Využití solární energie formou energetické střechy
Solární energie se v rodinných domech využívá zpravidla pomocí solárních kolektorů, přičemž akumulace tepla je řešena vodními zásobníky tepla. Využití solární energie však může být i méně tradiční – pomocí energetické střechy. U ní dochází k dlouhodobé akumulaci tepla v zemním zásobníku a následnému využití tepelné energie na minimalizování tepelných ztrát prostupem přes netransparentní konstrukce formou aktivní tepelné ochrany.
Princip energetického systému
Aktivní tepelnou ochranu (ATO) tvoří plastové potrubí s cirkulující kapalinou, které je umístěno v obvodových konstrukcích a v konstrukci střechy. Základní funkcí systému je snížit, respektive eliminovat tepelné ztráty prostupem netransparentními konstrukcemi. Zdrojem tepla může být kromě klasických solárních kolektorů i energetická střecha, kterou tvoří plastové potrubí uložené pod vrchní částí střešní konstrukce. Tepelná energie se následně ukládá do podloží (zemního zásobníku tepla), odkud se čerpá teplo pro ohřev ATO. Při využívání solární energie je vhodné akumulovat tepelnou energii do akumulační nádoby (pro přípravu pitné vody, ATO a případně pro nízkoteplotní vytápění) a přebytečné teplo v létě dále akumulovat do zemního zásobníku.
Aplikací systému s energetickou střechou se výrazná část dodané energie pokryje energií z obnovitelného zdroje. ATO s energetickou střechou však nelze považovat za systém, který nahradí vytápěcí systém a zdroj tepla, protože k dosažení požadovaného tepelného komfortu je třeba dodat další tepelnou energii. Jednou z možností je zvýšit teplotu v ATO dalším zdrojem energie, čímž bude dosaženo velkoplošného stěnového vytápění s výrazným podílem tepla z obnovitelné energie. Dále je možné instalovat například velkoplošné teplovodní podlahové vytápění nebo vytápět teplovzdušně.
Obr. 2 Zemní zásobník tepla – plastové potrubí v základové desce
Rodinný dům v obci Tomášov
Objekt se nachází v obci Tomášov a má dvě podlaží s celkovou plochou 187,4 m2. Zdroji tepla jsou energetická střecha z plastového potrubí umístěného pod střešní krytinou v okruzích 3 × 100 m (obr. 2), krbová vložka a plynový kotel. Teplo se kromě kombinované akumulační nádoby (V = 575 l pro ÚT a 180 l pro TV) akumuluje v zemním zásobníku, tvořeném plastovým potrubím v základové desce v okruzích 5 × 100 m (obr. 3). ATO představuje plastové potrubí, které se nachází mezi pórobetonovým zdivem tloušťky 375 mm a fasádním polystyrenem tloušťky 100 mm (obr. 4) a v konstrukci střechy v okruzích 20 × 100 m.
Za venkovní teploty –11 °C je teplota mezi pórobetonovým zdivem a fasádním polystyrenem 2,3 °C, což znamená, že tepelné ztráty objektu se snižují už při zásobování ATO teplotami 10 až 15 °C. A právě zde spočívá hlavní výhoda proti stěnovému vytápění – u systému lze využívat nízkopotenciální teplo. Na obr. 5 je znázorněn řez obvodové konstrukce s rozložením teplot bez ATO, s průměrnou teplotou ve vrstvě ATO 14 a 20 °C. V rodinném domě je možné odevzdávat teplo i podlahovým vytápěním na obou podlažích.
Obr. 3 ATO tvoří plastové potrubí mezi pórobetonovým zdivem a polystyrenem.
Obr. 4 Znázornění řezu obvodové konstrukce s rozložením teplot bez ATO, s průměrnou teplotou ve vrstvě ATO 14 a 20 °C.
Měření v experimentálním rodinném domě
V experimentálním rodinném domě se měří: teplo dodané ze solární střechy, z krbu a plynového kotle do akumulační nádrže, teplo z plynového kotle do zásobníku TV a celkové teplo dodané do zemního zásobníku tepla a ze zemního zásobníku tepla do ATO. Měří se celkové teplo dodané do ATO. Zároveň se měří i teplo dodané do podlahového vytápění a chlad dodaný z chladicích okruhů do ATO.
