Pasivní solární energie - nové trendy

1.1 Možnosti pasivního využití solární energie

Každá budova využívá tepelnou energii ze svého okolí svojí urbanistickou, architektonickou a stavebně konstrukční koncepcí. Účinnost využití slunečního záření je u odlišných budov rozdílná. Budovy, jenž se v co největší míře snaží využívat sluneční energii pomocí čistě stavebních prostředků, se nazývají pasivní heliotechnické budovy. Pasivním solárním systémem lze nazvat jak celou budovu, tak pouze některé z jejích částí. Transport energie se děje pouze přirozenou cestou, bez pomoci technických zařízení.

Energetická efektivnost pasivních solárních prvků budov je založena na selektivní propustnosti tepelného záření transparentními materiály, na rozdílné pohltivosti krátkovlnného záření a na omezení emisivity dlouhovlnného záření stavebními povrchy. Dále je zde otázka akumulace tepla, která je podmíněna účinnou tepelnou izolací akumulačního jádra budovy od vnějšího prostředí a hospodaření s teplem.

1.2 Zásady navrhování pasivních solárních systémů

Na severní nebo návětrnou stranu okna neumisťujeme, případně pouze malá. Zato se snažíme využít tepelných zisků z jižního průčelí budovy. Tzn. situujeme sem okna, příp. jiné prvky pasivních solárních systémů apod. Členění budovy je minimální. Dodržujeme zásady tepelného zónování v půdoryse a vytváříme akumulační jádra budov. Využíváme vhodného stínění listnatými stromy. Bráníme přehřívání interiéru v letním období.

1.3 Rozdělení solárních systémů

a) podle způsobu využití sluneční energie:

přímé (sluneční záření prochází přímo do místnosti přes zasklení) nepřímé (sluneční záření se do místnosti dostává ve formě tepelné energie vyzařované z akumulační stěny) hybridní

b) podle umístění v konstrukci:

prvky umístěné v obvodových stěnách orientovaných na jih střešní prvky přídavné prvky

1.4 Vybrané typy pasivních solárních systémů

1.4.1 Akumulační solární stěny
Jedná se o základní prvek solární architektury. Jižní strana funguje jako kolektor, stěny a podlaha jsou z masivních stavebních materiálů s vysokou tepelnou kapacitou. Plní funkci tepelného zásobníku, který zabraňuje přehřátí při slunečním svitu a následně uvolňuje teplo, při poklesu teploty. Teplo se dovnitř budovy šíří sáláním.

Na tomto základním principu pracuje i tzv. Trombeho stěna. Jedná se o masivní stěnu natřenou tmavou barvou ze strany exteriéru. Před tuto konstrukci je umístěna prosklená jižně orientovaná průčelní plocha ve vzdálenosti cca 10 cm. U podlahy a u stropu má stěna uzavíratelné průduchy. Teplo se šíří do místnosti radiací ze stěny (s příslušným fázovým zpožděním) a konvekcí přes průduchy ve stěně. Vytápění regulujeme zavíráním nebo otevíráním průduchů.

Obr. 1 Příklad vzduchového kolektoru ve fasádě objektu [2]

1.4.2 Nezasklený solární vzduchový kolektor
Základem je tmavý, děrovaný trapézový plech, jenž se umísťuje na fasádu ve vzdálenosti 2 - 4 cm od zateplené obvodové stěny. Ventilátor vytváří podtlak mezi fasádou a plechem a tím dochází k nasávání vzduchu do dutiny přes děrování. Vzduch stoupá dutinou, ohřívá se a je dále rozváděn běžným větracím zařízením. Teplota vzduchu se může zvýšit o 10 - 25 °C. Tento systém má vysokou účinnost 60 - 70 % a také snižuje tepelné ztráty. Můžeme ho použít tam, kde jsou jižně orientované fasády bez oken a potřebujeme dosáhnout výměny vzduchu ve velkém množství (např. průmyslové objekty).

1.4.3 Energetická fasáda
Energetické fasády jsou jednoduché vzduchové kolektory, jejichž transparentní vrstvu tvoří skleněná deska a absorpční povrch normální fasáda. Výhodou je, že pomocí těchto kolektorů můžeme zásobovat teplem celou budovu. Při zimním provozu se teplo zachycené fasádou využije pro vytápění, tzn. ohřátý vzduch se rozvádí do jednotlivých místností, které vyhřívá buď pomocí radiace nebo konvekce. V letním období je energetická fasáda schopna odvádět větší část tepelné zátěže dopadající na osluněnou stranu budovy. Fasáda v tomto případě pracuje jako větrací šachta s přirozenou cirkulací vzduchu.

1.4.4 Dvojité transparentní fasády
Jedná se jako v předcházejícím případě o vzduchový kolektor, který je tvořen skleněnými deskami předsazenými před obvodovou prosklenou konstrukcí. Ve vzniklé dutině jsou ještě umístěny stínicí prvky a otvory umožňující regulaci vzduchu ve vnějším plášti. Tyto fasády nabízejí při vhodné koncepci větrání účinnou ochranu proti pouličnímu hluku, zlepšují funkci tepelné izolace, mohou se použít k ohřevu čerstvého vzduchu. Taktéž umožní noční větrání bez rizika vloupání otevřenými okny. Tato konstrukce chrání nejen fasádu, ale i zařízení protisluneční ochrany.

