Celoskleněné fasády představují v poslední době naprostý trend v obálkách administrativních budov. Budova tak vypadá moderně, luxusně a lze požadovat i vyšší nájemné. Průhledným plochám jsem se věnoval v předchozích kapitolách důkladně. Dnes se chci zaměřit na neprůhledné pásy, které zakrývají nosnou konstrukci budovy, často až do výšky parapetu.
Kapitola je rozdělena na dvě části. V předchozí části jsme probrali, jak neprůhlednými panely izolovat a zlepšit tak izolační vlastnosti celého obvodového pláště. V této, druhé části, se zaměřím na aktivní prvky, kterými je možné posunout budovu k energetické nezávislosti.
Běžná výška neprůhledných fasádních pásů je okolo 1 m. Asi většinu čtenářů napadne, použít pro tuto plochu dnes již cenově velmi dostupnou fotovoltaiku. A pokud si navíc vyberou amorfní články a ne monokrystalické, nemusí si ani lámat hlavu s dobou oslunění či úhlem dopadu slunečních paprsků, protože amorfní fotovoltaika získává energii z běžného denního světla (difuzního záření), je tedy použitelná i na severní stěny. Jejich výhodou je pak i vynikající poměr cena/výkon.
Maximální účinnosti se dociluje kombinací až tří vrstev dotovaných různými prvky pro využití většího spektra slunečního záření. V kombinaci s polykrystalickými vrstvami lze dosáhnut výsledné účinnosti okolo 10 %, což představuje průměrně asi 80 Wh/m². Toto relativně malé číslo možná nijak neohromí. Představíme-li si ale budovu o půdorysu 30×50 m, pak z jediného pásu vysokého 1 m získáme denně cca 150 kWh (obvod 160 m x 80 Wh x 12 hodin průměrné délky dne), což představuje energii nejen pro všechny počítače na patře, ale i pro kávovar, tiskárnu, kopírku a ještě pořád nějaká energie zbývá třeba pro klimatizaci nebo pohon čerpadel topného systému. Takže fotovoltaika, která ani nepotřebuje přímý osvit slunce, určitě dobrým řešením je.
Další výhodou amorfních článků je, že jim na rozdíl od monokrystalických nevadí vyšší teplota. Pokud na ně totiž bude svítit Slunce, tak se většina dopadající energie změní v teplo. Jak tento horký panel dobře odizolovat, aby neohříval zbytečně budovu, jsem podrobně popsal v minulé části, takže tepelnou izolaci horkých panelů bychom měli mít vyřešenu. Takže se nabízí otázka, jestli nám to takto stačí? Pokud se spokojíme s tím, že máme z denního světla elektřinu a nemáme problém s přehříváním, není třeba číst dál. Jestli se ale začneme zabývat otázkou, jak toho tepla využít…?
Dnes jsou na trhu i hybridní fototermické panely ve kterých proudí kapalina, která FV diody ochlazuje a sama se od nich ohřívá. Díky tomu, že diody jsme zvolili amorfní a nikoliv monokrystalické, může být vystupující kapalina z kolektorů velmi teplá (i přes 60 °C), přičemž účinnost fotovoltaiky se sníží jen nepatrně.
Takže teď jen vymyslet, jak toto zdarma získané teplo vhodně využít. Jako první nás asi napadne ohřev TUV. Bohužel spotřeba teplé vody v administrativních budovách je velmi malá – zaměstnanci se zde většinou nesprchují a na umývání rukou či nádobí je třeba jen zlomek získaného tepla – takže použít ji jen na TUV nám problém neřeší.
Jak ale bylo už v anotaci ke kapitole naznačeno, směřuji k zajímavějšímu využití – mohli bychom se pokusit tepelnou energii ze slunce uchovat na zimu! Jak? Hromadit ji ve velkých izolovaných nádržích a doufat, že nám teplá vydrží až do zimy, a že s ní celou zimu budeme topit, je utopie. Únik tepla jen přes potrubí a nosnou konstrukci nádrží bohatě stačí na to, aby se více než tři čtvrtiny uloženého tepla ztratily. Navíc, čím bude voda teplejší, tím rychleji z ní teplo bude utíkat pryč. Mnohem efektivněji teplo uskladníme, pokud změníme skupenství nějaké látky z pevného na kapalné – tedy využijme její „latentní“ (skupenské) teplo.
Dnes je na trhu běžně k dostání parafín s teplotou tání 45 °C. Ten lze horkou vodou o teplotě 60 °C snadno roztavit. Protože jej ale nechceme příliš zahřívat, jen chceme změnit jeho skupenství, je výhodnější jej skladovat ve větším počtu v menších izolovaných nádržích, kdy regulace přerozděluje přísun horké vody na udržení již rozpuštěného parafínu těsně nad bodem jeho tání a zbylé teplo posílá do dalších nádrží, kde se taví další a další hmota.
