Solární komín v systémech pasivního větrání budov

Teoretická představa o možnostech využití solárního komína v systémech pasivního větrání budov patří jednoznačně do hledáčku alternativních řešení, která podporují přirozenou výměnu vzduchu ve vnitřním prostředí budov.

V určitých aplikacích solárního komína tak lze minimalizovat potřebu kontinuálního provozování mechanického systému větrání, což prokázala i některá praktická řešení ve světě. Aplikace na experimentálních objektech ve Švédsku (Falkenberg) [1], v Sýrii (Damašek) [2] či ve Spojeném království (Londýn) [3] poukazují na uplatnění v odlišných klimatických podmínkách. Zároveň jde ve všech případech o odlišná konstrukční řešení samotných solárních komínů.

Oč jde? Je to komín?
Navzdory užívanému pojmu solární komín (z angl. Solar Chimney) zde nehledejme žádnou přímou souvislost s konvenčními komínovými tělesy, která se používají k odvodu spalin. Současně si musíme uvědomit, že pod tímto označením si nelze představit ani jakýsi unifikovaný výrobek vyráběný v určitých konstrukčních řadách, který by garantoval efektivitu větrání při jeho různých aplikacích ve stavebních objektech. Solárním komínem se v zásadě rozumí vertikální šachta složená ze dvou základních „stavebních“ prvků, jimiž jsou transparentní díl a absorbér. Nezapomínejme přitom, že solární komín sám o sobě nebude jako samostatný prvek zakomponovaný do stavebního objektu schopen plnit svou roli v systému větrání budovy, když nebudou vytvářeny předpoklady pro jeho plnohodnotnou aplikaci už v samotném architektonickém, dispozičním a stavebněkonstrukčním řešení stavebního díla. V těchto případech je proto vhodné nahlížet na celkovou koncepci pasivního větrání budovy komplexně a zabezpečit intenzivní komunikaci mezi všemi zainteresovanými účastníky, a to během celé fáze – od navrhování až po samotnou realizaci.

Budeme-li hovořit o možnostech využití solárního komína, může jít o celoroční, respektive sezónní využití, což se v konečném důsledku odvíjí od charakteru stavby a klimatických podmínek lokality, v níž by měl být objekt situován. V minulosti jsme již uvedli, že teoretická podstata solárního komína je založena na expanzi vzduchu, který se v důsledku toho stává lehčím a stoupá ve směru proti gravitaci, čímž se samozřejmě vytváří přirozený pohyb vzduchu. Zmíněnou expanzi vyvolává nárůst teploty vzduchu v šachtě solárního komína, který nastává v důsledku přenosu tepla konvekcí z povrchu absorbéru do přilehlého vzduchu. Vzestup povrchové teploty absorbéru indukuje dopadající přímé sluneční záření, které proniká transparentní částí solárního komína. Cílem je tedy využít energetický potenciál dopadajícího slunečního záření na zemský povrch a podpořit přirozené mechanismy proudění kapalin.

Obr. 3  Zdravotnické zařízení v Londýně (Velká Británie) [3]

Z tohoto úhlu pohledu by se zdálo, že důležitá je jen dostupnost přímého slunečního záření a efektivita jeho využití v systému solárního komína. Dostupnost slunečního záření (přímá složka) v našich klimatických podmínkách je samozřejmě vyšší během letních měsíců. Vzhledem k výrazně nižší úrovni průměrného relativního slunečního svitu v zimním období by se očekávalo, že solární komín bude mít omezenou funkci, avšak v tomto případě je teplota interiéru budovy výrazně vyšší, než je teplota venkovního vzduchu. Teplý vzduch, lehčí než venkovní chladnější, tak samovolně stoupá směrem vzhůru, ve směru proti gravitaci. Tohoto efektu se snažíme dosáhnout, respektive ho umocnit i během letních měsíců, a to pomocí solárního komína.

Úvaha o přirozeném větrání budovy v zimních měsících bez zpětného využití tepla z odpadového vzduchu nemá svoje opodstatnění, protože toto řešení výrazně znehodnocuje celkovou energetickou hospodárnost budovy, což je v rozporu s cílem navrhovat energeticky hospodárné budovy. Proto v našich klimatických podmínkách lze hovořit spíše o sezónním využití pasivního větrání budov s podporou solárního komína.