1.4.5 Energetická střecha
Jedná se o vzduchový kolektor zabudovaný do roviny střešní konstrukce. Většinou se tento způsob kombinuje právě se stěnovým vzduchovým kolektorem. K dosažení dostatečného účinného vztlaku při letním provozu s přirozenou cirkulací vzduchu je nutný určitý výškový rozdíl mezi vstupem a výstupem vzduchu. Z toho důvodu je systém vhodný pro šikmé střechy s úhlem sklonu nejméně 30°. Vzduch se tak dostává do výměníku tepla.

1 - zasklení 2 - vzduchový kanál vytvořený prolamovaným tmavým plechem 3 - tepelná izolace 4 - parozábrana 5 - dřevěné desky Obr. 2 Skladba střešní konstrukce se vzduchovým kolektorem

1.4.6 Transparentní tepelná izolace
Transparentní tepelné izolace svými vlastnostmi i užitím otevírají cestu k efektivnímu využití účinků slunečního záření. Jsou to materiály, které výhodně kombinují dvě základní vlastnosti požadované po zasklívacích prvcích 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.

Obr. 3 Průběhy teplot ve stěně s klasickou izolací (případ A)
a ve stěně s průsvitnou tepelnou izolací (případ B) [4]

Rozdělení transparentních tepelných izolací [5]
- Dle materiálu, ze kterého je izolace vyrobena: sklo, plast. Plastové materiály mají nízkou měrnou hmotnost, ale jeho použití je omezeno provozní teplotou do 140°C. Sklo je též výhodné: je levné, dostupné, odolné proti UV záření a má vynikající optické vlastnosti.
- Dle geometrie transparentní izolace:

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 procházet slunečnímu záření 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.

2. Ochrana budovy proti nežádoucím tepelným ziskům

V interiéru objektu bez použití klimatizačních zařízení dochází v letním období k nežádoucí dynamice teploty. Do místnosti se teplo dostává okenním otvorem a nebo přes obvodovou konstrukci. Systém protisluneční ochrany a ochrany proti oslunění musí plnit zdánlivě protikladné požadavky - chránit místnost před nežádoucím solárním zářením a osluněním, a zajistit požadované osvětlení místnosti denním světlem.

Ochrana proti nadměrným tepelným ziskům:
a) záměrné clonění okenních otvorů

pevné clony - mohou být konstruovány jako vodorovné lamely, rošty a prostorové mřížoviny. Tyto clony jsou především řešeny jako konzoly. Konstrukce může být lamelová a nebo roštová. Navrhují se ve formě ze slitin AL, betonu, dřeva apod. V dnešní době se začínají používat transparentní tepelné izolace také k tomuto účelu. Bývají bariérou nejen pro sluneční paprsky, ale i pro oblohové světlo, proto se mohou navrhovat pro prostory, jejichž hloubka je menší než 3 m. pohyblivé clony - kromě tradičních konstrukcí (markýzy, pohyblivé lamely a žaluzie, shrnovací žaluzie aj.) se jedná např. o markýzy se zabudovanými fotovoltaickými články, které se aktivně natáčejí podle dopadu slunečních paprsků a tím umožňují jejich nejefektivnější využití. Dalším příkladem mohou být vnější lamelové žaluzie umožňující dopad slunečních paprsků na vnitřní povrch stropní konstrukce a tím dochází k zajištění vhodného osvětlení místnosti. U tohoto druhu stínění je možné nastavit lamely v horní části nezávisle na části spodní.

b) použití okenních výplní se skly se sníženou propustností slunečního záření
Jedná se o antireflexní fólie umisťované na sklo nebo o speciální okenní skla s nízkou hodnotou propustnosti tepelného záření.

c) způsob clonění fasád

Mechanické systémy - vnější žaluzie, statické lamelové mříže atd. Skleněná omítka - tato omítka působí selektivně, tzn. že její největší účinnost je v zimě a nejnižší v létě. Malá výška Slunce v zimním období způsobí, že transparentní izolace je propustnější a ozáření absorbéru dosáhne vyšší intenzity. V létě potom v důsledku velkého úhlu dopadu slunečních paprsků je podstatná část sluneční energie reflektována již na povrchu izolace, a to díky skleněné omítce. Je tím zabráněno nežádoucímu vzestupu teploty na vnitřním povrchu konstrukce. Tento efekt způsobuje, že není nutno používat žádných drahých a někdy i nespolehlivých stínicích zařízení.

3. Závěr

Po zpřísnění požadavků na tepelnou ochranu budov se stále více zaměřuje pozornost na využívání účinků slunečního záření. Základem jsou výše zmíněné konstrukce, při jejichž použití docílíme vhodnějších parametrů obalových konstrukcí, které jsou na ně novou normou kladeny. S těmito systémy nastávají nové požadavky na materiály, jejich vlastní konstrukci, na provoz budovy a obsluhu a zajištění tepelných podmínek v interiéru.

Literatura:
[1] Hykš, Pavel, Hraška, Josef. Slnečné žiarenie a budovy. Vydavateľstvo Alfa, 1990
[2] Haller, A., Humm, O., Voss, K.: Solární energie, využití při obnově budov. Grada, 2001
[3] Cihelka, Jaromír: Solární tepelná technika. Nakladatelství T. Malina, 1994
[4] Vaverka, J., Chybík, J., Mrlík, R.: Stavební fyzika 2 - stavební tepelná technika. VUTIUM, 2000
[5] Matuška, Tomáš: Transparentní tepelné izolace a jejich využití v solární technice., 2001