Ekodomy: využití obnovitelné energie a akumulace z dob, kdy je ještě nikdo nevyžadoval

Ekodům, energeticky soběstačná (nebo efektivní) budova… termíny, jejichž frekvence se v diskusích a médiích rok od roku zvyšuje s tím, jak rostou ceny energií a (snad) i ekologické cítění jejich konzumentů. Některá dnes už historická konkrétní řešení si zaslouží být zaznamenána pro budoucí historiky naší pozdní doby fosilní, vyznačující se tím, že zdroje, ukládané miliony let pod zemským povrchem těžíme a spalujeme neporovnatelně rychleji. Co vznikalo miliony let, stihneme využít, častěji však zneužít, za pár století. A polovinu éry spalování těchto zásob máme již zcela jistě za sebou…

Uvádíme několik dnes již historických příkladů ekologicky přijatelných a energeticky efektivních objektů s různým účelem jejich využití.

„Na střeše domu umístěný větrák vyrábí a shromažďuje v akumulátorech na půdě elektřinu, která se i do sousedních domů rozvésti dá… Větrný motor nashromáždí Vám do zásoby pomocí akumulátorů tolik elektřiny, že možno ji upotřebiti k osvětlování celého okolí, aniž potřebujete k tomu hřmotících parních strojů, jež naše nervy otřásají a jichž komíny okolí hyzdí a kouř kolem nás vzduch otravuje.“ (Originální text z katalogu Vodotěžba, před r. 1905). Foto © Břetislav Koč

1905: Tehdy se tomu tak ještě neříkalo…

Roku 1883 založil Antonín Kunz v Hranicích továrnu na malou zemědělskou techniku. Brzy se však jejím hlavním produktem stala větrná čerpadla a po celém tehdejším Rakousko-Uhersku jich postavil stovky až tisíce. Jeho větrné turbíny systému Eclipse, vynalezené r. 1867 Američanem Leonardem H. Wheelerem nalezly uplatnění vedle prvoplánového čerpání vody také k mechanickému pohonu jiných zařízení zejména v oblastech a lokalitách, kam ještě nedosáhla elektrifikace.

Firma „První Moravská továrna na vodovody a pumpy Ant. Kunz v Hranicích na Moravě“ měla i dobře propracovaný marketing. Účastnila se na hospodářských výstavách, vydávala katalogy svých produktů i s příklady jejich využití. Právě v jednom z katalogů „Vodotěžba – využijte síly větru“, vydaného před rokem 1905, je zobrazen alespoň částečně energeticky soběstačný dům. Větrné kolo s průměrem 5,5 až 10 metrů mechanicky pohání nejen pumpu k čerpání vody do „reservoiru“ pod střechou a šrotovník pro drcení obilí pro hospodářská zvířata a po prosetí třeba i mouku na buchty. Nejen to; pohání i dynamo, dodávající přes akumulátory elektřinu ke svícení. „Nechť přijde vítr z kterékoliv strany a v jakékoliv síle, využitkuje se k vyrábění elektřiny, která se v akumulátorech do zásoby nashromáždí a odkudž tuto k osvětlení a k libovolným účelům můžeme rozváděti.“

Elektrický systém byl proveden tak, že „veškeré pojistné výstroje jsou dle osvědčených způsobů na drahách k osvětlení vagonů, syst. Ing. Emil Dick, sestaveny, takže je přebití akumulátorů nemožné“.

I když ekologické argumenty začátkem 19. století určitě nebyly motivací a „imperativem doby“, lze je alespoň v náznaku najít. A proto si jeho projekt (a možná i realizace) zaslouží zařadit do historie eko-objektů.

