Multifunkční solární kolektory pro integraci do budov
Budovy mají potenciál stát se v budoucnosti solárně aktivními stavbami se 100% zajištěním energetických potřeb sluneční energií. K tomu je nutné, aby architekti a inženýři uměli navrhovat budovy v komplexním pojetí, spojujícím inteligentní architekturu, energetickou účinnost a úspory, pokročilé systémy regulace solárních zisků a inovační řešení solárních systémů pro zajištění dodávky energií.
Úvod
Přibližně 40 % energie v Evropě se spotřebovává v budovách. Za předpokladu výrazného snížení potřeby energie zavedením úsporných opatření a zvýšení účinnosti, solární zařízení se mohou stát nejdůležitějším energetickým zdrojem pro budovy budoucnosti. Aplikační potenciál zařízení využívajících sluneční energii pro budovy spočívá v zásobování teplem, chladem, elektrickou energií a v zajištění přirozeného osvětlení. Budovy mají potenciál stát se solárně aktivními stavbami [1] se 100% zajištěním energetických potřeb sluneční energií v budoucnosti, samozřejmě v návaznosti na vývoj účinných akumulátorů tepla a elektrické energie s vysokou hustotou akumulace (malé objemy). K tomu je nutné, aby architekti a inženýři uměli navrhovat budovy v komplexním pojetí, spojujícím inteligentní architekturu, energetickou účinnost a úspory, pokročilé systémy regulace solárních zisků a inovační řešení solárních systémů pro zajištění dodávky energií. Takový celostní přístup v zásadě předpokládá, že solární zařízení jsou podstatnou a neoddělitelnou součástí obecného návrhu budovy a solární kolektory jsou běžným stavebním a konstrukčním prvkem, ne pouze dodatečně instalovaným a s budovou nesouvisejícím zařízením [2].
Využití slunečního záření jakožto řídkého zdroje energie vyžaduje rozsáhlé jižně orientované jímací plochy. Snaha o racionální využití obálky budovy pro jímání sluneční energie a přeměnu na požadovanou formu energie ústí ve vývoj prvků integrujících aktivní solární zařízení do konstrukce budovy. Velký inovační potenciál [3] tkví zvláště ve spojení funkce obálky budovy a solárního kolektoru a v multifunkčních prvcích kombinujících několik účelů (produkce tepla a elektrické energie, osvětlení) v jediném zařízení. Pro široké využití sluneční energie v budovách je nezbytné, aby další vývoj nových konceptů a experimentální ověřování jejich synergetických vazeb vedl ke konstrukčně předpřipraveným a snadno integrovatelným prvků v těsném spojení s průmyslem pro následnou komercionalizaci.
Integrace solárních kolektorů do budov
Obecně používaný pojem integrace solárních kolektorů do budov v sobě skrývá přinejmenším tři významy: systémovou integraci, architektonickou integraci a konstrukční integraci. Systémová integrace se týká otázek, jak včlenit solární zařízení do systému energetického zásobování budovy s ohledem na optimalizaci energetických zisků a solárního pokrytí. Ohnisko leží v účinném hydraulickém a energetickém konceptu, návrhu ušitého na míru skutečným potřebám budovy a v pokročilém regulačním systému.
Architektonická integrace je důležitým aspektem vzešlým ze zkušenosti s nízkou vizuální kvalitou instalací solárních kolektorů. Nedostatek rozmanité palety barev, tvarů, povrchů a velikostí kolektorů, viditelné upevňovací prvky a potrubí jsou architekty nejzmiňovanějšími problémy s instalací solárních soustav. Přitom architektonická kvalita je klíčem k otevření cesty pozitivního vnímání solárních kolektorů architekty a projektanty a širšího přijetí solárních soustav (tepelných, elektrických) veřejností.
Zásadní úlohu lze spatřit v integraci solárních kolektorů do konstrukčních prvků budov, kde solární kolektory v podstatě nahrazují plášť budovy. Takový stupeň integrace je automaticky spojen s aspekty architektonické integrace. Konstrukční forma integrace je nezbytná pro budoucí rozvoj a rozšíření solárních technologií. Integrace solárních kolektorů do obvodového pláště budovy namísto oddělené instalace představuje přechod od konceptu obálky budovy považované za energeticky ztrátovou k obálce budovy sloužící jako zdroj energie (energeticky aktivní obálka budovy), která znamená krok vpřed směrem k solárně energeticky aktivním budovám.
Poslední desetiletí přineslo velký pokrok v zavedení integrace tepelných a fotovoltaických kolektorů do střech a fasád budov. Na druhé straně snaha o vyšší pokrytí energetických potřeb vede k nutnosti vyšší využitelnosti dostupných ploch pláště budovy a současný trend se posouvá od jednoúčelových prvků k multifunkčním či hybridním uspořádáním solárních kolektorů.
