Sborník mezinárodní konference PROGRESS 2012
Jiří LABUDEK1 ENERGETICKÁ KONSTRUKCE APLIKOVANÁ V BYTOVÉM DOMĚ CONSTRUCTION OF ENERGY APPLIED IN APARTMENT BUILDING Abstrakt Náplní příspěvku je efektivní zapojení modifikované Trombeho stěny do energetické koncepce bytového domu. Inovovaná Trombeho stěna je napojena do systému teplovzdušného větrání, čímž se minimalizují energetické nevýhody této energetické konstrukce. Klíčová slova Solární stěna, Trombeho stěna, solární zisk, alternativní zdroj energie, akumulační jádro. Abstract The content of the paper is effective involvement of modified Trombe wall to energy concept of apartment building. Innovative Trombe wall is connected to the hot-air ventilation system, which minimizing energy disadvantages of this energy construction. Keywords Solar wall, Trombe wall, solar profit, alternative source energy, accumulation core
1 ÚVOD Průměrný počet hodin solárního svitu (bez oblačnosti) se v ČR pohybuje od 1400 do 1700 h/rok. Doba trvání slunečního záření se v rámci republiky může v průměrných hodnotách lišit až o 500 hodin za rok. Pro odhady se používá hodnota roční sumy globálního záření (průměr pro ČR je kolem 1 081 kWh/m2). Z uvedeného vyplývá, že stojí za úvahu i pasivní využití solární energie, nikoliv pouze využití aktivní formou solárních kolektorů či fotovoltaických panelů. V příspěvku je snaha o důkaz, že i pasivní využití solární energie je energeticky zajímavou cestou. V solární stěně je využita přirozená vlastnost povrchu konstrukcí pohlcovat dopadající sluneční záření a měnit je v tepelnou energii ukládající se v materiálu. Základní konstrukce solární stěny vznikla úpravou a odvozením od tzv. Trombeho stěny. Aby se zvýšila efektivnost využití, je nutné snížit energetickou náročnost bytového domu na minimální hodnoty. Velká část nevýhod se dá eliminovat navrženým řešením. Velmi vhodná je aplikace solární stěny mezi venkovní prostředí a systém vnitřního teplovzdušného vytápění. Tím lze efektivně řídit parametry a funkci solární stěny a výrazně eliminovat její principiální nevýhody. Pro zajištění stálého přívodu vzduchu o konstantní teplotě je jako přívodní vzduch do solární stěny navržen přívod vzduchu přes zemní výměník. Vzduch projde přes solární stěnu, kde získá tepelnou energii a je dále rozveden přes rekuperační jednotku systémem kanálů do interiéru budovy. Pokud solární stěna nevykazuje energetický zisk, je vzduch přiveden ze zemního výměníku přímo do rekuperační jednotky a odtud do interiéru. Výhodou je, že díky vyšším tepelným ziskům v přechodných obdobích je solární stěna schopna vyrovnávat výkyvy teploty půdy v oblasti zemních výměníků.
1
Ing. Jiří Labudek, VŠB – TU Ostrava, Stavební fakulta, kat. 229 – Katedra prostředí staveb a TZB, Ludvíka Podéště 1875/17, 708 33 Ostrava - Poruba, , tel.: (+420) 597 321 975 E-mail:
[email protected]
1
2 SOLÁRNÍ STĚNA Trombeho stěna je jednou z možností využití solárního záření k přitápění budov. Obvykle jižní stěna budovy je postavena z masivního materiálu dobře akumulující teplo – například z plných cihel, betonu, kamene apod. Stěna se vzduchovou spárou je černá nebo tmavá a využívá skleníkového efektu, protože před povrch stěny je umístěna ve vzdálenosti několika centimetrů transparentní tabule, která vytváří vzduchovou spáru. Na vnější straně se zeď zahřívá působením slunečních paprsků a získané teplo zajišťuje proudění vzduchu spárou. Otvory na horní a dolní straně spáry umožňují přenos tepla prouděním vyhřátého vzduchu do pokojů uvnitř budovy [1], [7]. Při správné konstrukci stěny má betonové jádro akumulovanou tepelnou energii ještě po západu slunce a zajistí tak dostatečný komfort uvnitř budovy. Nevýhody Trombeho stěny: • Pokud je stěna zhotovena z masivního materiálu a před stěnou je jednoduché zasklení, je celkový tepelný odpor stěny poměrně nízký. V době, kdy nesvítí Slunce Trombeho stěna přispívá k tepelným ztrátám domu. Možnosti zvýšení tepelného odporu Trombeho stěny: o Náhrada předsazeného jednoduchého skla izolačním dvojsklem, případně doplněným o selektivní vrstvu pro zpětný odraz infračerveného záření a o náplň inertním plynem. Nevýhodou tohoto řešení je zvýšená cena. o Instalace izolační rolety před skleněnou desku nebo do vzduchové mezery. Roleta je zatažena ve dnech, kdy nesvítí Slunce a v noci a omezuje tepelné ztráty obdobným způsobem jako předokenní izolační rolety. Nevýhodou tohoto řešení je zvýšená cena. o Náhrada masivního materiálu - pórovitou děrovanou cihlou nebo pórobetonem. Velkou nevýhodou tohoto řešení je snížení tepelně - akumulačních schopností stěny a vyšší cena. •
Kratší doba, po kterou je teplo ve stěně akumulováno ve srovnání například se systémy s tepelně izolovanou akumulační nádrží.
