy, fotovoltaické systémy, palivové 10

články, větrné turbíny, tepelná čerpadla atd. Jedním z klíčových faktorů širokého využití programu TRNSYS komunitou vědců a inženýrů je jeho otevřená, modulární struktura. Díky velkému množství jednoduchých základních komponentů (prvků) si uživatel může sestavit požadovanou strukturu navrhované nebo sledované energetické soustavy. Tento program poskytuje velké možnosti při optimalizování energetických technologických systémů, jako je kupříkladu koncentrační biokultivátor, kde se využívá teplo z různých zdrojů a systémů, uplatněných ve stavbě. Důvodem použití je možnost optimalizace tvaru, orientace, dispozičního řešení stavby a vytápěcího systému za účelem snížení ztrát objektu a racionálního využívání energetických zisků ze slunečního záření. Universálnost použití pro modelování jak objektů tak i systémů je hlavním důvodem, proč bylo k simulacím použito právě softwarového prostředí TRNSYS. 2.2 Fototrofní řasové kultivátory Řasové kultivátory jsou zařízení určená ke kultivaci různých druhů mikrořas, které se používají k produkci určitých cenných látek, nebo jako biomasa. Na rychlost růstu řas a jejich kvalitu má vliv několik níže zmíněných faktorů. Podmínkami kultivace je možné do určité míry ovlivnit nejen rychlost růstu, ale také obsah jednotlivých účinných látek, obsažených v řasách. Je věnováno značné úsilí na testování nových kultivačních zařízení i postupů pro jednotlivé typy řas s cílem optimalizovat výtěžnost požadované látky z řasy vzhledem k nákladům na její kultivaci. Při stanovení koncepce a konstrukčního řešení kultivátoru musí být zohledněno několik důležitých parametrů - zdroj světla, způsob míchání řasové suspenze, způsob kontroly a regulace teploty suspenze, výměna plynů (odkysličování a sycení oxidem uhličitým), zabezpečení sterilního prostředí (pokud je vyžadováno), spolehlivost provozu všech funkčních uzlů, prevence před znečištěním, způsob čištění, použité materiály, spotřeba energie. Zařízení na kultivaci řas je možné rozdělit podle různých kritérií: umístění (vnější, vnitřní), konstrukce (otevřené, uzavřené), použití. 1. podle umístnění: VNĚJŠÍ kultivátory jsou umístněny na volném prostranství, situují se do míst s teplým podnebím a dostatečným osluněním. VNITŘNÍ - kultivátory jsou umístěny v uzavřených prostorách, nejčastěji v prosklených halách. Kultivátory se pak mohou nacházet i v místech s chladnějším podnebím. 2. podle konstrukce: OTEVŘENÉ - využívají se především ke komerčním účelům, kdy plochy nádrží dosahují až 150 ha. U těchto kultivátorů není možné regulovat teplotní a světelné podmínky. Nevýhodou je také snadná kontaminace řasové kultury, proto pro kultivaci v těchto kultivátorech se používá hlavně Dunaliella ve vysoce salinním prostředí a Spirulina ve vysoce alkalickém prostředí. kruhové nádrže (open ponds) nádrže s rotujícím ramenem (CSMA-CNR, Scandicci, Italie; fy. Hau, Taiwan) vodní náhony (raceways pond) náhon s otáčivým lopatkovým kolesem (CSMA- CNR, Scandicci, Italie; Israel Oceanographic & Limnological Research, National Center for Mariculture, Eilat). Tyto nádrže jsou obvykle 30 cm hluboké. Lopatkovým otáčivým kolesem je zabezpečována cirkulace řasové suspenze v nádrži. Určitou nevýhodou je 11

nerovnoměrnost ozáření řasové suspenze v závislosti na hloubce. Ve vrchních vrstvách dochází k velkému ozáření suspenze. To má za následek fotoinhibici, což vede ke snížení účinnosti proměny sluneční energie na biomasu. Se zvyšující se hloubkou dochází ke snižování ozáření. Velké množství rasové suspenze je proto osvětleno malou intenzitou. Efektivnost využití sluneční energie je v těchto vrstvách vyšší, ale celková produkce biomasy je nižší. kaskády (cascade) - nakloněné plochy s tenkou vrstvou suspenze (5 až 8 mm) (Mikrobiologický ústav AVČR, Třeboň). Řasová suspenze cirkuluje po nakloněných plochách uspořádaných kaskádovitě za sebou. Turbulentní proudění zabezpečuje rovnoměrné osvětlení celého objemu řasové suspenze. Díky krátké optické dráze je možné hustotu řasové suspenze udržovat na 25 gl -1 až 35 gl -1. Denní výtěžnost systému je za příznivých klimatických podmínek na úrovni 40 g sušiny z 1 m 2. (Masojidek, J., Torzillo, G., 2008) UZAVŘENÉ používají se ke kultivaci řas, ze kterých je možné získávat cenné látky pro farmaceutický a kosmetický průmysl. Jejich výhodou je vyšší variabilita kultivačních podmínek s cílem získání požadované látky z řas, nižší možnost kontaminace kultivované kultury jinými mikroorganismy nebo řasami a snadnější udržování požadovaných kultivačních podmínek. Nevýhodou je složitější zabezpečení výměny plynů a čištění zařízení (Blackwell Science Ltd. 2004). ph je regulováno oxidem uhličitým, nebo přidáváním kyselin v případě že ph je příliš vysoké. Výpočet fotosyntetické účinnosti řas slouží k zjištění, jestli intenzita osvětlení je nízká, vysoká, nebo dostatečná. trubicové horizontální i vertikální nejčastěji používaný typ uzavřeného kultivátoru ke komerčním účelům pro jeho relativně jednoduchou konstrukci a vysokou objemovou produkci, dosahující i desetinásobku produkce ve srovnání s otevřenými systémy. Jsou složeny s velkého množství skleněných trubic s průměrem 3 až 10 cm a délky 25 až 100 m. Koncentrace řasy je 1 až 5 g sušiny na 1 litr suspenze. Hlavním nedostatkem je pořizovací cena, vysoké provozní náklady a omezená možnost odkysličení suspenze, což zpomaluje růst řas. Z těchto kultivátorů je možné získat roční produkci v objemu cca 20 60 t/ha/rok v závislosti na optické hustotě a objemu retenční nádoby, ve které dochází k odkysličení. trubicové koncentrační trubice s řasovou suspenzí se nachází v ohnisku lineární čočky. Řasy jsou vystaveny vyššímu ozáření za účelem vytváření stresových podmínek, které vedou řasy k produkci cenných látek (popisu koncentračních kolektorů jsou věnovány kapitoly 3.3 a 4.1.1). panelové mají plochý čtvercový tvar zhotovený ze skla nebo jiného transparentního materiálu a vevnitř je přehrádkami vytvořen meander kterým cirkuluje řasová suspenze. Výhodou tohoto typu kultivátoru je jeho plochý tvar, který umožňuje rovnoměrné osvětlení řasové suspenze v celém jejím profilu (Yuan-Kun, L. 2001) buble column vakové polokulovité KOMBINOVANÉ Vodní náhon s plochým panelem Kulový tank se závity z průhledných hadic 3. podle objemu kultivované řasy: 12