Hybridní solární kolektory vzduch/kapalina
Snahy o dosažení maximální účinnosti přeměny a využití solárních energetických zisků během roku vedou k rozvoji konceptu solárního tepelného kolektoru se dvěma teplonosnými látkami (vzduch/voda, vzduch/glykol-voda). Duální či hybridní koncept s použitím dvou teplonosných tekutin vychází v principu ze situace typické pro mírné a chladné klimatické pásmo, kde sluneční záření je dostatečné pro přípravu teplé vody (50-60 °C) v letním období, zatímco v zimním období solární kolektory zpravidla nedosahují teplot vyšších než 30 °C, avšak jsou stále dostatečné např. pro ohřev větracího vzduchu.
Požadavky na absorbér solárního kolektoru pro režim ohřevu vzduchu (velká plocha povrchu absorbéru v kontaktu se obtékajícím vzduchem, nejlépe zalamovaný tvar) jsou zcela odlišné od požadavků pro režim ohřevu kapaliny (minimalizace povrchu pro udržení nízké tepelné ztráty). Výsledkem je nutná optimalizace konstrukce absorbéru, jeho geometrie a provozních podmínek (průtok). Náhled na různé koncepty hybridních uspořádání solárních kolektorů vzduch-kapalina poskytuje obr. 1. Ačkoli se na trhu objevila řada komerčních kolektorů vzduch-kapalina, neexistuje zatím dostatek věrohodných informací o jejich vývoji a optimalizaci, stejně jako chybí informace o jejich provozních charakteristikách, podpořené dlouhodobými experimentálními analýzami ve vhodných aplikacích jako příprava teplé vody a ohřev větracího vzduchu.
Obr. 1 Různé konfigurace solárních tepelných kolektorů v hybridním uspořádání vzduch-kapalina
Hybridní fotovoltaicko-tepelné kolektory
Standardní komerční fotovoltaické (FV) moduly nepřemění v současné době více než cca 15 % dopadlé sluneční energie na elektrickou, zbytek je odpadní teplo, které částečně odchází do okolního prostředí a částečně ohřívá FV modul a zvyšuje jeho teplotu. Jelikož zvýšení teploty FV článku negativně ovlivňuje účinnost fotovoltaické přeměny je vhodné fotovoltaické články chladit a zároveň smysluplně využívat odváděné teplo.
V případě architektonicky a esteticky preferovaných instalací FV modulů integrovaných do obálky budov dochází k výrazně vyššímu nárůstu teploty FV článku oproti modulům volně instalovaným na střechách a exponovaným vůči účinkům větru. Integrované fotovoltaické moduly trpí vysokou tepelnou zátěží vlivem omezeného přirozeného chlazení okolním proudícím vzduchem, jelikož zadní strana FV modulu je zpravidla tepelně chráněna obálkou budovy a součinitele přestupu tepla prouděním na přední straně FV modulu zapuštěného do větší plochy vykazují výrazně nižší hodnoty než u plochy vystupující nad povrch (obálky budov). To vše má za následek významný pokles účinnosti FV článku, tepelnou zátěž vnitřního prostoru tepelným tokem v závislosti na stupni tepelné izolace dané obálky budovy (zvýšení potřeby chlazení v letním období) a také možnost poškození FV modulů vlivem extrémního tepelného zatížení (teplota FV modulu integrovaného do obálky budovy může za letního dne při bezvětří dosáhnout až 100 °C).
Použití aktivního chlazení fotovoltaického článku vede ke konceptu hybridního solárního fotovoltaicko-tepelného kolektoru (FV/T kolektor), který poskytuje nízkopotenciální teplo a elektrickou energii, kdy produkce tepla může být několikanásobně vyšší než produkce elektrické energie [4]. Díky společné výrobě elektrické energie a tepla (solární kogenerace) je u hybridních kolektorů celková produkce energie vyšší než u standardního odděleného řešení (FV a FT kolektory zvlášť) při stejné celkové zastavěné ploše.
Hybridní FV/T kolektory mohou být realizovány v několika základních variantách, jednak jako zasklené nebo nezasklené, ploché nebo koncentrační a podle typu teplonosné látky vzduchové nebo kapalinové.
