Fotovoltaické systémy integrované do budov jako velká výzva

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 ambicióznější cíle. K takovým cílům můžeme jistě počítat cílené a efektivní využívání solární energie pomocí prvků, které jsou součástí obvodové konstrukce (Tab. 1) - dvěma z nich fototermickým (FT) a fotovoltaickým (FV) se věnujme podrobněji.

	Typ	Charakteristika systému
A	Transparentní prvek (prosklená stěna, okna)	Teplo užito 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 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, případně v nezávislém (ostrovním) provozu.
F	Semitransparentní FV-systémy	Představují kombinaci A a E. Teplo se užívá přímo v místnosti za systémem, elektřina se užívá kdekoliv v elektrické síti, případně v nezávislém (ostrovním) provozu.

Tab. 1 - Přehled systémů k využití solární energie dopadající na povrch obvodové konstrukce.

KE ZPŮSOBŮM INTEGRACE

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, v lepším případě větrané konstrukce. Důvody k vytváření větraných systémů jsou dva: Dobře větraný FV-systém výrazně neztrácí na svém elektrickém 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 i 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 důsledku integrace FT-systému by nemělo dojít ke zhoršení tepelně-izolačních vlastností obvodové konstrukce budovy, kde je umístěn.

Kombinace produkce elektrické energie pomocí FV-systému na vnějším plášti a využití tepla odváděného ze vzduchové dutiny je na první pohled atraktivní. Skutečné využití je možné ovšem jen tehdy, je-li v energetickém systému budovy po teplu odváděnému z dutiny skutečná poptávka - s uvážením jeho množství, teplotní úrovně a doby produkce.

Známou komplikací při navrhování aktivních solárních systémů je skutečnost, že nabídka je v průběhu roku proměnlivá. 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 a akumulační prvek vhodné velikosti. Plochu obvodových konstrukcí budovy, která by byla 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 jednoduše slouží veřejná elektrická síť, do které je FV-systém připojen. Zejména pro budovy s minimální potřebou teplé vody, jako jsou například administrativní budovy, kde tedy nepřipadá použití FT-systémů v úvahu, je využití FV-systémů zvláště zajímavé. Instalace FV-systému je jistě dosud relativně velmi nákladná, trend je však mírně klesající (Tab. 2).

	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

Tab. 2 - Principiální porovnání FV a FT-systémů (orientační údaje použité v dalších úvahách)

Na Obr. 1 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 [1]. 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).

CESTY K ENERGETICKY NULOVÉMU DOMU

Se vzrůstajícími cenami energie na straně jedné a rozvojem nízkoenergetických technologií a technologií obnovitelných energetických zdrojů na straně druhé se zřejmě přibližuje reálná dostupnost výstavby domů blízkých energeticky nulovým. Dům z pohledu celkové roční bilance vyprodukuje takové množství energie, jaké přibližně sám na provoz spotřebuje. Takové řešení by bylo u energeticky optimalizovaného rodinného domu dosažitelné např. za těchto podmínek:

1. potřeba tepla na vytápění na úrovni pasivního domu,
2. potřeba energie na strojní chlazení rovna nule,
3. fototermický systém na ohřev teplé vody alespoň ze 60%,
4. fotovoltaický systém o ploše cca. 60 - 70 m².

Při podrobnější analýze provozní energetické bilance nízkoenergetického, a tím spíše i pasivního domu [2] nutně zjistíme, že kromě obvykle hodnocené potřeby tepla na vytápění hrají i další její části významnou roli. U pasivního domu pro bydlení jsou jednotlivé složky - potřeba energie na vytápění, potřeba energie na ohřev teplé vody a energie na provoz elektrických spotřebičů - zhruba v rovnováze. Pro další úvahy je nutné uvažovat nikoliv v součtu dodávaných energií (delivered energy, konečná energie), ale v hodnotách primární energie pocházející z neobnovitelných zdrojů.

Studie rodinného domu (Obr. 2, 3) obvyklé velikosti porovnává rozhodující složky provozní energetické bilance pro dům na obvyklé úrovni stavebně-energetického řešení a dům na úrovni pasivního domu. Obvyklý dům má potřebu tepla na vytápění 75 kWh/(m²a), pasivní dům pak očekávaných 15 kWh/(m²a). Množství teplé vody je stanoveno shodně, s tím, že u pasivního domu se předpokládá, že 60 % energie je kryto fototermickým systémem. Elektřina pro provoz domácnosti je uvažována v obou případech shodně. Pokud je u pasivního domu využito konvenční elektrické energie k vytápění a k 40% ohřevu teplé vody, není přednost pasivního domu tak výrazná, je-li energetická bilance vyjádřena v primární energii. Výrazně příznivější bude výsledná hodnota primární energie, pokud se použije některého obnovitelného paliva nebo elektrické energie od věrohodné distribuční společnosti, nebo FV produkce přímo na objektu. Je nutné stále zdůrazňovat potřebu co nejlepšího spolupůsobení jednotlivých principů: maximální rozumně dosažitelné redukce energetických potřeb při zachování nebo zvýšení komfortu, využití obnovitelného energetického zdroje v místě (solární systém) a energetické produkce pomocí FV-systému. Na obr. 4 je uvedena prvotní vizualizace projektu takového domu vycházejícího z řešení rodinných domů pro připravovanou výstavbu v Koberovech [3].

ZÁVĚREM

Často zmiňovaným omezením rychlejšího rozvoje FV-instalací jsou vysoké investiční náklady. Na tento problém je možné se dívat i opačně: Cena obvodového pláště např. dvojitého proskleného systému nebo pláště s kamenným obkladem apod., tedy obvodových stěn budov s důrazem na reprezentativní vzhled je řádově srovnatelná s FV-systémem, pokud bude umístěn na efektivní podpůrné konstrukci. Přitom zmíněná dosud obvyklá řešení zpravidla žádný aktivní přínos k energetické bilanci budovy neznamenají. FV-systém může znamenat stejnou nebo vyšší estetickou hodnotu i být atraktivní z hlediska image investora. Garantované výkupní ceny elektrické energie pocházející z obnovitelných zdrojů mohou objem FV-instalací urychlit. Obr. 5 ukazuje příklad nevyužité šance pro efektivní instalaci.

Podmínkou výraznějšího zvětšování objemu instalovaných FV-systémů je další systematické a profesně orientované vzdělávání v souvislosti s budovami - tedy orientované na architekty, konstruktéry, energetické specialisty, ale i na investory. K diskusi o vhodnosti užití konkrétního energetického systému, respektive jejich nejvhodnější kombinace, spolu s energeticky úsporným stavebním řešením je možné využívat některé z metod hodnocení celkové udržitelnosti (sustainability) [4], přinejmenším vyjádření diskutovaných variant pomocí primární energie. Z těchto úvah je také možno obecně odvodit vhodnost načasování instalací FV a FT systémů na období plánované stavební obnovy nebo změn stavby (obr. 6).

Tento příspěvek byl prezentován v rámci 2. české fotovoltaické konference.

ODKAZY

[1] LADENER, H., SPÄTE, F.: Solární zařízení. GRADA 2003
[2] TYWONIAK, J. Nízkoenergetické domy. Principy a příklady. GRADA 2005
[3] MORÁVEK, P., TYWONIAK, J. Soubor třinácti pasivních rodinných domů, Český ráj - Koberovy. In: Sborník mezinárodní konference Pasivní domy/Passivhäuser, Brno 2005
[4] www.substance.cz