LABORATORNÍ slouží k zajištění řasových monokultur, které se pak používají pro další víceobjemové kultivace. Laboratorní kultivátory se také používají při výzkumné činnosti, hlavně při zjišťování kultivačních postupů, které umožňují řase produkovat požadovaný typ látky. Řasy se kultivují při umělém světle. V současné době se začínají využívat LED světla, pro jejich homogennější záření a nižší tepelnou zátěž. Teplota suspenze se udržuje v požadovaném rozmezí teplot vodním výměníkem tepla. Míchání suspenze je zabezpečeno. Objem řasové suspenze se pohybuje v rozmezí 0.5 50 l. POLOPROVOZNÍ můžou být použity k produkci inokula pro komerční systémy, k produkci menších objemů biomasy, nebo k produkci speciálních látek. Také je vhodné jejich využití při optimalizaci konstrukčního řešení kultivátoru, nebo pro optimalizaci kultivačního postupu před jeho komerčním využitím. Objem řasové suspenze se pohybuje v rozmezí 50 150 l. PROVOZNÍ (komerční) kultivátory zaměřené na produkci jednoho (druhu) typu řasy za účelem získání požadovaného produktu s ohledem na celkové náklady spojené s kultivací. Tabulka 2.1 Základní typy fototrofních biokultivárorů Laboratorní Vakové Panelový Válcové buble column Otevřené kultivátory Kaskádový - poloprovozní Uzavřené kultivátory Vodní náhon komerční Panelový Trubicový - koncentrační 13

Trubicový - vertikální Trubicový komerční Trubicový - dvojúrovňový 2.2.1 Sinice a řasy Sinice a řasy jsou zpravidla mikroskopické organismy žijící samostatně jako jednobuněčné, v řetězcích (vláknech) nebo v koloniích. V některých případech mohou však tvořit velkou biomasu makroskopické kolonie. Některé řasy mohou vytvářet charakteristické rozměrné mnohobučné útvary stélky (např. ruduchy). Taxonomicky se jedná o velmi komplikovanou skupinu organismů, které však v naprosté většině případů jsou fotoautotrofní, schopné oxygenní fotosyntézy. Základními fotosyntetickými pigmenty jsou zpravidla chlorofyly. Sinice, nebo v moderní terminologii cyanobacterie, mají prokaryontní buněčnou organizaci, zatímco řasy patří k eukaryotním organismům (Kalina, T., Váňa, J. 2005). Sinice a řasy sehrály klíčovou roli v evoluci života na Zemi, protože jejich oxygenní fotosyntéza změnila složení atmosféry. Odhaduje se, že fotosyntéza sinic a řas v oceánech produkuje asi polovinu atmosférického kyslíku. Sinice a řasy mají proto klíčový význam jak pro udržování stabilní koncentrace kyslíku v atmosféře, tak v produkčních procesech vodních biotopů (Falkowski, P.G., Knoll, A.H. 2007). Kromě vodního prostředí žije velké množství druhů sinic a řas v půdách, aerophyticky, v horkých pramenech i na ledovcích. Sinice a řasy patří k organismům, které osídlily celou biosféru (Kalina, T., Váňa, J. 2005). Extrémní schopnost sinic a řas přizpůsobit se velmi různorodým podmínkám znamená, že tyto organismy jsou schopny dokázat metabolicky reagovat na extrémní rozsah vnějších podmínek, což vede k velké variabilitě v chemickém složení buněčného obsahu (Rai, L.C., Gaur, J.P. 2001). Proto sinice a řasy (jak z přirozených lokalit, tak z kultur) představují velký potenciál v získávání mnohých cenných látek, jakými jsou pigmenty (karotenoidy a chlorofyl), antioxidanty, nenasycené mastné kyseliny, aminokyseliny, enzymy, polymery, peptidy, polysacharidy, toxiny, steroly atd. Tyto látky představují ohromnou variabilitu biologických aktivit - antibakteriální, fungicidní, protinádorová i antivirová aktivita, immunosupresanty, blokátory iontových kanálů, inhibitory mnoha enzymů atd. (Masojidek, J., Torzillo, G., 2008). Možnost objevení dalších cenných látek při studiu nových kmenů řas je značná. Svědčí o tom i fakt, že přibližně 60% malých molekul (NCEs) s biologickým účinkem, objevených za posledních 20 let pochází z přírodních zdrojů. Míra využití těchto látek je u některých léčebných aktivit v protinádorové a antibiotické terapii ještě vyšší a tvoří 74% resp. 78% podíl z celkového množství nově objevených látek. Hlavním zdrojem těchto látek jsou terestrické organismy (vyšší rostliny, houby, kvasinky ), ale i řasy i sinice patří mezi významné zdroje. Vzhledem k tomu, že velké množství druhů sinic a řas není ještě popsáno, patří tyto organismy do skupiny přírodních zdrojů, které představují velký potenciál při objevování nových biologicky aktivních látek. 14

