79 Solární soustavy s vysokým pokrytím

1/79

Solární soustavy s vysokým pokrytím  soběstačnost  průběh teplot v zásobníku  návrh soustavy  integrace solárních kolektorů do obálky budovy

2/79

Nulová x soběstačná budova  energeticky nulová budova  není budova bez potřeby vytápět  není budova bez potřeby vnější energie  bilančně nulová z hlediska potřeby primární energie  roční potřeba je kompenzována roční produkcí s využitím externí sítě – významná interakce s externí sítí

 energeticky soběstačná budova  potřeba energie je kompenzována produkcí/akumulací  místním zdrojem v každém okamžiku / v každé hodině  minimalizace interakce s externí sítí, zvýšení nezávislosti

3/79

Co znamená „místní“?  budova obálka domu jako hranice  pozemek, zahrada plot jako hranice  správní území (distrikt) územní jednotka, čtvrť, obec, ...  ČR, Evropa ...

vlastnické právo

4/79

Jaké zdroje energie jsou místní?  sluneční energie - solární zařízení  solární termické soustavy

 solární fotovoltaické systémy  energie okolního prostředí - tepelná čerpadla

 využití energie okolního vzduchu  využití energie zemského masivu, vč. spodní vody  využití sluneční energie  akumulace (tepla, elektřiny)

5/79

Solární domy se 100% pokrytím  pokusy a realizace 30. léta v USA  nárůst experimentů v pol. 70. let

 IEA – Solar Heating and Cooling Programme:  1989-1994: Task 13 – Advanced Solar Low Energy Buildings  1998-2002: Task 26 – Solar Combisystems  2003-2006: Task 32 – Advanced Storage Concepts for Solar and Low Energy Buildings

 2008-2013: Task 40 – Net Zero Energy Solar Buildings  2009-2012: Task 41 - Solar Energy and Architecture

6/79

Prehistorie solárních domů v ČR Experimentální nízkoenergetický dům VUES v Podolí u Brna 1994-1997 330 m2, 2300 m3

70 %

45 cm plná cihla, 20 cm izolace tepelná ztráta 10 kW vzduchový kolektor 24 ks kapalinových vakuových kolektorů Thermosolar 2 vodní zásobníky á 50 m3 pouze pro podlahové vytápění

21.1.2010

4 900 000 Kč

přímo nebo přes TČ

7/79

Solární aktivní domy  European Solar Thermal Technology Platform 2006  ESTIF, EUREC

http://www.esttp.org

 solární tepelné soustavy jako hlavní OZT pro nízkoteplotní aplikace  podpora technologického vývoje, vytipování oblastí výzkumu  cíl do 2030:  pokrýt 50 % nízkoteplotní potřeby tepla v Evropě  solární aktivní domy se 100% pokrytím potřeby tepla a chladu jako stavební standard pro novostavby

 solární rekonstrukce domů: 50% pokrytí potřeby tepla a chladu

8/79

Solární aktivní dům

9/79

Akumulace tepla  akumulace tepla – klíčová otázka  potřeba vysoké hustoty akumulace, bezztrátové  citelné teplo: 100 až 300 MJ/m3  využití tepelné kapacity, změna teploty

 latentní teplo: 200 až 500 MJ/m3  skupenské teplo tání-tuhnutí

 sorpční teplo: 500 až 1000 MJ/m3  akumulace vodní páry: adsorpce, absorpce

 chemické teplo: 1000 až 3000 MJ/m3  vratné chemické reakce: jímání / uvolňování tepla

10/79

Základní problém 2000 potřeba tepla Qv dopadlá sluneční energie Qs

v = Q s sezónníQakumulace 1000

sluneční energie !!!

500

prosinec

listopad

říjen

září

srpen

červenec

červen

květen

duben

březen

únor

0

leden

Q v, Q s [kWh]

1500

11/79

Solární tepelné soustavy  běžná konfigurace – spořič tepla  úsporné opatření, částečné pokrytí potřeby tepla

 snižuje energetickou náročnost přípravy teplé vody, případně vytápění

Druh solární soustavy

pokrytí [%]

roční zisky [ kWh/m2 ]

