Trendy v solární tepelné technice (IV) - Fasádní solární kolektory

ÚVOD

Solární kombinované soustavy pro přípravu teplé užitkové vody (TUV) a vytápění se v České republice využívají především v nízkoenergetických případně energeticky pasivních domech, kde roční potřeba tepla na vytápění se blíží potřebě tepla na přípravu TUV. Jak již bylo naznačeno v úvodní části (viz článek Trendy v solární tepelné technice I), vyžadují tyto soustavy větší plochu kolektorů a větší objem akumulačního zásobníku než u běžných solárních soustav pro přípravu TUV. To vede k velkým energetickým přebytkům v letním období a problémům s přehříváním solární soustavy, pokud není možné přebytky odvést do bazénu, sušičky plodin či jiného smysluplného "spotřebiče tepla". K přehřívání solární soustavy dochází při chodu naprázdno (tzv. stagnace), kdy na kolektor dopadá dostatek sluneční energie, nicméně oběhové čerpadlo je regulátorem blokováno z důvodu dosažení maximální teploty v akumulačním zásobníku (bezpečnostní termostat). Stagnační teploty, které mohou v selektivních kolektorech dosahovat hodnot až 180 °C, vede k různým provozním problémům (únik teplonosné látky, zavzdušnění soustavy, pokles tlaku apod.) a k možné degradaci materiálů (zvláště nemrznoucí teplonosné látky) a prvků použitých v solární soustavě (zvláště při nevhodném návrhu).

Solární kombinované soustavy tak nastolují dvě základní otázky - jak dosáhnout dostatečného ročního solárního podílu a na druhé straně jak se vyvarovat problémů se stagnací vlivem nevyužitelných energetických přebytků v letním období. Jedním z řešení může být integrace solárních kolektorů do svislé obálky budovy, namísto jejich tradiční instalace na střechu pod "optimálním" sklonem.

INTEGRACE KOLEKTORU DO FASÁDY

Fasádní solární kolektor představuje běžný plochý selektivní kolektor instalovaný přímo na fasádu budovy bez tepelného oddělení absorbéru od vrstvy tepelné izolace fasády, např. ve formě větrané vzduchové mezery. Solární kolektor je tak tepelně svázán přímo s konstrukcí fasády (viz obr. 1).

Obr. 1 - Fasádní solární kolektor

Integrace do fasády přináší několik základních výhod v porovnání s kolektory instalovanými samostatně mimo obálku budovy (před obálkou, na nosné konstrukci na skloněné nebo rovné střeše). Kromě základní funkce solárního kolektoru slouží fasádní kolektor i jako ochranná vrstva fasády před atmosférickými vlivy a částečně zlepšuje tepelné vlastnosti stavební konstrukce budovy díky k pasivním tepelným ziskům od kolektoru v otopném období. Kromě toho je fasádní kolektor esteticky přijatelným řešením, zatímco kolektorové pole instalované na nosné konstrukci na střeše (ploché, šikmé) vytváří na budově často cizorodý prvek (průmyslový vzhled budovy).

Kolektor integrovaný do fasády vykazuje v porovnání se samostatně instalovaným kolektorem s optimálním sklonem 45° nižší součinitele přestupu tepla, zvláště u volného proudění ve vzduchové mezeře mezi zasklením a absorbérem (snížení přibližně na 80 %), u proudění způsobeného větrem (na 60-80 %) a významné snížení součinitele prostupu tepla zadní a boční části kolektoru v závislosti na tepelné izolaci fasády. Integrace přináší kvalitativní zlepšení energetické účinnosti přeměny slunečního záření a výrazně nižší tepelné ztráty při zvýšeném teplotním rozdílu mezi kolektorem a okolním vzduchem (viz obr. 2).

