Výukové materiály projektu NAUČÍME VÁS, JAK BÝT EFEKTIVNĚJŠÍ PASIVNÍ PRINCIPY VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE Výukové materiály vznikly za finanční pomoci Revolvingového fondu Ministerstva životního prostředí. Za jejich obsah zodpovídá výhradně SŠ-COPTH, Praha 9, Poděbradská 1/179 a nelze jejich obsah v žádném případě považovat za názor Ministerstva životního prostředí.
PASIVNÍ PRINCIPY VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE Pasivní solární architektura Jedná se o architekturu, která ve značné míře pokrývá své energetické potřeby ze slunečního záření. Dům, který toto splňuje, se pak nazývá pasivní dům. Jelikož je to pojem technický, je jednoznačně technicky definován pomocí normy. U nás jde konkrétně o normu ČSN 73 0540. Pro představu uvedeme část zmíněné normy Pasivní domy jsou budovy s roční měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 15 kwh.m -2 rok -1. Takto nízkou energetickou potřebu budovy lze krýt bez použití obvyklé otopné soustavy, pouze se systémem nuceného větrání obsahujícím účinné zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu (rekuperací) a malé zařízení pro dohřev vzduchu v období velmi nízkých venkovních teplot. Navíc musí být dosaženo návrhových teplot vnitřního vzduchu po provozní přestávce v přiměřené (a v projektové dokumentaci uvedené) době. Současně nemá u těchto budov celkové množství primární energie spojené s provozem budovy (vytápění, ohřev TUV a el. energie pro spotřebiče) překračovat hodnotu 120 kwh.m -2 rok -1... Norma dále dělí budovy s nízkou energetickou náročností obecně na domy nízkoenergetické a pasivní. Hraniční hodnotou pro nízkoenergetický dům je v České republice 50 kwh.m -2 rok - 1 ), například v Německu je za nízkoenergetický považován již dům na úrovni 70 kwh.m -2 rok -1, avšak je zde také požadavek aby tohoto standardu dosáhla každá novostavba. V zahraniční literatuře je také možné najít termín nulový dům (dům s nulovou potřebou energie). Těchto parametrů však většinou není dosaženo pomocí výrazného zlepšení tepelné izolace, ale např. navýšením plochy fotovoltaických panelů. Za nulové domy jsou považovány již domy s potřebou tepla menší než 5 kwh.m -2 rok -1. Dalším navýšením vnějších tepelných zisků je možné dosáhnout i takového stavu, kdy je možné kompletně pokrýt potřebu domu a ještě dodávat elektrickou energii nebo teplo do rozvodné sítě. Zde je používán termín dům s přebytkem tepla v zahraničí Energie-plus. domy běžné v 70.-80. letech současná novostavba nízkoenergetický dům pasivní dům nulový dům, dům s přebytkem tepla charakteristika zastaralá otopná soustava, zdroj tepla je velkým zdrojem emisí; větrá se pouhým otevřením oken, nezateplené, špatně izolující konstrukce, přetápí se klasické vytápění pomocí plynového kotle o vysokém výkonu, větrání otevřením okna, konstrukce na úrovni požadavků normy otopná soustava o nižním výkonu, využití obnovitelných zdrojů, dobře zateplené konstrukce, řízené větrání pouze teplovzdušné vytápění s rekuperací tepla, vynikající parametry tepelné izolace, velmi těsné konstrukce parametry min. na úrovni pasivního domu, velká plocha fotovoltaických panelů