Solární ohřev vody Vytápění a ohřev vody

40 až 60 10 až 30

350 až 500 300 až 400

12/79

Solární tepelné soustavy  hlavní zdroj tepla – 100% pokrytí  sezónní akumulace solárních zisků – přenesení z léta do zimy

 výrazně předimenzovaná plocha kolektorů a objem zásobníku  ekonomicky problematické řešení, zvláště pro soustavy „vytápění a přípravy teplé vody“  čím vyšší pokrytí potřeby energie solární soustavou (= vyšší úspora emisí)

 tím nižší měrný energetický zisk (= horší ekonomika)  100% pokrytí = měrné zisky pod 200 kWh/m2.rok

13/79

100 % pokrytí 100

září-říjen

90

teplota v akumulátoru [°C]

80

30 K

70 60

60 K

50 40 30

březen-duben

20

pouze vytápění vytápění a příprava TV

10 0 0

30

60

90

120

150

180

dny

210

240

270

300

330

360

14/79

100% pokrytí vytápění a TV  v každém okamžiku je k dispozici dostatek energie o požadované teplotní úrovni  nízká potřeba tepla na vytápění, nízkoteplotní otopná soustava, využití pasivních solárních zisků  nízká potřeba tepla na přípravu TV, vysoce úsporné armatury, nízká teplota TV (35-37 °C) Sonnenhaus Diergardt

15/79

Rodinný dům Regensburg

Sonnenhaus Lehner, DE 38 m3, 83 m2, 2006

zdroj: Jenni Energietechnik

16/79

zásobník (etc) kolektory

1 200 000 Kč 500 000 Kč

celkem odhad:

1 700 000 Kč

zdroj: Sonnenhaus Institut

17/79

Rodinný dům Regensburg

zdroj: Sonnenhaus Institut

18/79

Bytový dům Oberburg

Oberburg Sonnenhaus, CH 8 bytových jednotek 205 m3, 276 m2, 2005

zdroj: Jenni Energietechnik

19/79

100% vytápění a příprava teplé vody

zdroj: Jenni Energietechnik

20/79

100% vytápění a příprava teplé vody

21/79

Sezónní akumulace pouze pro vytápění  simulační analýza  dům: objem 500 m3, plocha 150 m2  standard  nízkoenergetický dům

35 kWh/m2.rok

 pasivní dům

15 kWh/m2.rok

 otopná soustava  vysokoteplotní

50/44 °C

 nízkoteplotní

25/22 °C

 běžné ploché kolektory  zásobník vodní, uložený v zemi, izolace 50 cm

22/79

Sezónní akumulace pouze pro vytápění

23/79

Nízkoenergetický dům (100 %) 100

150

pokrytí 100 %

pz

80

120

60

90

Ak

Ak [m2] 40

pz [%] 60

pz

20

30 25/22 °C

Ak

50/44 °C

0

0 0

50

100

150

V a [m3]

200

250

300

24/79

Pasivní dům (100 %) 100

300 25/22 °C

pokrytí 100 %

pz

50/44 °C 80

240

60

180

Ak [m2]

pz [%]

pz

40

120

Ak 20

60

Ak

0

0 0

50

100

150

V a [m3]

200

250

300

25/79

NED – nákladové optimum 1400

varianta NED 1200

1000

125 m3 / 42 m2

Ni [tis.Kč] 800

75 %, 25/22 °C 100 %, 25/22 °C

600

75 %, 50/44 °C 100 %, 50/44 °C

400 0

50

100

100 m3 / 22 m2

150

V a [m3]

200

250

300

26/79

PAS – nákladové optimum 1000

varianta PAS 800

80 m3 / 24 m2

Ni [tis.Kč] 600

75 %, 25/22 °C

400

100 %, 25/22 °C 75 %, 50/44 °C 100 %, 50/44 °C

200 0

50

40 m3 / 15 m2

100

150

V a [m3]

200

250

300

27/79

Souhrnné výsledky typ domu pokrytí

Nízkoenergetický dům

Pasivní dům

100 %

75 %

100 %

75 %

100 m3/22 m2

60 m3/17 m2

40 m3/15 m2

40 m3/9 m2

630 tis. Kč

470

380 tis. Kč

290

125 m3/42 m2

80 m3/28 m2

80 m3/24 m2

40 m3/18 m2

990 tis. Kč

680

620 tis. Kč

430

25/22 °C

50/44 °C

nízkoteplotní vytápění: snížení nákladů o 40 % (100% pokrytí) pokrytí 100 %: zvýšení nákladů o 35 až 45 % oproti 75 %

28/79

Závěry analýzy „pouze vytápění“ Pro variantu pasivního domu PAS s nízkoteplotní otopnou soustavou:

 40 m3 vodního objemu zásobníku  14 m2 pro 100% pokrytí  investiční náklady > 400 tis. Kč  solární soustava se sezónním zásobníkem pro krytí vytápění představuje pro pasivní variantu rodinného domu zhruba 5 až 10 % ceny rodinného domu.  návratnost investice se pohybuje v řádu běžné životnosti solární soustavy.

