Slunce - dobrý sluha, ale zlý pán

Původně jsme tento článek chtěli pojmout jako přehled technologií využívajících energii Slunce. V současné době jsou všechny technologie využití sluneční energie, jako jsou sluneční teplovodní kolektory, vzduchové kolektory či fotovoltaické články již notoricky známé. Proto jsme se rozhodli pojmout toto téma poněkud netradičně a nebudeme se zabývat ani tak využitím sluneční energie v budovách, jako spíše jejím nevyužitím. V této souvislosti nás napadla i uvedená parafráze známého rčení "oheň, dobrý sluha, ale zlý pán".

Důvody našeho počínání vyplývají zejména z našich zkušeností při řešení úloh energetického zásobování moderní kancelářské výstavby a v některých případech i rodinných domů či průmyslových objektů. Nové skutečnosti se projevují právě v souvislosti s navrhováním velkých prosklených ploch v moderní architektuře.

V běžných budovách se sluneční energie projevuje v kladném slova smyslu jako zdroj zajímavých tepelných zisků, které významně a přitom v pozitivním slova smyslu přispívají k energetické bilanci, a to i v jejím peněžním vyjádření.

Problémy nastávají však u moderní zástavby, kde v důsledku relativně značného prosklení, se začíná právě Slunce projevovat v negativním slova smyslu formou tepelné zátěže. V současné době, kdy kvalita výstavby, stavebních materiálů a kvalitní regulace umožňují využití pasivních zisků od osob, technologií a Slunce pro vytápění, problémy způsobuje právě spíše chlazení budov než jejich vytápění. Spotřeba chladu na eliminaci tepelné zátěže tvoří u kancelářských budov minimálně stejnou spotřebu jako energie na vytápění. Výše uvedené skutečnosti si můžeme poměrně snadno demonstrovat v následujícím příkladu.

KONSTRUKCE BUDOVY A VELIKOST PROSKLENÍ

Bez újmy na obecnosti budeme zkoumat segment č. 3 kancelářské budovy, viz Obrázek 1 a Obrázek 2. Na následujících příkladech je potom znázorněna citlivostní analýza tepelných zisků na velikosti plochy zasklení u dvou variant konstrukcí, lehké konstrukce s nízkou tepelnou setrvačností (case600 ≈ 90 kg.m^-2) a těžké, tj. s vysokou tepelnou setrvačností (case900 ≈ 310 kg.m^-2) . Budeme zkoumat závislost procenta prosklení a tepelného zisku (v kW) potažmo roční spotřeby chladu (v MWh) viz Obrázek 3.

Obrázek 1: Zkoumaný segment části administrativní budovy. [Kotek]

Obrázek 2: Poloha kanceláře administrativní budově. [Kotek]

¹ Poznámka: ČSN 730540-2 udává jako hranici mezi lehkou a těžkou konstrukcí 100 kg/m² počítaje všechny vrstvy od vnitřního líce až k tepelně izolační vrstvě.

Obrázek 3: Porovnání tepelných zisků (kW) a spotřeby chladu (MWh) u dvou posuzovaných objektů.
Lehká konstrukce (case600) x těžká konstrukce (case900). [Kotek]

Z obrázku Obrázek 3 je zřejmá citlivost zkoumaného segmentu budovy na velikost prosklení v procentech a na akumulační schopnosti konstrukce, což ovlivňuje tepelný zisk a roční spotřebu chladu. Z uvedeného příkladu zřetelně vyplývá, že lehká konstrukce s nižší akumulační schopností (červená křivka) je citlivější na plochu zasklení na jižní fasádě (větší strmost přímky).

Kromě toho těžká konstrukce (cca 310 kg.m^-2) snižuje tepelné zisky cca o 54% (o 1,6 kW) u 30% zasklení a u 98% zasklení téměř o 62% (cca o 4 kW) oproti lehké konstrukci právě vlivem akumulace chladu v nočních hodinách. Z pohledu celoroční bilance se u "lehké" stavby při 30% zasklení projeví nárůst spotřeby chladu cca o 31%, zatímco i při 98% zasklení se u těžké akumulační konstrukce projeví úspora až o 55%.

VELIKOST PROSKLENÍ, TEPELNÁ ZTRÁTA A SPOTŘEBA TEPLA

Další zkoumání se bude týkat citlivosti na velikost prosklení našeho modelu na tepelnou ztrátu a spotřebu tepla. Pro tyto účely využijeme jako v předchozím případě počítačovou dynamickou simulaci a budeme zkoumat citlivost modelu na plochu zaskleni na ostatních fasádách orientovaných dle hlavních světových stran (tentokrát pouze pro lehkou konstrukci case600). Uvedené jednotky v grafech na Obrázku 4 jsou pro tepelnou ztrátu a zisk v kW a pro dílčí spotřeby v MWh. Pro názornost je vše vyneseno do jednoho grafu.