potřeba tepla na vytápění *kwh.m -2.rok -1 ] většinou nad 200 80-140méně než 50 méně než 50 méně než 15 méně než 5 Orientace a tepelná izolace stavby Mezi základní principy solární architektury patří především vhodná orientace prosklených ploch a tepelně akumulačních stěn, dosažení maximálního objemu stavby za minimálního povrchu obvodových (ochlazovaných) stěn, důkladná tepelná izolace a využití obnovitelných zdrojů pro energetické zásobování stavby. Nejprve si položme základní otázku: Kam v prostoru orientovat prosklené plochy a obecně pasivní solární prvky? Jistě nás brzy napadne, že výhodná orientace je tam, odkud svítí sluníčko, tedy odkud dopadá nejvíce potřebné sluneční energie. Tedy kam? Správně. Prosklená okna a další pasivní solární prvky orientujeme na jih (případně jihozápad). Druhým problémem může být tepelná izolace. Protože získat potřebnou energii je jedna věc, udržet ji v rozumné míře v budově je věc druhá. Transparentní tepelné izolace svými vlastnostmi i užitím otevírají cestu k efektivnímu využití účinků slunečního záření. Jsou to materiály, které výhodně kombinují dva základní požadavky na zasklívací prvky v solární technice - dobrou propustnost slunečního záření a nízkou tepelnou ztrátu. Těmito vlastnostmi přispívají ke snížení potřeby tepelné energie v budovách. Jsou vyráběny ze skla anebo z plastů. Průběhy teplot ve stěně s klasickou izolací (případ A) a ve stěně s průsvitnou tepelnou izolací (případ B) Rozdělení transparentních tepelných izolací Izolaci můžeme dělit podle materiálu, ze kterého je vyrobena, na skleněnou a plastovou. Plastové materiály mají nízkou hustotu, ale jejich použití je omezeno provozní teplotou do 140 C. Sklo je též výhodné, je levné, dostupné, odolné proti UV záření a má vynikající optické vlastnosti.
Transparentní izolaci můžeme dále dělit podle geometrie: Izolace s rovnoběžně orientovanými buňkami Izolace s kolmo orientovanými buňkami Pěnové transparentní izolace (akrylátová pěna) Kvazihomogenní struktury (křemičitý aerogel) Fasádní masivní stěna s transparentní izolací Před masivní stěnou je umístěna transparentní izolace, která umožňuje slunečnímu záření procházet na stěnu, ale díky svému vysokému tepelnému odporu omezuje přenos tepla zpět do exteriéru - vzduchové trubičky v izolaci snižují pohyb na minimum a tepelná energie se šíří masivní stěnou dále do interiéru s časovým zpožděním, odpovídajícím tepelně akumulačním vlastnostem stěny. Účinnost stěny roste s vyšším tepelným odporem transparentní izolace a s vyšší tepelnou vodivostí akumulační stěny. Solární okno Solární okno je v zimním období vysoce účinné okno typu solárního kolektoru, které lze pouhým přetočením o 180 přeměnit na vysoce účinné okno s izolační ochranou před slunečním zářením. To přináší v obou obdobích značnou úsporu energie. Tohoto efektu je dosaženo složením okna, jak je patrné z přiložených obrázků. Jak známo ze základů fyziky, dopadající záření se částečně odráží, částečně propouští a částečně je materiálem pohlceno. Použité materiály fólie ovlivňují tyto parametry a natočením okna lze ovlivnit, zda se vzniklé tepelné záření odrazí ven (to oceníme v létě), anebo naopak projde do místnosti (což nás příjemně zahřeje v zimě). Otočný mechanismus pro přetáčení okna
1. Bílé sklo 2.SZR naplněná argonem 3.Nízkoemisní vrstva Low-E 4.Sklo float 5. Fólie 6. Zelené sklo Zimní varianta 1. Bílé sklo 2.SZR naplněná argonem 3.Nízkoemisní vrstva Low-E 4.Sklo float 5. Fólie 6. Zelené sklo Letní varianta
V tabulce jsou uvedeny základní číselné údaje, které nám mohou dát představu o tom, jakých tepelných efektů se dá docílit při použití solárního okna. LETNÍ OBDOBÍ ZIMNÍ OBDOBÍ 55 C venkovní teplota skla 27 C vnitřní teplota skla 30 C venkovní teplota vzduchu 22 C teplota vzduchu v domě 4 C venkovní teplota skla 40 C vnitřní teplota skla 0 C venkovní teplota vzduchu 22 C teplota vzduchu v domě Skleník Vyhřívání zahradního skleníku je způsobeno tím, že viditelné světlo prochází sklem téměř bez pohlcování, zatímco tepelné záření je sklem pohlcováno a odráženo. Sluneční záření prochází skleněnými stěnami a je pohlcováno půdou a rostlinami ve skleníku. Energie světelného záření se mění na energii dlouhovlnného tepelného záření a půda se zahřívá. Tepelné záření nemůže přes skleněné stěny unikat do okolního prostředí. Proto se teplota uvnitř skleníku zvyšuje. Princip skleníku