29/79

Sezónní akumulace pro sídliště

společná akumulace pro soubor domů nížší ztráty, vyšší využitelnost centrální zdroj tepla, vyrovnání špiček – nižší emise

30/79

Případová studie – sídliště RD  6 řad x 9 rodinných domů = 54 domů

á 150 m2

 běžný standard: 12 MWh/rok

80 kWh/(m2.rok) (648 MWh/rok)

55/45 °C

 nízkoen. standard 7,5 MWh/rok

50 kWh/(m2.rok) (405 MWh/rok)

45/37 °C

 pasivní standard: 3 MWh/rok

20 kWh/(m2.rok) (162 MWh/rok)

35/30 °C

 příprava TV: 2.4 MWh/rok

50 l/(os.den) (129 MWh/rok)

55 °C

celková plocha jižních střech = 2900 m2

31/79

Cíle studie  pro zadané solární pokrytí 100 %  stanovit návrhové parametry  plocha solárních kolektorů Ak  objem sezónního akumulátoru Vs

 stanovit energetické přínosy

31/65

32/79

Stanovení návrhových parametrů  předpoklady  solární soustava dodává požadované množství tepla pro zajištění definovaného ročního pokrytí celkové potřeby tepla;  solární zásobník tepla pracuje v ustáleném provozu, teploty v zásobníku na konci každého ročního cyklu jsou stejné (v zásobníku se trvale meziročně nesnižuje nebo nezvyšuje teplota);  zásobník je optimálně využit, solární soustava nestagnuje a tím se nesnižují potenciálně dosažitelné zisky.

33/79

Parametry simulace (TRNSYS)  solární kolektory  ploché: h0 = 0,75; a1 = 3,5 W/(m2.K); a2 = 0,015 W/(m2.K2)  orientace jih, sklon 45°  plocha podle požadovaného solárního pokrytí

 sezónní akumulátor  nadzemní zásobník tepla  tepelná izolace 30 cm / 0,04 W/(m.K)  maximální teplota 85 °C  objem podle plochy kolektorů, požadovaného solárního pokrytí, maximalizace využití tepelné kapacity zásobníku 33/65

34/79

Parametry simulace (TRNSYS)  rozvody kolektorového okruhu  lepší izolační standard  dimenze podle navržené plochy kolektorů

34/65

35/79

Průběh teploty v sezónním zásobníku 25 %

100 %

35/65

36/79

Výsledky pro 100% pokrytí

STA

LOW

PAS

plocha kolektorů [m2]

4000

3500

3100

objem zásobníku [m3]

40000

38000

37000

měrné solární zisky [kWh/(m2.rok)]

209

169

113

průměrná teplota zásobníku [°C]

64

66

67

podíl tepelných ztrát solární soustavy [%]

56

63

75

37/79

Výsledky jinak ... plocha kolektorů kolektory

STANDARD

NÍZKOENER.

PASIVNÍ

pokrytí 25 %

460

310

175

pokrytí 50 %

1 000

650

400

pokrytí 75 %

1 620

1 050

635

pokrytí 100 %

4 000

3 500

3 100

pasivní standard snižuje celkovou investici pro vysoké solární pokrytí je už rozdíl malý

38/79

Výsledky jinak ... objem

STANDARD

NÍZKOENER.