V prosinci 2011 byl spuštěn provoz energetického systému s využíváním ATO a podlahového vytápění, přičemž ze zdrojů tepla se dočasně využívaly plynový kotel a krbová vložka. Byly nastavovány různé vstupní teploty do ATO (stěnové bariéry) a podlahového vytápění s cílem najít optimální využití energetického systému. Na obr. 6 až 8 jsou znázorněny hodnoty z měřicího úseku od 20. 1. do 30. 1. 2012 (240 hodin). Vstupní teplota do stěnové bariéry byla nastavena na 20 °C (vratná teplota se pohybovala kolem 17 °C). U podlahového vytápění byla nastavena teplota 26 °C (vratná teplota se pohybovala kolem 25 °C). S daným nastavením teplot pracoval systém po celý leden. Na obr. 6 je znázorněn průběh spotřeby tepla (GJ) stěnovou bariérou v 1. NP a 2. NP a teplovodním podlahovým vytápěním. V daném období (20. 1. až 30. 1. 2012) byla tato spotřeba tepla:
- stěnová bariéra v 1. NP = 0,733 GJ,
- stěnová bariéra v 2. NP = 0,719 GJ,
- podlahové vytápění = 0,909 GJ.
Průběh vnitřní teploty v 1. NP a 2. NP je znázorněn na obr. 7 a průběh venkovní teploty na obr. 8. Všechny veličiny jsou měřeny v intervalu jedné hodiny.
Poměrně nízkými vstupujícími teplotami do ATO (20 °C) a podlahového vytápění (26 °C) bylo dosaženo relativně vysoké vnitřní teploty. Proto bylo podlahové vytápění 25. 1. 2012 odstaveno. V té době byla teplota v 1. NP 24,1 °C a v 2. NP 23,2 °C. Podlahové vytápění bylo opět spuštěno na žádost obyvatelů 28. 1. 2012 v 00:00. V té době byla teplota v 1. NP 21,9 °C a v 2. NP 20,9 °C. Vzhledem k tomu, že v dané době výrazně klesla venkovní teplota, nebyl pokles teploty uvnitř velký. Období, v němž bylo podlahové vytápění mimo provoz (celkem 57 hodin), je na obr. 5 až 7 ohraničené.
Obr. 5 Průběh spotřeby tepla (GJ) stěnovou bariérou a podlahovým vytápěním v době od 20. 1. do 30. 1. 2012
Obr. 6 Průběh vnitřní teploty v 1. NP a 2. NP (°C) v době od 20. 1. do 30. 1. 2012
Obr. 7 Průběh venkovní teploty (°C) od 20. 1. do 30. 1. 2012
Podlahové vytápění bylo potom opět odstaveno 1. 2. 2012. V tomto období se testoval provoz ATO ve funkci stěnového vytápění. Přitom je důležité zmínit se o tom, že v dané době byl rodinný dům neobývaný, což znamená, že v provozu nebyly žádné vnitřní zdroje tepla. Průměrná venkovní teplota se pohybovala kolem –11 °C. Teplota v interiéru byla na počátku (1. 2. 2012) kolem 18 °C, přičemž cílem bylo dosáhnout 25 °C. Teplota do ATO se proto postupně zvyšovala na 45 °C, čímž bylo dosaženo teploty v interiéru v 1. NP téměř 26 °C a v 2. NP 25 °C.
Závěr
Aplikací ATO se z obvodových konstrukcí stává akumulační obal, díky čemuž lze využívat nízké teplotní spády v systému vytápění pro zabezpečení tepelné pohody. V období, kdy byla vstupující teplota do ATO nastavena na 20 °C a byl odstaven provoz podlahového vytápění, klesla teplota v interiéru během 57 hodin v 1. NP o 2,2 K a v 2. NP o 2,3 K. Pokles teploty v interiéru v tomto časovém úseku není tak zřetelný jako pokles venkovní teploty (přibližně o 6 K). V dalším měřeném období se prokázalo, že pomocí ATO lze objekt vytápět. V době únorových mínusových hodnot bylo v neobývaném rodinném domě dosaženo 25 °C při vstupující teplotě do ATO 45 °C v odstaveném provozu podlahového vytápění. Provoz experimentálního rodinného domu je dále testován při různých provozních teplotách ATO a podlahového vytápění s cílem najít jeho optimální využití.
Foto a obrázky: archiv autorů
Příspěvek vznikl s podporou projektu VEGA 1/1052/11.
Literatura
JANÍK, P. – KALÚS, D.: Aplikace aktivní tepelné ochrany v nízkoenergetickém rodinném domě. In: TZB Haustechnik, roč. 3, č. 1 (2010), s. 16–18.
Ing. Peter Janík, doc. Ing. Daniel Kalús, Ph.D.
Autoři působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty STU v Bratislavě.
Recenzoval: prof. Ing. Ivan Chmúrny, Ph.D.