Je logické, že část tekutého parafínu se během čekání na zimu změní zpět v tuhý vosk. Především u okrajů nádrží, kde bude docházet k únikům tepla nejvíce. Naštěstí je parafín v tuhém stavu dobrý izolant, takže se ztuhnutím krajních vrstev ještě více zlepší izolace nádrže. Navíc jeho akumulační schopnost je řádově vyšší než u vody. V zimě předává parafín, díky opětovné změně skupenství, protékající kapalině mnohem více tepla, než kdyby došlo pouze k jeho ochlazení. Výstupem je tedy ohřátá topná voda, vhodná pro podlahové topení ≈ 33 °C. Poměr vložené a zpětně získané energie je okolo 66 %, tedy pokud v létě uložíme 1,5krát více tepla, než v zimě spotřebujeme, máme topení prakticky zdarma (potřebujeme pouze elektrickou energii pro pohon čerpadel, ale tu nám s velkou rezervou dodá i fasádní fotovoltaika).
Ve spojitosti s uložením letního tepla na zimu bychom měli krátce zmínit i „JOTY“, i když to s fasádními panely ani s tímto seriálem o oknech přímo nesouvisí. „JOT“ (jednotka odpadního tepla) byla vyvinuta několika brněnskými inženýry v dnes již neexistujícím státním podniku Kancelářské stroje a využívána ponejvíce v 80. a 90. letech minulého století. Tehdy ještě existovaly velké počítačové sály, které topily tak intenzivně, že je bylo nutné klimatizovat i v zimě. Klimatizace funguje tak, že odněkud teplo odebírá, tedy chladí, a jinde ho zase odevzdává, tedy topí. Výměníky, které topí, jsou většinou umístěné na střeše a ovívány silnými ventilátory, aby bylo možné chladivu s teplotou přes 80 °C proudem vzduchu přebytečné teplo odebrat.
„JOT“ je vlastně také výměník, ale vodní (chladivo/voda), který se zapojoval do série ještě před topící výměník (chladivo/vzduch), aby kapalinou odebral horkému chladivu teplo dříve, než se finálně ochladí proudem vzduchu. Získaná teplá voda se pak používala rovnou na topení. Postupem doby ale velké počítačové sály zanikaly a s nimi i využití JOTŮ. Dnes se však nabízí jejich opětovné vzkříšení – právě ve spojitosti s ukládáním tepla na zimu. Prosklené administrativní budovy jsou vybaveny klimatizací vždy. Jejich chladicí výkon představuje stovky kW a tentýž výkon je pak k dispozici i jako topný. Při jejich celodenním provozu se tak jedná o několik MWh tepla, kterými je možné právě pomocí „JOTŮ“ roztavit velké množství parafínu na zimu, které by jinak přišlo vniveč jako odpadní, a přiblížit se k energetické nezávislosti.
Ale vraťme se zpět na fasádu k fototermickým panelům, které nabízejí další možnosti, jak získat energii zdarma. Nyní se pokusíme získat tu chladicí a ušetřit výdaje za klimatizaci. V letních nocích mívá troposféra nad Evropou teplotu asi –10 °C. To je na první přečtení docela slušný zdroj chladu, kterým teoreticky můžeme ochladit budovu právě pomocí fototermických panelů.
Povrch panelů tvoří sklo, které má velmi velkou emisivitu (schopnost sálat teplo). Takže pokud panely v noci na oblohu „vidí“, budou schopné své vlastní teplo do studené oblohy i vyzářit, čímž se ochladí, takže začnou odebírat teplo kapalině, která v panelech proudí. Tohle však jen za předpokladu, že nebude foukat žádný vítr, který je v létě dost teplý na to, aby sklo zase ohřál zpět, čímž účinek radiačního chlazení zcela potlačí. A zabránit proudění větru zatím neumíme, takže na první pohled ztrácí toto využití smysl.
Co bychom to ale byli za vývojáře, abychom si s tímto problémem nějak neporadili? Z učebnic víme, že pokud je nějaký povrch velmi členitý, vytvoří se u něj vrstva vzduchu, která se nehýbe. Tedy jakýsi polštář, kde je zcela potlačen vliv proudění. Teplo se pak touto vrstvou šíří perfektně sáláním (což chceme) a velmi špatně vedením (nehybný vzduch je vynikající izolant, což chceme také). Je tedy třeba zdrsnit povrch skla u fototermických panelů tak, aby se na něm vytvořil nehybný polštář vzduchu. A lze to provést až natolik promyšleně, abychom tím získali i další výhody:
A. Na skle, které překrývá fotodiody, jsou vytvořeny skleněné mikrojehlany. Jejich tvar, výška i hustota vytváří asi 3 mm vysokou vrstvu nehybného vzduchu, takže nedochází k přímému ovívání povrchu větrem (což zvyšuje účinnost i v režimu, kdy ze Slunce teplo získáváme a nechceme, aby vítr panel ochlazoval).