PASIVNÍ

pokrytí 25 %

1 300

700

110

pokrytí 50 %

4 500

2 600

1 000

pokrytí 75 %

8 000

5 000

2 500

pokrytí 100 %

40 000

38 000

37 000

pasivní standard snižuje celkovou investici pro vysoké solární pokrytí je už rozdíl malý

39/79

Návrhové parametry

40/79

Provozní parametry

400 až 500 kWh/(m2.rok) 100 až 200 kWh/(m2.rok)

41/79

Provozní parametry

60 až 75 %

15 až 25 %

42/79

Diskuse  snaha o velmi vysoké pokrytí (100 %)  v nejnepříznivějším období (březen) musí být v zásobníku teplota pro bezpečnou přípravu teplé vody (65 °C)  nízké využití akumulační schopnosti zásobníku – velký objem  celoročně vysoká provozní teplota v zásobníku – velký podíl ztrát  nízká účinnost kolektorů a celé soustavy (10 až 20 %) příliš velké plochy a objemy – investiční náročnost x přínos plocha kolektorů pro 100% pokrytí > plocha střech domů

 pasivní domy  horší provozní parametry – větší podíl přípravy „náročné“ teplé vody

 nižší návrhové parametry (absolutní hodnoty)

43/79

Návrh solární soustavy se 100% pokrytím  výpočet potřeby tepla na vytápění  EN ISO 13790

 zjednodušeně denostupňová metoda (z tepelné ztráty)

Q p ,VYT ,mes

 t i ,p t e ,p    24  d    Qz  t iv t ev 

kWh/měs

 výpočet potřeby tepla na přípravu TV

Q p ,TV ,mes

d  V    c  tTV  tSV   3,6  106

kWh/měs

44/79

Teoreticky využitelný zisk kolektorů  teoreticky využitelný tepelný zisk Qk,u [kWh/m2] solárních kolektorů v daném období (měsíc)

Qk,u  0,9 hk  H T,mes  Ak  1  p 

kWh/měs

 skutečná denní dávka slunečního ozáření plochy kolektoru HT,měs  tabulky v TNI 73 0302– jednotné klimatické údaje  účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci hk  tepelné ztráty solární soustavy - paušální procentní srážka p = 0,5

45/79

Účinnost solárního kolektoru  účinnost solárního kolektoru hk (střední měsíční účinnost)

hk  h0  a1 

t k,m  t e,s GT,m

 a2

2  t k,m  t e,s  

GT,m

 pro průměrnou venkovní teplotu v době slunečního svitu te,s  tabulky v TNI 73 0302 – jednotné klimatické údaje  pro střední sluneční ozáření GT,m během dne na uvažovanou plochu (sklon, orientace) ... předpoklad: jasný den  tabulky v TNI 73 0302– jednotné klimatické údaje  pro průměrnou teplotu kapaliny tk,m v kolektoru  viz dále

46/79

Provozní teplota solární soustavy  průměrná měsíční teplota kapaliny tk,m v kolektoru

t k ,m  t aku ,m

 t max  t min  t max  t min   M  6    sin 2

 tmin

minimální teplota vybitého zásobníku

2

pouze vytápění

tmin = 30 °C

vytápění a TV

tmin = 50 °C

 tmax

2

 

maximální teplota nabitého zásobníku

tmax = 70 až 80 °C

 12 

47/79

Návrh prvků soustavy  určení ročního měrného zisku 12

qk,u,rok   0,9 hk,i  H T,i  1  p  1

kWh/m2.rok

 návrh plochy kolektorů Ak 

Qp,rok

m2

q k,u,rok

 návrh objemu zásobníku Vaku 

3,6  106  Qp,rok

1000  4187  t max  t min 

m3

48/79

Bilance 700

90 80 70

500

60

400

50

300

40 30

200

20 100

10

0

0 leden

únor

březen

duben

květen

červen

červenec

měsíc

srpen

září

říjen

listopad

prosinec

teplota v zásobníku [°C]

potřeba Q p; zisky Q ss,u [kWh/měs]

600

49/79

Plášť budovy jako zdroj energie

50/79

Využití sluneční energie v budovách  teplo  nízkoteplotní aplikace (teplá voda, vytápění)

 chlad  vysokoteplotní aplikace (solární chlazení)  elektrická energie  fotovoltaika (on-grid, off-grid)

 přirozené osvětlení  rovnoměrně rozptýlené světlo (okenní prvky)

51/79

Využití sluneční energie v budovách  řídká hustota sluneční energie  max. 1000 W/m2, max. 1200 kWh/(m2.rok)  omezená plocha pláště budovy při vhodné orientaci  efektivní využití plochy obálky pro umístění kolektorů  využití synergetických vazeb solární kolektory: spolupráce nikoli konkurence, víceúčelová zařízení, multifunkční / hybridní koncepty  integrace do konstrukčních prvků pláště budovy