Obrázek 4: Regresní přímky závislosti procenta zasklení jednotlivých fasádních stěn na spotřebu tepla, chladu a na max. tepelnou ztrátu a tepelný zisk.
(BESTEST-case600 - lehká konstrukce s nízkou tepelnou setrvačností cca 90 kg.m^-2). [Kotek]

Z Obrázku 4 je názorně vidět citlivost modelu na uvedené skutečnosti. Strmější přímky tepelných zisků poukazují na vyšší citlivost modelu na velikost prosklení oproti téměř horizontálním, které znázorňují tepelnou ztrátu a spotřebu tepla. To je patrné zejména u zkoumané východní a západní fasády na posledních dvou grafech, kde tepelné zisky překračují tepelné ztráty velmi rapidně. Model nám ukazuje jak na jižní fasádě spotřeba chladu převyšuje výhody tepelných zisků s rostoucí plochou zasklení, na rozdíl od fasády severní.

Podobný model lze sestavit i pro těžkou konstrukci, viz Obrázek 5.

Obrázek 5: Regresní přímky závislosti procenta zasklení jednotlivých fasádních stěn na spotřebu tepla, chladu a na max. tepelnou ztrátu a tepelný zisk.
(BESTEST-case900 - těžká konstrukce s vysokou tepelnou setrvačností cca 310 kg.m^-2). [Kotek]

Z výše uvedených grafů je patrné, že u těžké konstrukce klesá spotřeba tepla s exponenciální závislostí z důvodu tepelné setrvačnosti a akumulačních schopností stavební konstrukce. O spotřebě chladu můžeme stále říct, že závislost je lineární.

CELKOVÁ ENERGETICKÁ BILANCE

Celková shrnutí roční spotřeby energie (součet spotřeby chladu a tepla) a porovnání obou druhů konstrukcí u našeho zjednodušeného modelu ukazují Obrázek 6 a Obrázek 7.

Obrázek 6: Regresní přímky citlivosti procenta zasklení na celkovou roční bilanci lehké konstrukce (case600). [Kotek]

Obrázek 7: Regresní přímky citlivosti procenta zasklení na celkovou roční bilanci lehké konstrukce (case900). [Kotek]

Z výsledků je patrné, že těžká konstrukce je na tom v celkové energetické bilanci jednoznačně lépe, protože dokáže vyrovnávat prudké výkyvy energetických zisků.

SHRNUTÍ A ZÁVĚRY

Z výsledků uvedených počítačových simulací, byť zjednodušených modelů, závislosti prosklení a konstrukce budovy na tepelných ztrátách, spotřebě tepla, velikosti tepelných zisků a spotřebě chladu vyplývají velmi jednoznačné závěry. Je naprosto zřejmé, že zvětšující se prosklení konstrukcí má zejména u lehkých konstrukcí vliv na růst energetické spotřeby na vytápění a zejména na spotřebu chladu.

U těžkých konstrukcí je závislost rovněž zřejmá, ačkoliv vliv není tak značný, protože těžké konstrukce umožňují tento vliv částečně eliminovat.

Pokud bychom převedli energetickou bilanci do peněžního vyjádření získali bychom výsledky mnohem názornější, protože cena tepla na vytápění je mnohem nižší než cena výroby chladu.

Ve vší úctě k moderním směrů architektury se autoři tohoto článku domnívají, že v blízké budoucnosti, s ohledem na rostoucí ceny energií, se bude ochota platit za drahý provoz v moderních kancelářských budovách v čase snižovat.

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

[1] Kotek, P. (2008): Metoda MonteCarlo jako nástroj optimalizace energetické náročnosti budov. Disertační práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební.
[2] ES 2002/91 směrnice Evropského parlamentu a rady o energetické náročnosti budov (EPBD)
[3] Kotek, P. Heating and Cooling in Office Building, Workshop W2-510, Prague, Czech Republic, 2005, s. 11-15, ISBN 80-01-03409-7
[4] Kotek, P. Pasivní a aktivní systémy pro snižování tepelné zátěže, 2. Letní škola TZB, Zduchovice, Czech Republic, 2004, s.50
[5] IES (VE) 5.0.1. 2007. (http://www.iesve.com/) - fullversion - studentská verze energetického dynamického simulačního softwaru
[6] http://www.carbontrust.co.uk dokument ECG019
[7] http://www.eckelt.at prezentace systému DLS Ecklite Evolution