Obr. 2 Typické konfigurace geometrie FV/T vzduchového kolektoru (zasklený, nezasklený)
Hybridní FV/T vzduchové systémy začaly především jako fasádní FV prvky se vzduchovými kanály na zadní straně FV modulů či jako FV moduly umístěné ve větrané dutině dvojitých fasád a byly zevrubně zkoumány na mnoha demonstračních instalacích. Jelikož systémy s přirozeným prouděním obecně neumožňovaly dostatečné chlazení FV modulu, většina hybridních FV/T vzduchových systémů využívá nucené cirkulace. Velké průtoky potřebné k odvodu tepla vzhledem k nízké tepelné kapacitě vzduchu vedou k velkým rozměrům potrubí, které je obtížné jednoduše integrovat do konstrukce budovy (obálky, vnitřního prostoru). V případě FV/T systémů s nuceným prouděním vzduchu je nutné také dbát na udržení nízké spotřeby elektrické energie nutné k pohonu ventilátorů, aby významně nepotlačila vlastní zisk elektrické energie vlivem chlazení FV článků. Odvedené teplo z FV modulů může být využito pro předehřev větracího vzduchu, pro cirkulační teplovzdušné vytápění či hypokaustické sálavé vytápění.
Obr. 3 Typické konfigurace geometrie FV/T kapalinového kolektoru (zasklený, nezasklený)
Kapalinou chlazené FV systémy jsou založeny především na principu výměníku lamela-trubka (obdobně jako u plochých tepelných kolektorů) aplikovaného na zadní stranu fotovoltaického článku či modulu s kvalitním tepelně vodivým kontaktem pro zajištění dobrého odvodu tepla. Nezasklená konstrukce je vhodná především tam, kde elektrický výkon je hlavní prioritou a využití odpadního tepla je navíc. Oblast použití nezasklených FV/T kolektorů leží v nízkoteplotních systémech do 30 °C, tj. předehřev teplé vody v budovách, ohřevu bazénové vody či jako nízkopotenciální zdroje tepla pro tepelná čerpadla (absorpční FV/T stěny či střechy). Pro snížení tepelné ztráty a dosažení vyššího tepelného výkonu, zvláště v období s nízkými okolními teplotami, je nutné použít krycí zasklení. Tloušťku vzduchové mezery lze optimalizovat podle předpokládaných klimatických podmínek a potřebné provozní teploty. Narozdíl od vzduchových FV/T systémů aplikovaných na mnoha budovách, instalací kapalinových FV/T systémů je dosud v provozu velmi omezené množství.
Vzduchový FV/T systém je vhodný především pro chladné klimatické oblasti s dostatečně nízkou teplotou pro chlazení i letním období. V případě teplého klimatu vysoké teploty vzduchu omezují možnost účinného chlazení FV modulů, navíc v letním období je využitelnost ohřátého vzduchu nízká a je tak výhodnější uvažovat o kapalinou chlazených FV modulech. Zvláště předehřev studené vody (celoročně stálá teplota v rozvodech 10 až 20 °C) je velmi účinným využitím odpadního tepla z FV/T modulů nejen v letním období.
Aplikace konceptu duálních tepelných kolektorů se dvěma teplonosnými látkami (vzduch/kapalina) na hybridní FV/T kolektory [5] spojuje výhody obou konceptů a přináší univerzální a účinné využití sluneční energie k víceúčelové produkci elektrické energie a tepla a zvýšení celkového energetického zisku. Způsob odvodu tepla závisí na klimatických podmínkách (použití vzduchu v zimě, použití kapaliny v létě), energetických potřebách budovy (větrání, teplá voda, vytápění), požadovaná provozní teplota FV článku, atd. Analogicky k duálním tepelným kolektorům vzduch/kapalina, různé režimy provozu pro různé teplonosné látky vyžadují optimalizaci duálních hybridních FV/T kolektorů.
Solární kolektory s lineárními Fresnelovými čočkami
Lineární Fresnelovy čočky jsou optické prvky pro soustředění přímého slunečního záření plochým geometrickým vzorem vylisovaným nebo vybroušeným v tabuli skla (viz Obr. 4) do lineárního ohniska. Díky tloušťce plochých čoček odpovídající zhruba tloušťce běžného okenního skla je možné lineární Fresnelovy čočky snadno integrovat do zasklení oken. Kombinace lineárních Fresnelových čoček přizpůsobených umístění na svislých plochách (fasády) nebo šikmých plochách (střechy) s lineárním absorbérem se využívá v solárních soustřeďujících tepelných kolektorech s nízkým koncentračním faktorem [6].
