Stavebně-energetické a environmentální souvislosti navrhování obvodových konstrukcí budov
Úvod
Jednou ze zajímavých otázek stavebního výzkumu i budoucí praxe nepochybně je, zda mohou obvodové konstrukce budov, u kterých se pochopitelně snažíme o minimální prostup tepla a v širších environmentálních souvislostech i o jejich co nejnižší negativní vliv na životní prostředí, plnit i ambicioznější cíle. K takovým cílům můžeme jistě počítat cílené a efektivní využívání solární energie přímo pomocí prvků, které jsou součástí obvodové konstrukce.
Obvodový plášť a využití solární energie
Z pohledu možného využití solární energie dopadající na povrch obvodové konstrukce, můžeme zmínit několik odlišných principů, které jsou shrnuty v Tab. 1. Článek se zabývá jen dvěma z nich – fototermickými a fotovoltaickými systémy.
Tab.1 Přehled systémů k cílenému využití solární energie dopadající na povrch obvodové konstrukce
| Typ | Charakteristika | |
| A | Transparentní prvek (prosklená stěna, okna) | Teplo užité přímo v místnosti za systémem. Relativně nízké investiční náklady, s minimální regulací. Omezení využití na chladnou část roku. Závislost na aktuální energetické bilanci místnosti za systémem. Malá tepelně izolační schopnost v době bez slunečního svitu. |
| B | Transparentní vnější plášť oddělený vzduchovou dutinou od vnitřního souvrství | Teplo přenášeno vzduchem z dutiny. Nutnost vytvoření okruhu pro cirkulaci vzduchu (ventilátory, klapky, řízení systému). Omezení dané možností akumulace energie podle zvoleného akumulačního systému a jeho kapacity. |
| C | Transparentní povrchová vrstva (souvrství) na netransparentním podkladu (absorbéru) | Teplo užito přímo v místnosti za systémem. Závislost na aktuální (s malým zpožděním) energetické bilanci místnosti za systémem. Riziko přehřívání prostorů v létě. |
| D | Fototermické systémy (solární kolektory, FT-systémy) | Přeměna na odváděné teplo. Odváděn pomocí kapalného media nebo vzduchu do akumulátoru. Zpravidla omezení poptávkou v budově. |
| E | Fotovoltaické systémy (FV-systémy) | Přímá přeměna na elektrickou energii. Elektrická energie se užívá kdekoliv v elektrické síti. |
| F | Semitransparentní FV-systémy | Představují kombinaci A a E. Teplo se užívá přímo v místnosti za systémem, elektřina se užívá kdekoliv v elektrické síti. |
Aktivní solární systémy a obvodové pláště budov
Fotovoltaické systémy, které jsou jednoznačnou součástí obvodové konstrukce, bývají označovány jako integrované systémy (building integrated photovoltaic systems, BIPV-systems). FV panely tvoří vnější souvrství obvodové, zpravidla větrané konstrukce. Důvody k vytváření větraných systémů jsou dva: Dobře větraný FV-systém neztrácí nic ze svého elektrického výkonu v důsledku vyšších teplot na zadní straně panelů (v řádu 10 %). Souvislý FV-systém se chová jako vnější, pro vodní páry prakticky (kromě styků prvků) nepropustná vrstva. Tu je tedy vhodné odvětrávat pro omezení rizika kondenzace vodní páry.
U fototermických systémů (FT-systémů) je možná jak integrovaná instalace, kdy je systém součástí stavební konstrukce, tak jeho nezávislé předvěšení před rovinu stavební konstrukce. Problém rizika kondenzace je shodný jako u FV-systémů, problém energetického výkonu je odlišný: Pokud není solární kolektor dostatečně tepelně izolován ze své zadní strany, zvyšují se jeho tepelné ztráty, a tím jeho celková účinnost.
V nejjednodušším rozlišení se každý aktivní systém skládá z prvků, které slouží k pro získávání energie a z prvků pro akumulaci energie – viz Tab.2.