•
Nutnost vyústit proud teplého vzduchu z Trombeho stěny přímo do přilehlé obytné místnosti
•
Nerovnoměrné přitápění objektu vázané zejména na jižní část domu.
Z výše uvedených nevýhod vyplývá, že jednoduché řešení Trombeho stěny s vyššími tepelnými ztrátami je vhodnější pro částečně nebo občas vytápěné, případně zcela nevytápěné objekty (rekreační chalupy, průmyslové objekty). Pro trvale vytápěné objekty a objekty dobře izolované je třeba volit konstrukční změny. Při návrhu byly zvažovány dvě materiálové varianty tvořící transparentní plášť: •
První variantou bylo tradiční float sklo jednoduché. Propustnost světla tabulí skla je 85%. Z důvodu stability skla by bylo nutné používat větší dimenze než 4mm, čímž roste hmotnost a statické zatížení ocelových konzol a akumulační stěny. Složité kotvení takovýchto skel v souvislosti s hmotností tabulí, tepelnou roztažností a rozbitností by ukazovalo dále na skla odolná vůči rozbití, čímž roste cena takovýchto skel. Součinitel tepelné vodivosti λ skla je cca 0,76 W/mK
•
Druhou variantou je použití polykarbonátových desek. Propustnost světla tabulí čirého polykarbonátové komůrkové desky je 80%, což je hodnota proti sklu horší o 5%. Tato nevýhoda je snížena mnohem menší hmotností, zmenšením problému s tepelnou roztažností desek, mnohem jednodušším kotvení do nosné konstrukce a výrazně menší hmotností. Součinitel tepelné vodivosti λ je u polykarbonátu cca 0,2 W/mK, čímž je výrazně lepší než sklo. Byla také zvážena možnost použití plné čiré polykarbonátové desky, která má horší parametr součinitele prostupu tepla než komůrková deska. Z těchto důvodu je pro projekt solární stěny použita komůrková čirá polykarbonátová deska.
2
3 NÁVRH NOVÉHO TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ Velkou část principiálních nevýhod Trombeho stěny lze eliminovat navrženým řešením. Aplikováním solární stěny mezi venkovní prostředí a systém vnitřního teplovzdušného vytápění lze efektivně řídit parametry a funkci solární stěny. Podzemní registry vedené pod vodní plochou dodávají potřebné množství vzduchu o téměř konstantní teplotě. Nákladnou klimatizaci nahrazuje chlazení vzduchu už v podzemních registrech v době, kdy je solární stěna odstavena od provozu. Výhodou je, že díky vyšším tepelným ziskům v přechodných obdobích je solární stěna schopna vyrovnávat měnící se teplotu půdy. Návrh tohoto systému je přednostně určen pro krytí tepelných ztrát objektu hlavně v tzv. přechodových obdobích tj. jaro a podzim. Čerstvý vzduch projde přes solární stěnu, kde získá tepelnou energii a je rozveden systémem kanálů do interiéru budovy pomocí rekuperační jednotky tzn., že teplovzdušné vytápění rozvádí teplý vzduch ze solární stěny přímo na potřebná místa. Pokud solární stěna nevykazuje energetický zisk, vzduch bude veden ze zemního výměníku přímo do rekuperační jednotky teplovzdušného vytápění. Povedlo se odstranit několik nevýhod pomocí nového řešení. Celá konstrukce je předsazena před fasádu, což nemá výrazný vliv na zhoršení součinitele prostupu tepla celé skladby. Zaizolováním zadní stěny nedochází k přehřívání přilehlé konstrukce. Instalací vnitřních žaluzií se změní součinitel prostupu tepla, zabrání se akumulaci sluneční energie a přehřívání prostoru v letním období. Jednoduché sklo nahrazuje polykarbonátová deska, čímž se zlepší součinitel prostupu tepla a řeší se problémy kotvení, tuhost a roztažnost skla. Díky těmto úpravám muže být použit jako masivní materiál beton a není nutno přistupovat k horšímu tepelně-akumulačnímu a dražšímu materiálu. Nerovnoměrnost přitápění je řešena pomocí teplovzdušného systému vytápění, tj. existuje možnost regulace. Problémem navrženého systému může být to, že neexistují komplexní matematické modely pro toto technické řešení.