Je třeba však ještě doplnit, že dalšími a velmi významnými faktory, které ovlivňují průtok vzduchu, jsou dynamický účinek větru, jeho intenzita a směr proudění. Významně ovlivňují průtok a směr proudění vzduchu v budově, a tedy i solárním komínem, což je dáno vytvářením tlakových poměrů v okolí budovy i v samotné budově.

Výzkum v Košicích
Cílem dosavadního výzkumu solárního komína na SvF TU v Košicích bylo prozkoumat, do jaké míry ovlivňují jednotlivé parametry geometrie solárního komína průtok vzduchu větrací šachtou při působení slunečního záření, bez dynamického účinku větru. Publikované výsledky jsou malou frakcí zpracované parametrické studie, která by měla být obsažena v odborné publikaci připravované k vydání SvF TU v Košicích v tomto roce. Analýza byla realizována s podporou simulačního nástroje CFD (Computational Fluid Dynamics – výpočtová dynamika kapalin) Star CCM+. Výsledky ukazují, které z posuzovaných parametrů mají významný, respektive bezvýznamný vliv na průtok vzduchu větrací šachtou solárního komína, což umožňuje navrhnout jeho prvotní rozměrovou charakteristiku. Úkol byl řešen pro 12. hodinu referenčního dne, jehož parametry venkovního klima byly simulovány exaktním definováním:

• polohy Slunce na obloze (azimut Slunce A0S (°), výška Slunce h (°)),
• intenzity přímé složky slunečního záření IP (W/m²),
• teploty venkovního vzduchu θe (°C).

Ke zpřesnění je třeba doplnit, že intenzita přímé složky slunečního záření Ip je hodnota uvažovaná na plošku orientovanou kolmo na směr slunečního paprsku při jeho aktuální poloze, která je dána výškou Slunce a azimutem měřeným od severu.

Při výzkumu byl použit model solárního komína v základním zhotovení větrací šachty (obr. 4), s lehkým plechovým absorbérem na zadní stěně, povrchově upraveným černým matným nátěrem. Transparentní část tvoří jen přední díl solárního komína z jednoduchého tvrzeného kaleného skla s tloušťkou 12 mm. Všechny ostatní části solárního komína jsou neprůhledné, izolované tepelnou izolací s tloušťkou 150 mm. V tab. 2 jsou parametry, které charakterizují vlastnosti jednotlivých povrchů.

Obr. 4  Model solárního komína pro účely CFD simulace

Vliv hloubky větrací šachty na hmotnostní průtok vzduchu
Prvním dílčím úkolem bylo posoudit vliv hloubky větrací šachty (B) na hmotnostní průtok vzduchu při konstantní výšce solárního komína (H = 3,0 m). Měnily se čtyři varianty parametru B za současné změny šířky šachty (L) tak, jak to znázorňuje graf na obr. 5a. Se zvětšující se hloubkou sice stoupá průtok vzduchu, jde však o nepatrný nárůst, čehož si můžeme všimnout i na grafu na obr. 5b. Při 2,7násobném zvětšení hloubky větrací šachty se dosáhne zhruba 1,2násobné zvýšení průtoku vzduchu solárním komínem. To je velmi zanedbatelná hodnota ve srovnání s tak výrazným zvětšením parametru hloubky větrací šachty, které má současně vliv i na náročnost konstrukčního vyhotovení takového typu solárního komína. Z výsledků analýzy vyplynulo, že návrh hloubky větrací šachty solárního komína by se měl pohybovat v rozpětí 0,35 až 0,45 m při šířce do 2,0 m. U větrací šachty široké více než 2,0 m lze ještě uvažovat o zvětšení hloubky na 0,65 m.