Akumulační (Trombeho) stěna N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Základní princip funkce je velmi jednoduchý. Obvykle jižní (případně jihozápadní či jihovýchodní) stěna budovy je postavena z masivního materiálu dobře akumulujícího teplo například z plných cihel, betonu, kamene apod. Vnější povrch této stěny je opatřen černou barvou, dobře pohlcující sluneční záření. Před tuto stěnu je v určité vzdálenosti předsazena průsvitná deska, obvykle skleněná (např. zasklení z výloh nebo větších oken). Vzdálenost skla od stěny se obvykle pohybuje od několika centimetrů (nejčastěji 10 cm) do několika desítek centimetrů. Mezi stěnou a sklem tak vzniká vzduchová mezera. Ve vlastní stěně jsou obvykle dva otvory spodní, kterým může vzduch z interiéru domu proudit do vzduchové mezery, a horní, kterým vzduch proudí ze vzduchové mezery zpět do interiéru domu. Otvory jsou uzavíratelné například pomocí klapek. Vzduchová mezera je v horní části opatřena též klapkou ta po otevření umožňuje proudění vzduchu ze vzduchové mezery ven do exteriéru. Trombeho stěna - provoz podzim až jaro Funkce Trombeho stěny v období podzim až jaro Sluneční záření dopadá na černou stěnu a zahřívá ji. Teplo se akumuluje ve stěně. Zároveň je zahříván vzduch ve vzduchové mezeře mezi stěnou a sklem. Teplý vzduch stoupá vzhůru a vzniká proudění studený vzduch z interiéru domu proudí spodním otvorem do vzduchové mezery, kde se ohřívá, stoupá vzhůru a proudí horním otvorem ve stěně zpět do interiéru, který je takto přitápěn. Po západu Slunce již není ohříván vzduch ve vzduchové mezeře, ale v masivní stěně je stále akumulováno teplo, které je vyzařováno do interiéru domu.
Funkce Trombeho stěny v létě V létě by se dům přehříval v letním období je proto horní otvor ve stěně uzavřen klapkou teplý vzduch ze vzduchové mezery nemůže pronikat do interiéru. Zároveň je otevřena horní klapka ve vzduchové mezeře, kterou je pak teplý vzduch odváděn do exteriéru. Pokud je současně v severní chladnější stěně domu otevřen nějaký větrací otvor, systém zajišťuje letní provětrávání domu. Prouděním vzduchu ve vzduchové mezeře je vytvořen podtlak větracím otvorem v severní stěně proudí do domu chladnější čerstvý vzduch. Dále je vzduch nasáván spodním otvorem do vzduchové mezery Trombeho stěny, v ní stoupá vzhůru a horní klapkou uniká do exteriéru. Trombeho stěna - provoz v létě Obecné zásady návrhu Trombeho stěny Pokud je teplota ve vzduchové mezeře vyšší než teplota ve vytápěném interiéru, musí být zajištěno proudění vzduchu v ideálním případě konstantní rychlostí (konstantní rychlost lze zajistit použitím nuceného proudění např. ventilátorem). Vzduch proudí spodním otvorem z interiéru do vzduchové mezery a horním zpět do interiéru. V případě jednoduchého návrhu je toto obvykle zajištěno přirozeným prouděním. Nevýhodou je, že nezajistí konstantní rychlost proudění. V případě použití delšího nebo složitějšího přívodu studeného vzduchu do stěny je obvykle nutné použít nuceného proudění pomocí ventilátoru. Studený vzduch je v tomto případě veden z nejstudenějšího severního koutu domu potrubím pod podlahou pomocí ventilátoru. Tímto způsobem je efektivněji využita Trombeho stěna (vstupující vzduch je co nejchladnější). Pokud bude teplota vzduchu ve vzduchové mezeře nižší než v interiéru, proudění se musí zastavit. Musí být zavřena klapka na spodním vstupním otvoru do stěny jinak by chladný vzduch (který klesá dolů) mohl proudit ze vzduchové mezery do interiéru.