Chemické složení řas záleží na druhu a na kultivačních podmínkách. Změnou kultivačních podmínek, mezi které patří teplota, intenzita světla, ph, koncentrace CO 2, salinita a živiny, je možné dosáhnout zvýšenou produkci určitého typu látky. V současnosti jsou tyto produkty využívány hlavně pro farmaceutický a kosmetický průmysl. Samotné řasy je možné přímo přidávat jako aditivum do potravin. V posledních letech roste zájem o využívání řas k produkci oleje pro chemický průmysl a k výrobě bionafty (www.algae.wur.nl). Aby se řasy staly běžnou surovinou pro získávání cenných látek, je potřebné zvýšit jejich produkci, ale zároveň také rapidně snížit jejich cenu. Nejčastěji využívané kmeny sinic náleží k rodům Microcystis, Aphanizomenon, Anabaena Spirulina, Nostoc. Je zajímavé, že některé kmeny se používají jako potravinové doplňky resp. jako zdroj různých bioaktovních látek, zatímco jiné mohou produkovat různé toxiny (Rai, L.C., Gaur, J.P. 2001). Důležité produkční kmeny eukaryot jsou druhy rodů Chlorela (kosmopolitní, nejvíce využívaný kmen k produkci biomasy (nikoliv v energetickém smyslu)), Dunaliella (salinní kmen s velkým obsahem β-karotenu), Haematococcus ( sladkovodní kmen zelené řasy, produkuje astaxantin účinný antioxidant), Pleurastrum, Chlorococcum (zelené řasy produkující karotenoidy), Scenedesmus (sladkovodní planktonní řasa, pro produkci biomasy), ruducha Porphyridium (sladkovodní i salinní kmeny, biomasa obsahuje vysoký podíl sulfatových polysacharidů, PUFA eikosapentaeovou a arachidonovou kyselinu). Tabulka 2.2 Zobrazení nejpoužívanějších druhů řas a sinic Prokarioty Nostoc Aphanizomenon Anabaena Spirulina Eukarioty Chlorella Dunaliella Haematococcus Scenedesmus Chlorococcum Pleurastrum 15

Využitelnost dopadající energie řasou: Fotosyntéza je pro sinice a řasy základním procesem získávání energie. Fotosyntéza je proces využívající dopadající sluneční záření (o energetickém obsahu h*ν, kde h je Planckova konstanta a ν je frekvence záření) k fixaci oxidu uhličitého CO 2 do uhlovodíků při současném uvolnění kyslíku O 2 jako vedlejšího produktu. 6 CO 2 +12 H 2 O C 2 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O Obr. 2.3 Jednoduchá schéma fotosyntézy (zdroj www.algae.wur.nl) Existují dvě fáze fotosyntézy světelná a temná. Ve světelné fázi (levá část Obr. 2.3) barevné pigmenty pohlcují světlo (chlorofyly a bakteriochlorofyly, karotenoidy, fykobilin) z něhož získávají energii pro následné děje. V této fázi dochází k fotolýze vody a uvolnění kyslíku, který pak využívají i jiné organismy k dýchání. Biochemické děje v temnostní fázi (pravá část Obr. 2.3) již světlo nepotřebují, ale využívají energii, která z něj byla ve světelné fázi získána. V této fázi dochází k zabudování oxidu uhličitého do molekul cukrů, které dále slouží buď jako zásobárna a zdroj energie, nebo jako stavební složky pro tvorbu složitějších molekul (polysacharidů, glykosidů aj.). Procesy temné fáze probíhají v cyklech a liší se podle druhu organismu. Vnější faktory, které fotosyntézu rozhodujícím způsobem ovlivňují, jsou světlo, teplota a koncentrace oxidu uhličitého. 2.2.2 Podmínky pro kultivaci řas Světlo Fotosyntézu ovlivňuje spektrum a intenzita světelného záření. Spektrum vhodné pro fotosyntézu (PhAR Photosynthetic Active Radiation) je v rozmezí 380 760 µm. Absorpci světla jsou jak sinice, tak i řasy schopné značně měnit podle spektrálního složení PhAR doprovodnými pigmenty (fykobiliny fotosyntetická barviva sloužící jako přenašeči světelné energie ke chlorofylu a karoteoidy). Tento proces je označován jako chromatická adaptace. Jejich efektivnost je však menší než u chlorofylů. Minimální prahová intenzita světla pro zahájení procesu fotosyntézy se liší podle taxonomické příslušnosti a také podle předcházející světelné historie, jaké byla populace nebo kultura vystavena. Kompenzační bod fotosyntézy, tj. světelná intenzita, při níž je fotosyntetická produkce kyslíku v rovnováze se spotřebou kyslíku při respiraci se pohybuje od několika jednotek do 50 µmol.m -2.s -1 (Kirk, J.T.O. 1995). Populace dlouhodobě přizpůsobené na nízké intenzity mohou dosahovat maximální rychlosti fotosyntézy již při hodnotách okolo 80 µmol.m -2.s -1. 16