Podolí u Brna: ekodům VÚES

V polovině 90. let minulého století byl na západním okraji obce Podolí u Brna postaven experimentální objekt – Ekodům VÚES. Iniciátorem projektu byl RNDr. Vojtěch Orel, CSc., z tehdejšího Výzkumného ústavu elektrických strojů točivých v Brně. Původně měl ekodům stát nedaleko vysokoškolského areálu brněnské techniky. Dům by byl na očích veřejnosti a hlavně studentům, budoucím inženýrům různých oborů a mohl je inspirovat k jejich pracem, ovlivnit jejich vědomí, uvažování a budoucí rozhodování v inženýrských, projektantských i manažerských postech. Projekt však nezískal povolení ke stavbě ani na dalších vhodných lokalitách přímo v Brně, pozemky měnily díky restitucím majitele a na dalších byla stavební uzávěra (a záhy na nich rostly jiné stavby…).

V Podolí naproti tomu stačily necelé dva měsíce od prvního kontaktu na to, aby bylo kde stavět. Malá obec stranou dálnice z Brna na Olomouc tak především díky tehdejšímu starostovi M. Lorencovi projevila pro průkopnickou stavbu více pochopení než velké Brno.

Hlavním tématem Ing. Orla byly vzduchové solární kolektory jako investičně nejméně náročný způsob využití solární energie. Získaný ohřátý vzduch by byl využíván při větrání nebo vytápění objektu. Ekodům měl v reálné stavbě umožnit měření výkonových charakteristik vzduchových kolektorů různých typů a z různých materiálů, a celkovou účinnost systému jejich propojení s rekuperací vzduchu a akumulací tepelné energie.

Schéma uspořádání solárního tepelného systému a akumulace tepla v ekodomu v Podolí u Brna. Foto © Břetislav Koč

Podolí pův. stav 1994. Foto © Břetislav Koč

Vzduchové kolektory ekodomu VÚES byly součástí jižně orientované šikmé čelní stěny objektu se sklonem 60 ° proti základně. V dané lokalitě je v celoroční bilanci tento sklon ideální včetně jarního a podzimního období (únor–březen, říjen–listopad). Kolektory měly jednoduchou konstrukci a umístění. Mezi nosné trámy šikmé sluneční stěny byly vsazeny další dva okenní rámy, takže vznikly dva souběžné vertikální kanály. Na těchto oknech – kolektorech byly nalepeny absorpční fólie různých typů a z různých materiálů s různou absorpční schopností. Vzduch byl do kolektorů nasáván z interiéru objektu a výstupy ohřátého vzduchu byly vyvedeny do společného kanálu v půdním prostoru. Ventilátor pak přes rozvaděč umožňoval směřovat vzduch do ventilačního systému domu, nebo k akumulaci tepla.

Jako akumulátor sloužil štěrkový zásobník se 70 m³ (120 t) suchého štěrku uvnitř objektu. Systém byl doplněn i vnějším v zemi zapuštěným vodním akumulátorem tepla. V případě potřeby bylo možné teplo ze zásobníků čerpat a vhánět do interiéru objektu prostřednictvím tepelného čerpadla. V celém objektu ekodomu s půdorysnou plochou 22×10 m a obestavěným prostorem 2 500 m³ bylo instalováno 120 různých čidel a 80 teploměrů, propojených s regulačními systémy tepelného vybavení stavby. Objekt pak několik let poskytoval údaje o reálném provozu celého systému a stal se také cílem exkurzí nejen pro studenty souvisejících oborů.

Podle sdělení současného starosty obce byl ekodům kolem r. 2015 prodán k přestavbě na ubytovací zařízení. V té době už byly technologie nefunkční. Majitelka objektu však při nyní probíhající rekonstrukci počítá při přestavbě s využitím tepelného čerpadla pro ohřev vody, částečně se solárními teplovodními panely a s obnovením fotovoltaiky. Ostatní nefunkční technologie byly odstraněny.