Obr. 2 - Křivky účinnosti fasádních kolektorů (90°)
a kolektoru umístěného na střeše (45°)

Na druhé straně, umístění fasádního kolektoru (90°) vede ke snížení roční dopadlé sluneční energie (dávky ozáření H_s,r) o 30 % v porovnání s optimálním sklonem 45° v podmínkách České republiky (viz obr. 3). Profil slunečního ozáření v průběhu roku vykazuje velké rozdíly mezi letními špičkami a zimním obdobím u střešních kolektorů (45°), zatímco u fasádního kolektoru je profil relativně rovnoměrný, více odpovídající profilu potřeby tepla pro TUV (vyznačeno v grafu na obr. 3), případně pro vytápění, během roku.

Obr. 3 - Profily ročních dávek ozáření H
na plochy se sklonem 45° a 90°

KOMBINOVANÁ SOUSTAVA S FASÁDNÍM KOLEKTOREM

Na obr. 4 je zobrazeno porovnání aplikace fasádního solárního kolektoru s instalací kolektoru na střeše. Uvažovaná kombinovaná solární soustava slouží pro nízkoenergetický rodinný dům s měrnou roční spotřebou tepla na vytápění 49 kWh/m² a průměrnou denní potřebou 200 l teplé užitkové vody. Soustava má akumulační zásobník tepla o objemu 600 l. Soustava s fasádním kolektorem a soustava s kolektorem na střeše 45° jsou porovnány z hlediska dosažitelného solárního podílu f (-) a stagnačního podílu b_st (-), jde vlastně o doplnění grafu na obr. 2 v části Trendy I.

Obr. 4 - Porovnání kombinované solární soustavy
s fasádním a střešním kolektorem

Z grafu je patrné, že pro běžnou návrhovou plochu solárního kolektoru A_c = 10 m² vzhledem k velikosti akumulačního zásobníku dosahuje solární soustava s fasádním kolektorem stejný solární podíl jako soustava s kolektorem na střeše. Nicméně fasádní kolektor během roku vykazuje mnohem nižší stagnační podíl, tj. mnohem kratší dobu stagnace, cca 15 h/rok oproti 260 h/rok u střešního kolektoru. U kombinovaných solárních soustav pro nízkoenergetické domy se tak integrací kolektoru do fasády dosahuje stejných energetických parametrů jako u tradičních střešních instalací, nicméně eliminuje se potenciální riziko provozních problémů spojených se stagnačními podmínkami, které jsou důsledkem předimenzované kolektorové plochy v letním období.

Integrací solárních kolektorů do optimálně skloněné střechy, která má stejné tepelně-technické parametry jako fasáda (R = 6 m².K/W) a se stejnými parametry solární soustavy, se sice solární podíl zvýší o cca 3 %, nicméně ještě více naroste množství mařených přebytků energie a stagnační podíl než u instalace na střechu.

SOUČASNÝ STAV

Integrace solárních kolektorů do fasády nemá v České republice zatím výraznou tradici. Z velkoplošných instalací jsou známy pouze dvě instalace (Dům sociální péče v Mariánských horách v Ostravě, SOU v Břeclavi). Často naráží na překážky technického rázu [2], ale možná ještě více na konzervativní přístup úzce specializovaných montážních firem společně s obavou převzít zodpovědnost za dílo. Obdobným problémem je u nás i integrace kolektorů do střech. Integraci do stavební konstrukce je samozřejmě nutné řešit vždy ve spolupráci se stavebním řešením objektu (architekt, stavební inženýr) ve fázi projektu a realizace. Zdá se, že takový způsob spolupráce není v ČR zatím příliš rozšířen. Pokud pohlédneme do sousedního Rakouska s rozvinutým solárním trhem, překážky integrace a obavy jakoby zázrakem zmizí. Integrace do fasád je takřka běžným řešením, existuje řada výrobců a montážních firem fasádních kolektorů. Řeší se pouze technicky "nepodstatné" otázky esteticky přijatelného zabarvení kolektorů.

LITERATURA

[1] Matuška, T., Šourek, B.: Solar systems with facade-integrated collectors. Proceedings of the 2005 Solar World Congress. ISES/ASES 2005. ISBN 0-89553-177-1.

[2] Peterka, J: Fasáda ze slunečních kolektorů. Topenářství instalace, roč. XXXIX, č. 4, str. 16-17. Technické vydavatelství Praha 2005. ISSN 1211-0906.