S přibývající intenzitou světla se rychlost fotosyntézy zvyšuje, až dosáhne bodu světelného nasycení, kdy se ustálí. Při vysokých intenzitách světla vzniká velké množství kyslíkových radikálů, které mohou porušit fotosystém II (proteinový komplex účastnící se fotosyntézy, světlem redukuje molekuly) a tak zastavit fotosyntézu. Sinice a řasy se proti vysoké intenzitě světla brání řadou Graf 2.1 Závislost rychlosti fotosyntézy na intenzitě světla. reakcí jako je například snížení absorpce světla, disipace záření do fluorescence, zastavení přenosu elektronů do temnostní fáze fotosyntézy či zvýšení respiračních procesů. Výsledkem je zpomalení až zastavení fotosyntézy. Tyto reakce značně závisí na rozsahu světelné adaptace k podmínkám vysokého nebo nízkého ozáření. Sinice a řasy, které jsou takto adaptované, vykazují podobné charakteristiky jako světlomilné a stínomilné vyšší rostliny (Kirk, J.T.O. 1995). Stínomilné (sciofyty) vyžadují nižší intenzitu světla. Obsahují více zelených a žlutých pigmentů (chlorofyly, xanthofyly), intenzivněji využívají modrofialové světlo. Světlomilné (heliofyty) mají vysoké požadavky na intenzitu světla. Obsahují méně karotenoidů a intenzivněji využívají červené světlo. Jejich světelná křivka fotosyntézy má menší úhel β a delší podíl lineární části. Kompenzační bod a bod světelného nasycení leží při vyšších intenzitách záření. Oxid uhličitý CO 2 Sinice a řasy využívají CO 2 rozpuštěný ve vodě a některé kmeny i HCO - 3 (hydrogenuhličitanový iont). Dostupnost CO 2 resp. anorg. uhlíku závisí na distribuci volného oxidu uhličitého, hydrogenuhličitanů a uhličitanů. Protože uhličitany tvoří sraženinu, není tato forma pro sinice a řasy dostupná. Rozdělení anorg. uhlíku mezi jeho formy závisí na ph. Při fotosyntéze jsou spotřebovávány oxid a hydrogenuhličitan a ph vzrůstá, při vysokém ph dochází k limitaci fotosyntézy nedostatkem anorg. uhlíku (Kirk, J.T.O. 1995) Teplota Průběh reakcí obecně urychluje zvýšení teploty o 10 C 2 3krát (Šebánek, J. et al 1983). Rychlost fotosyntézy závisí exponenciálně na teplotě a limitujícím faktorem je intenzita světla. Jelikož teplota ovlivňuje i další fyziologické pochody, je závislost fotosyntézy na ní složitá. Při nízkých teplotách rostliny fotosyntetizují pomalu. Zvyšováním teploty rychlost roste až po hranici teplotního optima. Poté pomalu klesá a při 35 45 C se zastavuje. Současně s fotosyntézou se však zvyšuje i dýchání Graf 2.2 Závislost rychlosti fotosyntézy a dýchání na teplotě a intenzitě světla (zdroj www.wikipedia.org) 17

rostlin a obě rychlosti se zvyšují nerovnoměrně (Šebánek, J. et al 1983). Vliv teploty na fotosyntézu se výrazněji projevuje při vyšší intenzitě světla. Evolucí rostlin došlo k adaptaci na různé teplotní podmínky (Šebánek, J. et al 1983). Některé řasy se dokáží přizpůsobit teplotnímu rozsahu 15 C až 35 C (Chlorella a Spirulina), jiné (Haematococcus) vyžadují pro svůj růst teplotu v rozmezí 25 C až 27 C. Všeobecně lze říci, že optimální teplota pro kultivaci řas je v rozmezí 25 C až 30 C (Masojidek, J., Torzillo, G., 2008). Výše uvedené informace, znalosti, pochopení procesů a závislostí jsou nezbytné pro návrh technického řešení a konstrukci kultivačních zařízení a pro následné vytváření jejich matematických modelů. 2.3 Stavební objekty Podle ČSN 73 40 55 je budova definována jako samostatný pozemní stavební objekt prostorově soustředěný a navenek zcela uzavřený (obvodovými a střešními konstrukcemi), s jedním nebo více ohraničenými užitkovými prostory. Z definice budovy plyne, že základním parametrem, kterému musí být projekt budovy podřízen, je její využitelnost ke konkrétnímu účelu (jiné parametry musí splňovat průmyslová budova a jiné administrativní budova nebo občanská budova). Budovy z hlediska účelu použití je možné rozdělit do několika málo skupin (administrativní, průmyslové, obytné, budovy občanské vybavenosti, nákupní ). Požadované funkčnosti budovy lze dosáhnout velikou variabilitou architektonického, dispozičního, konstrukčního a technického řešení stavby. Tato řešení ale v konečném důsledku neovlivní pouze funkčnost stavby, ale také energetickou náročnost budovy a kvalitu vnitřního prostředí, spojenou s tepelnou a světelnou pohodou. Užitnou hodnotu stavby určuje nejen její funkční uspořádání dané dispozicí, ale také uživatelský komfort a úspornost provozu, které lze ovlivnit orientací budovy, zvolenými materiály, barvami a použitými technologiemi. Proto je nezbytné věnovat velkou pozornost projekčním pracím a zejména provázaností všech zúčastněných profesí již od samého počátku koncipování stavebního záměru. Prostředky, vložené do projekčních prací a případných simulací se bohatě vrátí při realizaci a především během provozu stavby. 18