Obr. 4 Vzor lineární Fresnelovy čočky přizpůsobené šikmému nebo svislému umístění
Kolektor s lineárními Fresnelovými čočkami odděluje přímou složku dopadajícího slunečního záření a soustřeďuje ji na úzký lineární absorbér umístěný v malé ohniskové vzdálenosti samonaváděcím zařízením, zatímco difúzní složka slunečního záření osvětluje vnitřní prostor pod čočkami. Přirozené osvětlení zajištěné čočkami je charakteristické rovnoměrnou intenzitou bez ostrých kontrastů a problémů s oslněním. Vnitřní tepelný komfort může být řízen poměrem mezi přímou složkou odvedenou z kolektoru a vpuštěnou do vnitřního prostoru. Tímto způsobem se lze na jedné straně vyhnout problémům s přehříváním prostoru v letním období a na druhé straně částečně krýt potřebu tepla na vytápění budovy v zimním období solárními zisky.
Obr. 5 Fasádní solární kolektor s lineárními Fresnelovými čočkami
Kolektory s Fresnelovými čočkami je možné použít tam, kde je potřeba denního osvětlení, řízení solárních tepelných zisků v prostoru a teplo pro přípravu teplé vody. Řada instalací byla realizována obytném sektoru, vzdělávací sféře a na průmyslových budovách. Na Obr. 5 je zobrazena specifická aplikace kolektoru s lineárními Fresnelovými čočkami v solárním skleníku v Nových Hradech v kombinaci s fotobioreaktorem navrženým pro proces urychlení růstu mikrořas. Na levé straně jsou zobrazeny skleněné trubky protékané řasami umístěné v ohnisku Fresnelových čoček jako absorbér slunečního záření. Na pravé straně je zobrazen standardní solární kolektor s lineárními Fresnelovými čočkami.
Kolektor s Fresnelovými čočkami kombinovaný s kapalinovým FV/T absorbérem je dalším krokem vpřed pro současné zajištění přirozeného osvětlení, regulace vnitřní teploty a výroby elektrické energie a tepla pro potřebu budovy. Koncentrace slunečního záření může při dobré kvalitě čoček zvýšit účinnost FV článků a kapalinové chlazení omezit přehřívání a negativní vliv teploty na elektrický výkon. Solární FV/T kolektor s Fresnelovými čočkami byl uveden do provozu v experimentálním skleníku v Třeboni v roce 2007 (viz Obr. 6).
Obr. 6 Solární kapalinový FV/T kolektor s Fresnelovými čočkami
Závěr
Výzkum a vývoj solárních kolektorů povede k účinným prvkům s kombinací více funkcí (konstrukce budovy, zdroj tepla, zdroj elektrické energie, osvětlovací systém, architektonický prvek) v synergetických vazbách na omezené ploše obálky budovy. Takové pokročilé multifunkční solární kolektory integrované do konstrukce pláště budov, které budou zároveň vizuálně přitažlivé a komerčně dostupné pro architekty a stavební projektanty představují základní konstrukční prvky pro návrh solárních aktivních budov v budoucnosti [7].
Cílem příspěvku bylo poukázat na koncepty, které byly nebo jsou předmětem současného výzkumu a vývoje v oblasti solárních kolektorů pro krytí základních potřeb budov jako je vytápění, příprava teplé vody, větrání, elektrická energie a osvětlení.
Poděkování
Příspěvek vznikl v rámci řešení výzkumného záměru MSM 684077011 "Technika prostředí", financovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR.
Odkazy
[1] European Solar Thermal Technology Platform: "Solar Thermal Vision 2030 document", http://www.esttp.org. 2006.
[2] Hestnes, A. G.: Building integration of solar energy systems. Solar Energy 67, No. 4-6, pp. 181-187, 1999.
[3] FP7 Research Priorities for the Renewable Energy Sector, EUREC Agency, March 2005.
[4] Charalambous, P. G. a kol.: Photovoltaic thermal (PV/T) collectors: A review. Applied Thermal Engineering 27, pp. 275-286. 2007.
[5] Tripanagnostopoulos, Y. a kol.: Hybrid PV/T systems with dual heat extraction operation, Proc. 7th Europ. PV Solar Energy Conf. pp.2515-2518, Munich, Germany 2001.
[6] Jirka, V. a kol.: The architectural use of glass raster lenses. Proceedings of WREC V, pp. 1595-1598, Florence (Italy), 1998.
[7] Matuska, T.: Advanced solar collectors for building integration. Proceedings of WREC X, pp. 1547-1552, Glasgow (Great Britain), 2008.
The application potential for solar energy use in buildings lies in supply of thermal and electric energy and natural daylighting. To use incident solar energy from building envelope effectively, multi-functional construction elements combining several purposes should be introduced as a standard part of building construction. Examples of such concepts are presented: hybrid air/liquid collectors for heating and ventilation purposes, hybrid photovoltaic-thermal (PV/T) collectors for combined thermal and electric energy supply (glazed, unglazed, air/water cooled), linear Fresnell lenses collectors for removal of heat load from direct component of solar irradiation to thermal storage and allowing the natural diffuse daylighting.