B. Od každého skla se přirozeně asi 10 % sluneční energie odráží, ale díky sklonu stěn jehlanů jsou tyto odrazy vedeny dovnitř skleněné tabule, takže k diodám proniká téměř veškeré světlo i tepelné záření, čímž se ještě více zvyšuje účinnost nejen termiky, ale i fotovoltaiky.
C. Díky jehlanům jsou lépe „lapeny“ i paprsky Slunce dopadající na fasádu z ostrých úhlů. Takže panel je delší denní dobu pod přímým slunečním světlem, ze kterého čerpá především teplo. Totéž se týká i „dohlédnutí“ povrchu na studenou noční oblohu, která by jinak byla k fasádě v příliš ostrém úhlu.
Takto vylepšené fototermické panely, perfektně zaizolované směrem k budově vícekomorovou strukturou (jak bylo popsáno v první části této kapitoly), by mohly za jasné v letní noci ochladit protékající kapalinu výkonem asi 90 W/m², což by u budovy s půdorysem 50×30 m, u které 75 % panelů bude „vidět“ na oblohu, představovalo chladicí výkon asi 10 kW na každé patro. Pokud by se vodou z panelů ochlazovala podlaha (trubkami podlahového topení), bude docházet díky sálavé výměně tepla mezi podlahou a ostatními stěnami k postupnému chladnutí celého prostoru.
Při jasné letní noci, která může trvat cca 6 hodin, by pak pás o výšce 1 m vedoucí okolo celé budovy mohl ušetřit cca 60 kWh chlazení v každém patře (i po odečtení příkonu oběhového čerpadla), co by mohlo představovat asi hodinovou úsporu provozu klimatizace (při 55 kW instalovaného chladicího výkonu na patro). Celou tuto úvahu píši v podmiňovacím způsobu, protože sám cítím, že tato cesta nedává ekonomický smysl. Zvláště pokud si uvědomíme, že jasných nocí v létě není příliš mnoho nebo že v noci se budova při jasné obloze zchladí sama, takže efekt bude zanedbatelný.
Přesto ale studené záření noční oblohy využít můžeme. A to tak, že pomocí fasádních panelů budeme od podzimu do jara ukládat chlad na léto, který pak použijeme pro chlazení budovy namísto klimatizace. A to přesně stejným způsobem, jakým v létě ukládáme teplo na zimu.
Existují kapaliny s teplotou tuhnutí okolo 0 °C, jejichž led nenabývá takového objemu jako u vody. Lze proto využít nejen studených zimních dní pro změnu jejich skupenství, ale především velmi studeného záření noční oblohy, kdy je teplota troposféry hluboko pod bodem mrazu přes půl roku (v zimě až –60 °C) a prakticky od října do dubna, tedy během celé topné sezony, vytvářet zásobu ledu, aby z něj bylo možné odebírat chlad mnohdy až do poloviny léta a ušetřit nikoliv jen pár hodin provozu klimatizace, ale třeba i půl sezony.
Na závěr chci dodat, že i přes všechna lákavá pozitiva, které taková „nezávislost“ nabízí, je vždy třeba spočítat návratnost investice. Parafín stojí nemalé peníze, stejně tak i kapalina pro vytváření nízkoexpanzního ledu není zadarmo. K tomu je třeba připočíst náklady na nádrže, jejich izolaci, rozvody potrubí, regulaci, údržbu a jiné další nutné výdaje, které vysněný cíl „být energeticky nezávislý“ mohou z ekonomického hlediska pohřbít. To ale neznamená, že bychom měli na tuto myšlenku rezignovat. Stále je možné nacházet nové způsoby, objevovat nové materiály a nalézat nová řešení. A také bude vždy platit, že ten, kdo přestane bojovat, prohrál.
MICHAL BÍLEK
Michal Bílek (*1970)
je absolventem SPŠ Elektrotechnické, po maturitě emigroval do Německa. Do ČR se vrátil v roce 1993, kdy začal pracovat v odvětví TZB. V současnosti působí jako CEO ve třech společnostech a jako prezident nadnárodní asociace SIGFA. Díky celoživotnímu samostudiu a mnohaletým zkušenostem v oboru se dnes věnuje vývoji nových řešení pro stavebnictví se zaměřením na úsporu energie a solární zisky.