3 Použitá technologická zařízení Matematická simulace dvou monitorovaných energetických systémů má úzkou vazbu na biologické využití sluneční energie. Prvním objektem je technologické zařízení systém řasových kultivátorů, využívající lineární čočkové koncentrátory v biotechnologické hale na Nových Hradech. Druhým je stavební objekt experimentálního modulového skleníku v Třeboni, osazený mimo jiné všemi dostupnými rastrovými systémy, vyráběnými technologií kontinuálního lití ze skla. Experimentální část disertace se opírá o pokusy, které byly v průběhu řešení uskutečňovány dle aktuálních potřeb v obou hlavních objektech, využívajících ke krytí energetických potřeb v převážné míře slunečního záření. 3.1 Biotechnologická hala Historie Biotechnologická hala v Nových Hradech je moderní vědecké a vývojové pracoviště, ve kterém sídlí Centrum biologických technologií, které je součástí Ústavu fyzikální biologie Jihočeské univerzity (ÚFBJČ) a nachází se v zámeckém areálu. Jedná se o nově zrekonstruovanou historickou stavbu. Její vznik je datován na rok 1715, kdy sloužila šlechtickému rodu Buqoyů jako skleník. V letech 1801 až 1810 si v blízkosti skleníku rodina Buqoyů postavila zámecké rezidenční sídlo. V 80. a 90 letech minulého století byl skleník využíván střední zemědělskou školou jako tělocvična. Koncem 90. let celý zámecký areál přešel do majetku Jihočeské univerzity a UKE (Ústav Ekologie Krajiny) AV ČR. V průběhu let 2003 až 2004 byl díky finanční podpoře PHARE EU, Jihočeského kraje, Jihočeské univerzity a SFŽP ČR objekt tělocvičny zrekonstruován a přestavěn na technologickou halu - skleník. Je osazen novými moderními technologiemi a je využíván k experimentálním účelům v oblasti kultivace řasových kultur. Obr. 3.1 Dočasné experimentální zařízení koncentračního řasového kultivátoru Rozhodnutí vystavět biotechnologickou halu bylo podpořeno zkušenostmi, získanými na přilehlém objektu, dočasném experimentálním zařízení koncentračního autotrofního trubicového řasového kultivátoru. Jednalo se o úplně nový typ kultivátoru, který byl vyvíjen ve vzájemné spolupráci mezi ÚFB JČ, ENKI, o.p.s. a firmou ENVI, s.r.o. v letech 2001-2002. Cílem bylo vytvořit a otestovat pokusné zařízení pro ověření konstrukčního řešení koncentrační kultivační jednotky a výběr a optimalizaci růstových podmínek určitých kmenů řas pro produkci cenných biologicky aktivních látek v tomto zařízení. Velikostí se jednotky řadí mezi poloprovozní zařízení (objem kultivované suspenze je 75 l). Byly nainstalovány a uvedeny do provozu dvě kultivační jednotky. Zařízení bylo postaveno na bázi koncentračního kolektoru SOLARGLAS. Koncentraci slunečního záření zabezpečovaly lineární Fresnelovy čočky, které byly součástí střešního pláště. Celková plocha čoček jednoho kultivátoru byla 9m 2. V ohnisku se nacházely skleněné trubice, ve kterých cirkulovala řasová suspenze. Zařízení bylo po dobu dvou let testováno především z hlediska nastavování různých 19

kultivačních režimů pro různé druhy řas. Výsledky kultivací ukázaly, že koncentrační kultivátor má své opodstatnění a lze jej aplikovat na nově vznikající halu - skleník. Současnost Jižní fasáda a střecha haly jsou rozdělena do pěti čtyřmetrových sekcí a čtyř dvoumetrových sekcí. Tři čtyřmetrové sekce jsou osazeny koncentračními kolektory a ve dvou sekcích jsou umístněny koncentrační trubicové kultivátory (střešní a fasádní jednotky). Dvoumetrové sekce mají ve střešní konstrukci zabudované ploché černé kolektory. Fasáda pod kolektory je tvořena izolačními dvojskly. Jedna fasádní koncentrační jednotka má plochu 9m 2. Střešní koncentrační jednotka potom má plochu 15m 2. Plocha kolektorů v jedné sekci činí 8m 2. Koncepce celé jižní střechy i fasády je podřízena využití sluneční energie a to jak pasivně (přirozené osvětlení denním světlem a využití skleníkového efektu pro ohřev či temperování interiéru rozptýlenou složkou slunečního záření), tak především aktivně (kultivace řas, ohřev TUV, chlazení interiéru transportem energie z exponovaného prostoru do akumulačních zásobníků). V návrhu jsou využity lineární rastrové čočky ze skla, korigované pro kolmý dopad slunečního záření ve střešních kolektorech a korigované pro šikmý dopad sluneční energie v jižní fasádě. Jako absorbérů je použito buď skleněných trubek, protékaných řasovou suspenzí (koncentrační kultivátor), nebo Al profilů vyvložkovaných Cu trubkou, kterými protéká voda. Koncentrační kolektory jsou doplněny plochými kolektory se selektivní vrstvou HELIOSTAR od slovenského výrobce THERMO/SOLAR Žiar nad Hronom. Do haly byly nainstalovány celkem čtyři koncentrační kultivátory, které se staly součástí jižní prosklené fasády a střechy. Zhotovení čistých prostor v biotechnologické hale a vnitřní vybavení haly přístroji umožňuje následné průmyslové zpracování vypěstovaných řas ve farmaceutické kvalitě. sekce s biokultivátory sekce s koncentračními kolektory sekce s plochými kolektory Obr. 3.2 Biotechnologická hala 3D model a skutečný objekt Jižní fasáda je osazena koncentračními kolektory s lineární Fresnelovou čočkou 20