Milan Horáček, iniciátor vzniku solárního ekopavilonu na Barrandově.
Foto © Břetislav Koč

Solární ekopavilon na Barrandově

Po srpnu 1968 emigroval do tehdy tzv. západního Německa Milan Horáček. Vystudoval politologii a byl u vzniku německé Strany zelených. V jejím dresu se stal zastupitelem ve Frankfurtu, poslancem Spolkového sněmu a r. 2004 i poslancem Evropského parlamentu. Po návratu do Československa dokázal z prostředků Nadace Heinricha Bölla zajistit prostředky na stavbu solárního ekopavilonu v atraktivní lokalitě Terasy v Praze-Barrandově na pozemku rodiny Havlových, kteří jej poskytli za symbolických podmínek.

Solární ekopavilon byl postaven v letech 1993–4 v areálu tehdy ještě provozované restaurace Terasy Barranov. Nebyl zamýšlen ani stavěn jako stoprocentní, plně funkční a trvale obyvatelný ekodům, ale především jako stánek pro popularizaci a šíření poznatků o možnostech energetických úspor. Některé z nich měl demonstrovat i vlastním příkladem.

Stavba musela být snadno demontovatelná, počítalo se s její dočasností. Objekt ze dřeva, skla a oceli měl dvě výrazně odlišné tváře. Jeho jižní stranu tvořila prosklená stěna i unikátní skleněná střecha, která byla současně rozměrným kolektorem, sběračem sluneční energie. K severu byl pavilon otočen dobře izolovanou stěnou s malými okénky, aby z objektu na této zastíněné straně unikalo co nejméně tepla. Uvedené energetické řešení mělo zajistit tepelnou pohodu pro většinu roku. Pro zimní provoz však nebyl pavilon konstruován.

Solární ekopavion na Barrandově – celkový pohled, interiér a detail teplovodního systému s Fresnelovými čokčkami a rámem s trubicemi, v nichž se ohřívá voda. Foto © Břetislav Koč

Střecha pavilonu byla na první pohled nápadná snad jen tím, že její jižní část byla skleněná. To však vystihovalo jen její materiálovou podstatu, nikoliv funkci. Celkem 60 m² její plochy tvořily skleněné panely s podélně vylisovanými plochými Fresnelovými čočkami. Ty soustředily dopadající sluneční paprsky do svého ohniska ve vzdálenosti asi 40 cm, kde byly umístěny hliníkové absorbéry energie, v nichž se ohřívala voda, určená k  vytápění objektu i k přímé potřebě. Původním záměrem bylo dodávat teplou užitkovou vodu i do sousedící restaurace Terasy Barrandov, ta však v době stavby ukončila provoz.

Systém absorbérů byl sestaven do rámu, který se automaticky posouval a kopíroval pohyb Slunce na obloze tak, aby byly jeho paprsky stále soustředěny na linie absorbérů. Pohyb systému řídila automatika, jejíž elektromotorky byly napájeny energií, získanou fotovoltaickými panely a uloženou v akumulátorech. Konstruktérem celého systému byl inženýr Vladimír Jirka, dalšími autory návrhu stavby byli Ing, arch. Eugen Řehoř a RNDr. Miroslav Malý.

Ekopavilon se stal zázemím pro přednášky a výstavy s energetickou tématikou pro laickou veřejnost i pro odborníky a také cílem školních exkurzí a živého vyučování. Této funkci byla věnována největší část vnitřní plochy pavilonu. Na pozemku před pavilonem vznikla i ukázková biozahrada a od roku 1994 byl pořádán biojarmark ekofarem, který sem vždy na podzim lákal další skupiny zájemců.

Z finančních i časových důvodů došlo během stavby k některým změnám, které se na předpokládaných energetických efektech negativně podepsaly. Zcela byla vypuštěna vzduchotechnika, která měla odvádět „přebytečné“ teplo pod střechou do podlahového topení. Také další chyby se staly alespoň poučením. Dodavatelé technologií navyšovali ceny svých prací a produktů, nebyly dodrženy některé materiálové a výkonové položky na použité technologie podle projektu. V tepelné bilanci energeticky efektivních budov hrají roli i barvy, takže podlaha z bílých dlaždic dopadající sluneční paprsky odrážela, zatímco zamýšlená hnědá barva podlahy je měla měnit na teplo. Elektrické přitápění, projektované na 22 kW, bylo redukováno na 8 kW, aby se ušetřilo za elektrickou přípojku. O kotli na dřevo a tepelném čerpadle se jen uvažovalo. Nadace Heinricha Bölla nechtěla víc investovat také pro předem danou neurčitou dočasnost stavby. Ta byla naplněna výpovědí a pavilon byl poté demontován.