Tab.2 Principiální porovnání FV a FT-systémů (orientační údaje použité v dalších úvahách)
sběrná plocha
medium pro přenos energie
akumulátor
přibližná účinnost v ročním hodnocení
roční produkce z 1 m2 ve vertikální poloze (fasády)
FT
kolektor
kapalná nemrznoucí směs, méně často: vzduch
nejčastěji vodní zásobník
~ 50 % z celkového množství dopadající solární energie
~ 400 – 500 kWh tepla, podle druhu kolektoru a akumulátoru (poptávky)
FV
FV -panel
elektrický rozvod
elektrická síť (veřejná)
~ 10 %
~ 60 kWh elektrické energie
Ceny instalace
typická aktuální cena vztažená na
1 m2 sběrné plochy
typické rozdělení ceny sběrné plochy a ostatních částí, včetně podpůrné stavební konstrukce
tendence vývoje cen obou těchto složek
FT
20.000 Kč
50% / 50%
stálé / stálé
FV
30.000 – 40.000 Kč
70-80 % / 30-20 %
klesající / mírně klesající
Energetická návratnost (Energy pay-back time). Doba, za kterou se provozem systému ušetří takové množství primární energie, které bylo pro vznik systému potřebné.
FT
typicky 0,5 – 1,5 roku
tendence: mírně klesající v souvislosti s vývojem
FV
typicky 5 – 6 let
tendence: klesající v souvislosti s vývojem systémů, volbě podkladních ploch a integrací s konstrukcemi budov
K praktickému využití
Známou komplikací při navrhování aktivních solárních systémů je skutečnost, že nabídka je v průběhu roku proměnlivá (viz Obr.1 ve fotogalerii). Ve středoevropských podmínkách navíc významně kolísá i podle aktuální oblačnosti, což obojí vyžaduje při využití solární energie pro ohřev teplé vody existenci doplňkového zdroje tepla. Plochu, která je teoreticky k dispozici, není možné ve většině případů zcela využít, protože by nebyl pro obvyklé systémy s místní akumulací zajištěn odběr tepla (určeno počtem zásobovaných obyvatel v budově).
V případě FV-systémů je situace odlišná: Pro systém je možné využít libovolně velkou osluněnou plochu, bez omezení aktuální poptávkou v budově. (Celkový efekt je pochopitelně ovlivněn orientací této plochy ke Slunci.) Jako akumulátor slouží veřejná elektrická síť, do které je FV-systém připojen. Zejména pro budovy s minimální potřebou teplé vody, jako jsou například administrativní, je využití FV-systémů zvláště zajímavé.
Na Obr.2 ve fotogalerii je shrnut výsledek parametrické studie výpočtu osazení FT a FV-systému. Ve výpočtu se předpokládá, že je k dispozici štítová jižní stěna osmipodlažního domu o celkové ploše stěny 300 m2. Celková plocha oken tvoří 25 %. Spodní 1/3 výšky je významně stíněná okolní zástavbou, a tedy nepoužitelná pro FV a FT-systémy. Výsledky jsou uvedeny ve variantách pro bytový dům s 80 a 50 ekvivalentními obyvateli a pro administrativní budovu. Pro bytový dům je v obou případech použit fasádní FT-systém na ploše potřebné k přibližně 60 % pokrytí roční potřeby teplé vody, což se obvykle považuje za ekonomicky nejpřijatelnější [3]. Zbylá plocha po odečtení plochy oken je pokryta fasádním FV-systémem. Osluněná část jižní stěny administrativní budovy je pokryta FV-systémem celá (kromě oken). Výsledky jsou uvedeny v hodnotách ušetřené primární energie (zemní plyn pro jinak obvyklý ohřev teplé vody, konvenční elektřina v elektrické síti).