52/79

Integrace solárních kolektorů do budov Architektonická  vizuální kvalita jako klíčový úkol Konstrukční integrace  kolektor jako regulérní stavební prvek, náhrada obálky solárním kolektorem  energeticky ztrátová obálka .... obálka jako zdroj energie přechod z energeticky pasivní obálky na energeticky aktivní obálku  spojení funkce kolektoru s funkcí stavebního prvku

53/79

Proč integrace ?

extrémní instalace

54/79

Proč integrace?

běžné instalace

55/79

Architektonická integrace Problémy  využití větší části pláště budovy pro solární kolektor – zásadní vliv na vzhled budovy  zkušenost s nízkou vizuální kvalitou v minulosti  kolektorová pole instalována odděleně od kontextu obálky budovy  fragmentace obálky budovy  disharmonie geometrie budovy

Požadavky na kolektory  různá barevná řešení, tvary, velikosti,materiály, povrchové vlastnosti, neviditelné řešení detailů připojení, neviditelná potrubí, ...  jeden z klíčů pro kladné přijetí solárních zařízení veřejností – nástroj trhu

56/79

Architektonická integrace Trendy  neviditelný kolektor – kolektor je skrytý nebo vypadá stejně jako obálka (konstrukční integrace)  viditelný kolektor – kolektor jako dominantní prvek  kolektor jako funkční prvek (stínicí prvek, aj.) Možnosti  ploché kolektory  trubkové kolektory  vzduchové kolektory  koncentrační kolektory

57/79

„Neviditelný“ prvek

58/79

Dominantní architektonický prvek

Malmo, Sweden

59/79

Dominantní architektonický prvek Linz, Rakousko

60/79

Funkční prvek - stínicí zařízení

Výstaviště, Brno

Dunajvaros, Maďarsko

61/79

Zelený pruh, Praha

62/79

Konstrukční integrace  kolektor jako regulérní stavební prvek, náhrada obálky solárním kolektorem  energeticky ztrátová obálka .... obálka jako zdroj energie přechod z energeticky pasivní obálky na energeticky aktivní obálku  spojení funkce kolektoru s funkcí stavebního prvku

63/79

Konstrukční integrace  multifunkčnost obálky: stavební konstrukce a zdroj energie v jednom prvku  úspora nákladů: jeden prvek zajišťující několik funkcí  zlepšení tepelných vlastností obálky budovy

 esteticky přitažlivé řešení (ve srovnání se stavebně oddělenými)  architektonicky méně náročné

64/79

Konstrukční integrace Problémy  diskuze a návrh již v počátečním stádiu plánování budovy  mezioborová spolupráce mezi architektem, stavařem a topenářem  estetické, technické a praktické aspekty musí být vyjasněny již na počátku  odpovědnost za návrh a funkci jako pláště tak solárního prvku

 životnost prvku

65/79

Přímá x nepřímá integrace Nepřímá  kolektor je oddělen od budovy větranou mezerou  slabá tepelná vazba mezi kolektorem a obálkou

Přímá  kolektor tepelně svázán s budovou (nízká tepelná ztráta)  budova ovliněna kolektorem (zimní zisky, letní zátěž)

66/79

Konstrukční integrace změna v myšlení architektů změna v navrhování budov

67/79

Náhrada obálky kolektorem

68/79

Integrace do střešního pláště

nepravidelné tvary

69/79

Velkoplošné integrace

70/79

Prefabrikovaná solární střecha

special prefabrication

71/79

Solární kolektory integrované do fasády

72/79

Solární kolektory integrované do fasády

výroba na místě prefabrikované fasády

běžné moduly

73/79

Velkoplošné solární fasády

74/79

Solární sanace fasády – Ostrava panelový dům, zateplení & solární kolektory

DPS Syllabova ul., Mariánské hory

75/79

Vizuálně citlivé – barevné řešení

76/79

Problémy se stíněním v zástavbě

SPŠ a SOU Břeclav

TU Liberec

77/79

Stínění překážkami

z H

H H d  tg tg(90   z )

d ... vzdálenost překážky od fasády h ... výška překážky

z ... zenitový úhel

78/79

Odraz slunečního záření od sněhu

79/79

Odraz – zisk vlivem odrazu 1  cos  1  cos  Gt  G b R b  Gd   gr Gb  Gd  2 2