Musí být zajištěna maximální vzduchotěsnost vzduchové mezery tak, aby bylo minimalizováno pronikání chladného venkovního vzduchu do vzduchové mezery. Dispoziční řešení domu by mělo být takové, aby teplý vzduch vstupující do interiéru byl v daném prostoru využitelný a mohl bez překážek proudit do interiéru. Stejně tak tepelné záření ze stěny do interiéru by mělo být efektivně využito šíření záření by neměly bránit významné překážky. Výhody Trombeho stěny V základním řešení je výhodou obvykle jednoduchost provedení a nízká cena. Zajišťuje vyšší účinnost přeměny a využití sluneční energie než například solární kolektory. Je zde využito přímé přeměny slunečního záření na teplo a jeho využití bez dalších mezistupňů, které snižují účinnost. Dochází k nižším tepelným ztrátám stěnou než u stejně velkých prosklených jižních fasád (za předpokladu použití stejně kvalitního zasklení). Jde o zajímavý architektonický prvek, vyjadřující snahu majitele domu o co nejefektivnější využití všech dostupných energií Trombeho stěna Nevýhody Trombeho stěny Pokud je stěna zhotovena z masivního materiálu (např. plná cihla) a před stěnou je jednoduché zasklení, je celkový tepelný odpor stěny poměrně nízký. V době kdy nesvítí Slunce proto Trombeho stěna přispívá k tepelným ztrátám domu. Možnosti zvýšení tepelného odporu Trombeho stěny - Náhrada předsazeného jednoduchého skla izolačním dvojsklem, případně doplněným o selektivní vrstvu pro zpětný odraz infračerveného záření a o náplň inertním plynem. Nevýhodou tohoto řešení je zvýšená cena. - Instalace izolační rolety před skleněnou desku nebo do vzduchové mezery. Roleta je zatažena ve dnech, kdy nesvítí Slunce a v noci, a omezuje tepelné ztráty obdobným
způsobem jako předokenní izolační rolety. - Náhrada masivního materiálu, z kterého je postavena stěna, pórovitou dírovanou cihlou (například Porotherm) nebo pórobetonem (například Ytong). Velkou nevýhodou tohoto řešení je snížení tepelně-akumulačních schopností stěny a vyšší cena. Kratší doba, po kterou je teplo ve stěně akumulováno ve srovnání například se systémy s tepelně izolovanou akumulační nádrží. Nerovnoměrné přitápění objektu vázané zejména na jižní část domu a prostory, kam proudí teplý vzduch ze vzduchové mezery. Z výše uvedeného vyplývá, že jednoduché řešení Trombeho stěny s vyššími tepelnými ztrátami je vhodnější pro částečně nebo občas vytápěné, případně zcela nevytápěné objekty (rekreační chalupy, průmyslové objekty). Pro trvale vytápěné objekty a objekty dobře izolované je třeba zvolit minimálně řešení s izolačním dvojsklem před stěnou. Jak již bylo uvedeno, variant řešení existuje mnoho ať už se jedná o možnosti snížení tepelných ztrát stěny, zvýšení slunečních zisků nebo další možnosti akumulace tepla (do další protilehlé stěny nebo i do vody apod.). Jako u všech solárních systémů i v případě Trombeho stěny lze slunečním zářením pokrýt pouze část potřeby tepla na vytápění domu. Velikost pokrytí potřeby tepla na vytápění Sluncem značně závisí na celkovém tepelně-technickém řešení domu. Podíl pokrytí vytápění Sluncem bude obecně vyšší u dobře izolovaných domů s nižší tepelnou ztrátou. Nelze proto univerzálně stanovit, kolik procent energie či nákladů na energie Trombeho stěna (nebo jakýkoliv jiný solární systém) uspoří. Vždy je potřeba provést výpočet pro konkrétní stavbu.