3.2 Experimentální skleník Druhým objektem je experimentální skleník, vybudovaný v Třeboni. Při jeho projekci bylo plně využito zkušeností získaných při konstrukci biotechnologické haly. Koncepce skleníku vychází z nutnosti posuzovat energetické úvahy na základě komplexně měřených parametrů a okrajových podmínek. Ve skleníku lze realizovat a zkoušet všechny známé systémy pro konverzi slunečního záření a pro interakci slunečního záření s rostlinami, stavebními materiály, půdou a dalšími důležitými subjekty. Na rozdíl od biotechnologické haly bylo v osazení fasády použito dalších typů rastrů (pasivní i aktivní pro kolmý a šikmý dopad slunečního záření). Modulární skleník, využívající skleněné optické rastry je experimentálním objektem, postaveným se zřetelem na základní principy solární architektury. Objekt je koncipován tak, aby stavebním řešením dokázal pasivně i aktivně využívat dopadající sluneční záření. Vzduchotechnický systém vytápění dokáže efektivně využívat naakumulovanou sluneční energii ve skleníku. Díky větracímu systému a akumulačním hmotám se prostor ve skleníku nepřehřívá a není nutné aktivní klimatizační zařízení k chlazení interiéru v letních slunečných dnech. Podstatou technického řešení skleníku s akumulační stěnou a optickými rastry je vzájemné skloubení stavebního řešení se současnými technologiemi a stupněm poznání, vedoucí k minimalizaci energetických dotací do systému při zvyšování jeho užitných vlastností. Obr. 3.3 3D model a fotografie skleníku Jižní fasáda skleníku je zasklená pasivními i aktivními optickými rastry, severní a boční stěny jsou vyzděny a tepelně izolovány Základní principy návrhu: 1) Skleník je obdélníkového půdorysu s asymetrickou sedlovou střechou. Ideální orientace hřebene střechy je východ západ. Malé natočení hřebene v rozmezí ± 15 od ideální osy je možné. Podlaha skleníku je cca 60cm pod úrovní terénu. Skleník je postaven na základových pásech (tj. podlahu skleníku tvoří zemina). Nad úrovní terénu je jižní fasáda prosklená. Severní, východní a západní stěny skleníku jsou hmotné a z exteriéru tepelně izolované. Jižní 21

střecha je prosklená optickými rastry. Sklon střechy je závislý na použitém typu optických rastrů. Pro využívání střešních optických rastrů byl zvolen sklon střechy 35. Severní střecha je zastřešena bonnským šindelem a opatřena odvětraným izolačním systémem tl. 160 mm s parotěsnou zábranou. 2) Masivní stěna a podlaha skleníku slouží jako akumulační hmota, do které se akumuluje přebytečná energie, která projde optickými rastry. Akumulovaná energie je následně v průběhu noci vyzařována zpět do interiéru, který se tím ohřívá. Při jiném využití skleníku, nebo při aplikaci získaných poznatků v jiných budovách je při výběru barvy nutné brát ohled nejen na šířku spektra, kterou je schopna absorbovat, ale také na pocitovou stránku lidí, kteří budou prostory využívat. 3) Skleník je osazen vzduchotechnickým systémem vytápění a větrání, který nasávacím a rozvodným potrubí zabezpečuje rovnoměrné rozložení teploty vzduchu ve vertikálním profilu skleníku. Nasávací potrubí je umístněno pod vrcholem skleníku. Do prostoru je vháněn vzduch vyústkami v potrubí, umístněném ve spodní části skleníku pod parapety oken. Vzduchotechnickou jednotku lze využívat k vytápění i chlazení objektu skleníku. Výhodou teplovzdušného vytápění u průsvitných nebo průhledných staveb je využití tepelné energie vzduchu, který se v takovém objektu, svítí-li slunce, vždy ohřeje a vystratifikuje pod střechou. Teplého vzduchu se nezbavujeme odvětráním, jak je obvyklé, ale po přimíchání čerstvého vzduchu je přiveden pod parapet a je zaručena jeho cirkulace v objektu. Tím dochází k podstatné úspoře energie na vytápění. 4) Skleník je větrán dvěma řadami otevíracích oken. První řada je umístněná ve spodní části jižní fasády. Druhá řada oken je ve vrcholu skleníku. Otevřením obou řad oken dochází ke komínovému efektu. Čerstvý venkovní vzduch je spodní řadou nasáván a ohřátý interiérový vzduch je vrchní řadou oken vypouštěn ze skleníku. Obr. 3.4 Jižní prosklená fasáda s pasivními optickými rastry, akumulační zdi a vzduchotechnické vytápění 22