Obr. 5  Závislost průtoku vzduchu na parametru hloubky větrací šachty (B)

Vliv šířky větrací šachty na hmotnostní průtok vzduchu
Předmětem druhého úkolu bylo analyzovat vliv šířky větrací šachty (L) na hmotnostní průtok vzduchu za současné změny její hloubky (B) a konstantní výšky solárního komína (H = 3,0 m). Opět byly měněny čtyři varianty parametru šířky větrací šachty v rozsahu 1,0 až 4,0 m s diferencí DL = 1,0 m. V tomto případě se už i v teoretické rovině předpokládal pozitivní vliv zvětšujícího se parametru šířky větrací šachty na průtok vzduchu solárním komínem, což nakonec potvrdily i prezentované údaje v grafu na obr. 6a. Trend změny hmotnostního průtoku vzduchu má se zvětšující se šířkou šachty rostoucí charakter. Ten lze pokládat za lineár­ní, čili při n-tém zvětšení parametru L se přibližně n-násobně zvětší i hmotnostní průtok vzduchu větrací šachtou solárního komína.
 
Role výšky větrací šachty
V pořadí třetím posuzovaným parametrem byla výška větrací šachty (H), která se měnila v rozsahu 3,0 až 6,0 m s výškovou diferencí DH = 1,0 m při konstantní šířce solárního komína (L = 1,0 m) a hloubce větrací šachty (B = 0,65 m). Podobně jako v předcházejícím případě, i zde lze hovořit o pozitivním účinku, který dokladují i výsledky v grafu na obr. 6b. Z nich vyplývá, že při dvojnásobném zvýšení výšky solárního komína z 3,0 na 6,0 m se dosáhne zhruba 1,7násobného zvětšení průtoku vzduchu.

Obr. 6  Závislost průtoku vzduchu na parametrech šířky větrací šachty (L) a výšky solárního komína (H)

Co říkají výsledky
Je třeba zdůraznit, že dosažené výsledky ze simulace jsou platné jen při modelovaném typu konstrukce solárního komína. Jejich platnost určitě nelze zevšeobecnit a aplikovat i na jiné typy solárních komínů, které se liší nejen tvarem, ale také materiálovým vyhotovením, typem a polohou absorbéru, velikostí a umístěním otvorů pro přívod a odvod vzduchu a podobně. Cílem tohoto článku bylo přiblížit částkové výsledky z rozsáhlé parametrické studie geometrie solárního komína, v rámci které bylo analyzováno i několik dalších parametrů, jako například:

• vliv tepelnětechnických vlastností netransparentních a transparentních částí solárního komína,
• vliv velikosti transparentní plochy solárního komína,
• vliv změny polohy vstupního a výstupního otvoru.

Je vhodné připomenout ještě jeden důležitý faktor, který v rámci této analýzy nebyl řešen, a to dynamický účinek větru, formující tlakové poměry nejen v okolí budovy, ale také v samotné budově. V tomto případě bude rozhodující právě intenzita větru a směr jeho proudění. Aby však bylo možné takovou analýzu vykonat, bylo by třeba zkoumat už konkrétní aplikaci solárního komína na budově, vystavené proudění větru s určitou intenzitou, a analyzovat vliv tlakových poměrů indukovaných větrem na směr a kvantitu průtoku vzduchu solárním komínem. Také pro tyto důvody se výzkumu solárního komína budeme nadále věnovat.

Příspěvek vznikl v rámci řešených projektů ITMS 26220120037 a VEGA 1/0748/11.

Foto a obrázky: archiv autorů, Ing. Pavel Charvát, Ph.D.

Literatura
1.    EULEB – European High Quality Low Energy Buildings (on-line). Dostupné na http://www.new-learn.info/learn/packages/euleb/en/type/index.html.
2.    GOUMBOOK – Sustainable Architecture (on-line). Dostupné na http://www.goumbook.com/tag/sustainable-architecture.
3.    IDEA – Interactive Database for Energy-effcient Architecture (on-line). Dostupné na http://nesa1.uni-siegen.de/wwwextern/idea/main.htm.
4.    Kováč, M.: Kvantifikácia výpočtového modelu solárneho komína a jeho aplikácia v sústavách techniky prostredia vo väzbe na prirodzené vetranie budov. Dizertační práce. Košice: Technická univerzita v Košicích, Stavební fakulta, 2011.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.