4 KONSTRUKCE SOLÁRNÍ STĚNY Konstrukce je založena na teorii fyzikálních meziprostorů. V podstatě se jedná o energetický nárazníkový meziprostor, kde primární funkcí je energie. Solární systém pracuje na principu jednoduchého vzduchového kolektoru. Funkci sběrače solárního záření zde tvoří polykarbonátový systém předsazené transparentní stěny oddělující meziprostor od venkovního prostředí. Funkci absorbéru tvoří tmavý povrch, funkci akumulátoru betonová hmota tepelně-akumulační stěny. Funkci regulátoru a distributora tohoto solárního systému tvoří komplex mechanizmu vzduchotechnických otvorů, vyústek žaluzií a kanálů. Solární stěna představuje ve své funkci i velmi důležitý faktor nepřímý tj. izolovaný pasivní solární systém. Obvodový plášť byl ponechán v původním navrženém stavu, ale bez vnějšího kontaktního zateplovacího systému (lze tedy použít i pro rekonstrukce). Navržená vzduchová mezera tl. 100 mm slouží jako prostor pro vyrovnání termodynamických a objemových změn v hlavním meziprostoru solární stěny. Vzduch tedy nahřívá akumulační betonovou stěnu i z interiérové strany. Vzduchová mezera slouží také pro přerušení šíření tepla vedením do obvodového pláště budovy. Spolupůsobení mezi hlavním prostorem a vzduchovou mezerou tl. 100 mm zajišťují otvory v akumulačním jádře. Tato akumulační stěna, tvořená filigránovou konstrukcí vyplněnou betonem C16/20, je v místě styku dvou navazujících betonových desek kotvená pomocí pásové ocele 80x4 mm do železobetonového věnce v úrovni stropu objektu. Do akumulační stěny jsou přikotveny ocelové konzoly, které vynáší polykarbonátové desky a vnitřní žaluzie, což vytvoří hlavní větrací komoru o tl. 300 mm, která ve vrcholu stěny ústí do nasávání teplovzdušného vytápění. Na ocelové konzole je uložen děrovaný plech, aby se proud vzduchu rovnoměrně rozptýlil po celém meziprostoru solární stěny.
3
Tab.1: Konstrukce solární stěny a závislost teplotního zisku na průtoku vzduchu Teplotní zisk pro různé průtoky vzduchu
4 3
Průtok vzduchu
5
3,56 4,45 5,95
2
8,9
1
17,8 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Závislost teplotního zisku na průtoku vzduchu
6
3
Konstrukce solární stěny - schéma
Teplotní zisk
5 MATEMATICKÝ MODEL Neexistuje matematický model pro navržený typ konstrukce týkající se energetické bilance a energetického hodnocení. Do matematického modelu je nutno zapracovat funkce pětivrstvé skladby celé konstrukce. Zjednodušený matematický model neuvažuje s akumulací tepla a některými proměnnými parametry [1], [2], [6]. Solární zisk se obecně vypočítá dle vztahu: QS=ΣIsj ΣAsnj [T] (1) celkové sluneční záření [J/m ] dopadající na jednotku povrchu n s orientací j během Isj … výpočtového období Asnj … solárně účinná sběrná plocha [m2] povrchu n s orientací j 2
Problémem je výpočet rozdílu teplot vzduchu: ∆θ=θVÝST – θVSTUP [T] a současně průtokové množství vzduchu V(m3/s). Ohřev vzduchu je základní případ pro vzduchotechniku [2]. Představuje zvýšení teploty vstupního vzduchu a entalpie při konstantním vodním obsahu. Tepelný tok pro vstupní teplotu θVSTUP, výstupní teplotu θVÝST a objemový průtok V je dán rovnicí: Q=V.ρ.c.∆θ [kW] → ∆θ=Q/V.ρ.c [ºC]. Z níže uvedeného grafu vyplývá, že velmi záleží na průtoku vzduchu, jako nejvýhodnější se jeví co nejmenší hodnota, kde je teplotní zisk největší. Toto řešení naráží na nutnou potřebu přivedeného množství vzduchu do daného prostoru, což je prioritní. Nelze omezovat množství vzduchu na úkor teplotního zisku [2].