3.3 Biokultivátor technologická jednotka Biotechnologické haly Hlavní úlohou kultivátoru je pěstování řas ve vodném roztoku za účelem získávání cenných biologicky aktivních látek. Koncentrační biokultivátor (střešní, fasádní) slouží k produkci řasových kultur a tvoří součást translucentního obvodového pláště s inteligentní žaluzií koncentračního kolektoru. Je to uzavřený trubicový systém, založený na koncentraci přímé složky slunečního záření lineárními Fresnelovými čočkami, které jsou součástí jižního obvodového pláště (jak střechy, tak i fasády) technologické haly. Je postaven na bázi koncentračního kolektoru SOLARGLAS a je koncipován tak, aby celý kultivační proces od nasazení kultury do kultivátoru až po její sklizeň bylo možno plynule regulovat. Regulace kultivačních podmínek se týká intenzity ozáření, teploty kultivační suspenze, koncentrací kyslíku a CO 2, turbidity a ph. Tento nový typ fotobioreaktoru s vysokou intenzitou slunečního ozáření kombinuje výhody vnitřních a venkovních kultivačních systémů (viz. kap. 2.2 Fototrofní řasové kultivátory) neboť dovoluje a umožňuje: téměř celoroční využívání daného zařízení díky uzavřenému systému s možností ohřevu nebo chlazení řasové suspenze, trojnásobné zvýšení ozáření trubic s kultivovanou látkou oproti přímé sluneční radiaci, dopadající na plochu čoček jako výsledku aplikace skleněných lineárních Fresnelových čoček, v jejichž přímkovém ohnisku se nachází proudící řasová suspense, plně automatizované řízení kultivačního procesu specializovanou řídící jednotkou (teplota, ph, odkysličování, průtok, radiace, sycení CO 2, fotochemické aktivity apod.), optimalizované promíchávání suspenze, sycení CO 2, efektivní ohřev, výměnu plynů a brání kontaminaci řasové kultury, on-line měření fotochemické aktivity řasy, určující její fyziologickou kondici (fluorescence chlorofylu, produkce kyslíku), plynulou změnu kultivačních podmínek pro optimalizaci růstu nebo nastavení stresových podmínek řase za účelem produkce cenných látek, archivaci všech parametrů kultivace a celého systému pro optimalizaci pěstebních postupů a energetických bilancí technologie. 3.4 Monitorovací systémy Monitorovací systémy obou objektů zabezpečují měření relevantních parametrů používaných k popisu chování systémů, stavových veličin, regulaci technologických procesů a ukládání dat. Jedná se o elektrické měření neelektrických veličin, tak jak je napsáno zejména v kapitole XI (Jirka a kol. 2009). Metrologie aplikovaná u biokultivátorů je vybudována na stejných principech. Soubory monitorovaných dat slouží jako vstupy při objektivním posuzování energetických vlastností objektů. Dalším zdrojem dat jsou údaje zaznamenané meteorologickými stanicemi, které jsou součástí monitorovacích systémů obou objektů. Tato data slouží ke stanovení okrajových podmínek matematických modelů. 23

3.5 Optické rastry společný jmenovatel studovaných systémů Jednotícím prvkem obou studovaných systémů jsou optické rastry ze skla, vyráběné technologií kontinuálního lití. Technologie kontinuálního lití byla zvolena z důvodů vysoké produktivity a z toho vyplývající přijatelné ceny. Z hlediska způsobu využití se dělí optické rastry na dvě základní skupiny: rastry pasivní - hranolové přímkové systémy, které ke své funkci nepotřebují další technologické (pohyblivé) prvky. Jejich aplikace vyžaduje pouze montáž do střech nebo fasád s přibližnou jižní orientací (± 20 odchylka od jihu), rastry aktivní - lineární Fresnelovy čočky, které tvoří podstatnou část slunečního kolektoru tzv. koncentrátor a potřebují ke své funkci další návaznou technologii (absorbér, servopohon, naváděcí zařízení, teplonosnou látku, oběhová čerpadla, apod.). Návrh optických rastrů, které modifikují směr dopadajícího sluneční záření, byl postaven na třech základních okruzích znalostí: optické rastry modifikují pouze přímou složku slunečního záření (tu složku, která vytváří stín), zatímco složka rozptýlená projde rastrem bez podstatných změn přibližně stejně jako přes libovolné jiné sklo, tj. se statistickým rozptylem. ze známé trajektorie Slunce na obloze lze určit úhlovou polohu Slunce na obloze vůči libovolnému stacionárnímu objektu ve zvolenou denní i roční dobu. S ohledem na stacionární charakter cílového objektu je výhodné použít k popisu polohy Slunce obzorníkovou souřadnou soustavu se souřadnicemi (azimut α a výška h). zákony geometrické optiky umožňují popsat trajektorii a intenzitu svazku paprsků modifikovaných rastrem. Tyto zákony dovolují návrh a optimalizaci lámavých optických ploch. 70 60 50 výška 40 30 20 10 0-120 -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 azimut Graf 3.1 Trajektorie pohybu Slunce po obloze na 50 severní šířky 24

3.5.1 Rastry pasivní V současné době jsou vytvořeny dvě modifikace obdobného odrazného rastru, jedna pro použití ve střechách se sklonem (35 až 45 ) a druhá pro svislé fasády (90 ). Rastr je skleněná deska, na kterou jsou vyválcovány pravoúhlé hranoly. Úhel sklonu hranolů je spočítán tak, aby při úhlech dopadu větších než 40 od roviny horizontu docházelo k totálního odrazu na optickém rozhraní sklo-vzduch, tedy k blokaci přímého slunečního záření v letních měsících (záření je odraženo zpět do exteriéru). Při menších úhlech dopadu dochází k lomu paprsků a sluneční záření proniká do interiéru. Pro Českou republiku lze použít zhruba zeměpisnou šířku 50, čímž jsou definované podmínky oslunění rastrů. Maximální výška Slunce v letní kulminaci je 63, zatímco v období zimního slunovratu je pouze 16. Při rozboru hodnot výšek slunečního disku nad obzorem a teplot okolí v našich klimatických podmínkách bylo stanoveno, že důležitá je blokace přímého slunečního záření při hodnotách výšky Slunce nad obzorem vyšších než 40. Princip použití je u obou typů pasivních rastrů shodný, jak ukazují Obr. 3.5a a Obr. 3.5b. h 40 h 40 h < 40 h < 40 Obr. 3.5a Rastr pasivní střešní Obr.3.5b Rastr pasivní fasádní 3.5.2 Rastry aktivní - fokusující Rastry aktivní v námi zavedené terminologii využití obnovitelných zdrojů, slouží ke koncentraci slunečního záření na absorbér a kombinují tak využití pasivní funkce skleníkového efektu průsvitného (translucentního) zasklení s aktivní funkcí optických členů čočka-absorbér v koncentračním kolektoru slunečního záření. Aktivními je nazýváme proto, že energii, jimi zkoncentrovanou dokážeme získat, uložit a aktivně použít. Odzkoušeny jsou dva typy rastrů spojná lineární Fresnelova (rastrová) čočka, korigovaná pro kolmý dopad slunečního záření, určená do sedlových střech a čočka, korigovaná pro šikmý dopad slunečního záření, určená do energetických fasád. Z Obr. Obr. 3.6a a 3.6b plyne, že poloha ohniskové přímky je funkcí času. Oba typy aktivních rastrů jsou používány především v kolektorech typu SOLARGLAS, kde tvoří součást skleněného pláště budovy. Koncentrovaná energie přímé složky slunečního záření se v absorbéru mění na teplo a teplonosnou kapalinou je odváděna k dalšímu využití. 25