Fotobioreaktor Nové Hrady: ze skleníku opět skleník

O unikátním projektu fotobioreaktoru v areálu zámku v Nových Hradech v jižních Čechách je možné referovat ze dvou pohledů: jak byl zachráněn historický zámecký skleník, zchátralý časem a necitlivě využívaný jako tělocvična a jak díky ojedinělé, citlivé a památkářsky přijatelné konverzi dostal objekt znovu funkci skleníku. V tomto případě s technologiemi a jejich využitím z třetího tisíciletí.

Původní skleník – oranžérie v areálu empírové zámecké rezidence rodu Buqoyů byl postaven, jak prozrazuje kamenná deska nad původním vchodem do objektu, roku 1715. Roku 1985 bylo jeho torzo dostavěno pro potřebu tělocvičny střední zemědělské školy. Roku 2005 se objekt znovu stal skleníkem – i když se zásadním kvalitativním posunem celého systému jímání i konečného vyžití sluneční energie k biologickým procesům. Z objektu se stala „skleníková hala“ jako unikátní vědecká poloprovozní laboratoř a také příklad ojedinělé konverze stavební památky pro nové využití.

Podoba bývalého zámeckého skleníku před a po rekonstrukci na objekt fotobioreaktoru a detail bočního vchodu s originální pamětní deskou z doby stavby skleníku. Foto © Břetislav Koč

Nová skleníková hala zachovala původní půdorys, hmotu i účel stavby. Projekt byl předmětem konzultací a schválení Státním památkovým ústavem v Českých Budějovicích pro potřeby Centra biologických technologií Ústavu fyzikální biologie Jihočeské univerzity a Akademického a univerzitního centra Nové Hrady. Projektantem celé rekonstrukce a vestavby laboratoří byl Ing. arch. Eugen Řehoř, Architektonická dílna z Prahy.

Charakteristickou podobu stavby určuje její prosklená jižní fasáda, přecházející v prosklenou jižně orientovanou část střechy. Podstatnou část čelního i střešního prosklení tvoří koncentrační solární kolektory s lineárními Fresnelovými čočkami, které soustřeďují sluneční paprsky do ohnisek v podobě linií. V ohniscích se pohybují rámy se systémem skleněných trubic, v nichž proudily kultivační roztoky pro výzkum fotosyntézy a kultivaci speciálních kmenů řas a sinic. Právě v tomto bodě se setkal historický účel stavby s novým využitím.

Ing. Vladimír Jirka, spoluautor projektu solárních systémů fotobioreaktoru v Nových Hradech. Foto © Břetislav Koč

Laboratoře s tepelnými a kultivačními systémy fotobioreaktoru v patře bývalého zámeckého skleníku. Foto © Břetislav Koč

Fotobioreaktor v Nových Hradech možná předběhl dobu jak po stránce sestavy solárních technologií jako takových, tak i hlavním tématem výzkumů – kultivací řas. Přesto mohou mít zkušenosti z Nových Hradů, byť zdánlivě negativní, význam i pro nejbližší budoucnost. Vždyť o potenciálu řas se ve světě uvažuje a bádá v energetických, krmivářských i potravinářských souvislostech. A budou tedy hledány nejvýhodnější druhy řas i technologie jejich kultivace a využití.

Výzkum v tomto oboru dál pokračuje v Třeboni ve spolupráci s neziskovými organizacemi ENKI a ENVI. Podle Ing. Jirky budoucnost pracoviště v Třeboni je víceméně závislá na tom, zda se podaří uspět s projekty a získat grant s investičními možnostmi.