Příklad: Instalace FV-systému na Fakultě stavební ČVUT v Praze
Na železobetonovou štítovou stěnu, která byla před několika lety dodatečně tepelně izolována 8 cm pěnového polystyrenu, je osazena ocelová podpůrná konstrukce skládající se z jednotlivých kotevních prvků s roznášecí čelní deskou a ze svislých ocelových profilů (ocel žárově pozinkovaná). Byl tak vytvořen prostor pro umístění dalších 8 cm tepelné izolace z minerálních vláken a ve svislém směru průběžné vzduchové dutiny o min. tloušťce 8 cm. Na tuto podpůrnou konstrukci jsou s pomocí dalších kovových prvků osazeny fotovoltaické panely. Nejnižší místo dutiny je opatřeno mřížkou, nejvyšší místo tvoří rozšířený atikový plech na pomocné konstrukci. Na manžety v atikovém plechu budou osazeny větrací prvky, které otáčením za pomocí větru napomáhají příznivému zvyšování pohybu vzduchu v dutině. V další etapě výzkumu se počítá i s ventilátory s elektromotorem a řízením otáček.
Střešní instalace je řešena jako neintegrovaná – fotovoltaické panely jsou namontovány na podpůrné konstrukci v několika skupinách – s odlišnou orientací ke světovým stranám (JZ, JV) a sklonu (šikmé a svislé), s ohledem na výzkumný charakter této akce.
Diskuse
Odpověď na otázku, zda dát přednost FV nebo FT-systémům v aktuálně řešených projektech, není úplně snadná. Je jisté, že se prvky obou principů budou dále vyvíjet, což by mohlo vést k dalšímu poklesu cen zejména FV panelů (analogie s vývojem počítačových komponentů). Na konkrétní budově mají zpravidla dobrou šanci se doplňovat. Při návrhu je vhodné zvažovat více variant ploch pro umístění (obvodová stěna, plochá střecha, nástřešní instalace s optimálním sklonem), které jsou odlišné pro FV a FT-systémy. Fasádní FV-systém je vždy méně účinný než systém na střeše. Integrace do stěny ve formě vnějšího pláště dvouplášťové obvodové konstrukce může být přesto úspěšná, zejména pokud je důsledně umožněn pohyb vzduchu v dutině za FV-systémem.Zásadním argumentem pro užívání FV-systémů – i při možná nedosažené ekonomické návratnosti počítané obvyklým způsobem – je dále zvyšování provozní spolehlivosti energetického zásobování, což může být chápáno jako zvýšení kvality řešení budovy i zvýšení bezpečnosti vůbec. FV-systémy mohou v případě výpadků veřejné sítě zajistit nouzový (omezený) provoz budovy. Nejsrozumitelnějšími příklady spolupráce FV a FT-systémů je užití elektrické energie z FV-systému pro provoz oběhových čerpadel FT-okruhu, navíc s výhodou současnosti provozu. Důležitým argumentem pro rozvoj FV-systémů je nahrazování části konvenční výroby elektrické energie, mj. v souladu se závazky vyspělých zemí k omezování produkce skleníkových plynů. Další politickou souvislost v obecné rovině představuje snižování závislosti na dovozech energie.
K dalšímu vylepšení environmentálních, stavebně-fyzikálních i cenových charakteristik je nezbytné optimalizovat i podpůrné konstrukce FV a FT-systémů.
Je pochopitelné, že součástí obvodových konstrukcí budou i nadále prosklené plochy oken, umožňující přímý (omezený) energetický přínos. Naproti tomu ve značné míře módní požadavek dvojitých transparentních obvodových stěn, s často velmi nejistým celkovým energetickým přínosem, může být časem zrevidován ve prospěch právě například fotovoltaiky, pokud bude využit její výrazný estetický i image-vytvářející potenciál.
Literatura
[1] Tywoniak, J.: Nízkoenergetické domy. Principy a příklady. GRADA 2005
[2] Ladener, H.- Späte, F.: Solární zařízení. GRADA 2003