Systém SOLARGLAS je multifunkční systém tvořený čočkou, absorbérem, pohybovým mechanismem a řídící elektronikou, který lze nazvat inteligentní žaluzií. Pod čočkou, která je součástí střešního pláště, je umístěn ve vzdálenosti 40 cm pohyblivý rám s absorbéry. Vzhledem k tomu, že Slunce neustále mění svoji polohu vůči budově, jeho obraz vytvořený Obr. 3.6a Čočka korigovaná pro kolmý dopad slunečního záření čočkou se pohybuje. Pro řízení pohybu absorbéru, umístněného v ohnisku čočky je signifikantní pouze výška Slunce (na rozdíl od čipových fotovoltaických systémů, u kterých je nezbytné respektovat obě souřadnice s poměrně velkou přesností). Proto je součástí systému pohyblivý rám s absorbéry, který sleduje přímkový obraz slunce tak, aby se absorbéry neustále nacházely v místě maximálního oslunění. LFČ (Lineární Fresnelovy Čočky) přitom separují přímou a difusní složku dopadajícího slunečního záření. Rozptýlené světlo proniká do vnitřních prostor bez podstatných změn. Tato složka osvětluje a ohřívá díky skleníkovému efektu transparentního zastřešení interiér stavby. Jde tedy o kombinaci aktivního a pasivního prvku na využívání sluneční energie. Systém zajišťuje konverzi energie a zároveň zabezpečuje rovnoměrné osvětlení vnitřního prostoru. Díky těmto optickým a fyzikálním vlastnostem má transparentní koncentrační kolektor s LFČ následující vlastnosti a funkce: Klimatizační - rastr pracuje jako separátor přímé a difusní složky dopadajícího slunečního záření a přímá složka je koncentrována do lineárního ohniska, kde je umístěn pohyblivý absorbér. Tím je energeticky podstatná část 60% energie přímé složky slunečního záření odvedena ve formě ohřáté vody z místnosti a snižuje tepelnou zátěž vnitřního prostoru při využití skleníkového efektu pod prosklenou plochou. Ohřev vody jak bylo uvedeno, LFČ soustřeďuje sluneční záření na absorbéry, kterými protéká teplonosná látka a odvádí přebytečnou energii z proskleného interiéru. Osvětlovací střecha resp. fasáda je transparentní, a propouští vždy rozptýlené světlo s převládající difusní složkou. Intenzita osvětlení se příliš nemění v závislosti na oblačnosti. 3.6 Teoretická propustnost skla Při výčtech těchto hodnot je důležité si uvědomit ještě jeden fakt, který do velké míry ovlivňuje energetické bilance. Je jím samotná propustnost skla. Při vyhodnocování celkových energetických toků jsou optické materiálové konstanty použitého skla velice důležité. Při 26 Obr. 3.6b Čočka korigovaná pro šikmý dopad slunečního záření

dopadu sluneční radiace na plochu skla je část této energie odražena, část sklem absorbována a část energie sklem projde. V literatuře (Halahyja a kol. 1998) je uvedena optická propustnost izolačního dvojskla o rozměrech 4-12-4 mm a vyplněného argonem τ = 0.56. Ke stejnému výsledku jsem se dopracoval i změřením spektrální charakteristiky slunečního záření před a za daným typem skla spektrofotometrem (Graf 3.2). Podíl integrálu spektrální charakteristiky světla za sklem k integrálu křivky před sklem udává hodnotu 0.56, což se plně shoduje s uvedenou hodnotou v literatuře. Tato optická propustnost však neudává celkovou energetickou propustnost skla. Celková energetická propustnost je ještě vyšší o hodnotu sekundárně vyzařovaného toku ze zasklení v důsledku akumulace energie do skla. Celková energetická propustnost izolačního dvojskla použitého k zasklení je podle Halahyja a kol. 1998 g = 0.67. To znamená, že i když je objekt vybaven transparentními koncentračními kolektory, které dokáží využívat dopadající sluneční radiaci, tak plných 33% z této energie se přes zasklení ani nedostane a tak nemůže být v daných technologiích využito. 3500 INTENZITA ZÁŘENÍ [bezrozměrný číslo] 3000 2500 2000 1500 1000 500 INTENZITA SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ ZA IZOLAČNÍM DVOJSKLEM ČINÍ 56% Z CELKOVÉ DOPADAJÍCÍ RADIACE 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 VLNOVÁ DÉLKA [nm] PŘED SKLEM ZA SKLEM Graf 3.2 Porovnání spektrální charakteristiky slunečního záření před a za sklem měřené spektrofotometrem Avantes 3.6.1 Základní části koncentračního kolektoru Lineární Fresnelova čočka je koncentrátor, zobrazující Slunce do přímky, která leží v ohniskové rovině válcové čočky. Drobné povrchové nerovnosti a zaoblení hran jednotlivých elementů čočky dané použitou technologií způsobují, že se Slunce nezobrazuje do ideální přímky, ale do pásu určité šířky. LFČ je vyráběna v rozměrech 2000 x 750 Obr. 3.7 Základní rozměry skleněné tabule s naválcovanými LFČ 27