4
6 VYHODNOCENÍ PRO MODELOVÝ ROK Kombinací získaných hodnot tří z níže uvedených grafů jsme schopni v daný den (21. den daného měsíce) v určitou hodinu zjistit tepelnou ztrátu a energetický zisk solární stěny. Tepelná ztráta objektu 21.den každého měsíce
Zpracoval: Ing. JiříBc. Labudek Zpracoval: Jiří Labudek
16
leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec
14 12
Tepelná ztráta [kW]
10 8 6 4 2 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
-2 Čas [h]
Graf. 1 Tepelná ztráta objektu 21.den každého měsíce (kW) Hodnoty solárních intenzit pro 21.den daného měsíce STUDENTSKÁ VĚDECKÁ ODBORNÁ ČINNOST 2009
Zpracoval: Bc. Jiří Labudek
Zpracoval: Ing. Jiří Labudek
400
leden únor
350
březen 327
Solární intenzita I [W/m2]
300
duben
317
311
květen
283 270
červen
250
červenec 225
srpen
208
200
září říjen
150
150
listopad
130
prosinec 100 69
50
50
18
0
0
0
1
0
2
0
3
18
0
4
0
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
0
20
0
0
21
0
22
0
23
24
Čas [h]
Graf. 2 Hodnoty solárních intenzit pro 21.den daného měsíce I(W/m2) Energetický zisk solární stěny 21.den každého měsíce STUDENTSKÁ VĚDECKÁ ODBORNÁ ČINNOST 2009 Zpracoval: Ing. Jiří Labudek
14
Zpracoval: Bc. Jiří Labudek
leden únor
12
březen 10,80081
duben
10,47051
10,27233
10
květen
Energetický zisk [kW]
9,34749 8,9181
červen
8
červenec
7,43175 6,87024
srpen
6
září 4,9545
říjen
4,2939
4
listopad prosinec
2,27907
2 1,6515 0,59454
0
0
0
1
0
2
0
3
0
4
0,59454
0
5
0
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
0
20
-2 Čas [h]
Graf. 3 Energetický zisk solární stěny (kW)
5
0
21
0
22
0
23
0
24
7 ŘEŠENÍ ENERGETICKÝCH PŘEBYTKŮ – BUDOUCÍ ROZVOJ SYSTÉMU SOLÁRNÍ STĚNY (odebrání přebytečného tepla a jeho využití) • Regulace teplovzdušným systémem a systémem žaluzií. • Technická opatření pro řešení energetických přebytků přidaných k systému solární stěny Rozšířením solárního systému o systém rozvodů na přípravu teplé vody lze dosáhnout zvýšení využitelného energetického výnosu solárního zařízení, neboť se tak solární systém využívá po celý rok, tedy i v létě (celoroční využívání sluneční energie). Jako vhodné se jeví doplnění akumulačního jádra o systém vodovodního potrubí pro ohřev vody. Potrubí by končilo v akumulačním teplovodním zásobníku ve vrcholu solární stěny = solární ohřev vody. Systém pro přípravu solárního ohřevu vody je možno přímo zakomponovat do solární stěny, tzn. při výstavbě potrubí zalít do betonu tvořící akumulační jádro. Druhou variantou je trubní rozvod osadit na povrch akumulačního jádra, např. jako dodatečný systém. Ochranné prostředky proti mrazu nejsou v ohřevu nutné, protože již svou pozicí v solární stěně jsou rozvody vody chráněny proti mrazu.
8 ZÁVĚR Snahou celého nového konstrukčního řešení energetické konstrukce je najít moderní způsob, jak při návrhu budovy využít stavební konstrukce ve prospěch splnění požadavků energetických potřeb současných staveb. V každém případě se solární stěna svými energetickými zisky z alternativního zdroje – solárního záření podílí na energetické úspoře budovy v zimním a přechodovém období, ale také na významné redukci tepelné zátěže budovy v letním období.
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
LITERATURA Vaverka, J. Stavební tepelná technika a energetika budov. Místo vydání : VUTIUM Brno. 2006. 650 s., ISBN: 80-214-2910-0. Székyová, M., Ferstl K., Nový, R. Větrání a klimatizace, Bratislava : Jaga group 2006. 360s. ISBN 80-8076-037-3. Watts, A. Moderné fasády, Bratislava : Jaga group 2007. 224 s. ISBN 978-80-8076-065-6 Bielek, B., Bielek, M., Palko, M., Dvojité transparentné fasády budov - 1.diel, Bratislava : COREAL 2002, 206s. Bielek, B., Bielek, M., Palko, M., Dvojité transparentné fasády budov - 2.diel, Bratislava : COREAL 2002, 251s. Ladener, H., Spate, F.,Solární zařízení, Praha, Grada Publishing 2003, ISBN 80-247-0362-9. http://www.envic-sdruzeni.cz
6
