Solárne chladenie budov

Obnoviteľné zdroje energie budú dôležitou zložkou štruktúry energie, ale ich schopnosť nahradiť ostatné zdroje energie je v najbližších rokoch obmedzená.

V tomto období sa dominantným sektorom v spotrebe energie stali budovy, ktoré svojim užívateľom poskytujú komfort, pohodu či bezpečnosť, a to prostredníctvom energetických systémov, ako sú vykurovanie, chladenie, vetranie, klimatizácia, príprava teplej vody, osvetlenie, elektroinštalácie a prevádzka elektrospotrebičov. Európska únia aj preto prijíma strategické dokumenty, smernice a vyhlášky, ktorými sa snaží na jednej strane o výraznejšie využívanie obnoviteľných a alternatívnych zdrojov energie, na druhej strane o znižovanie energetickej náročnosti prevádzky budov. Cieľom je dosiahnuť do roku 2020 20 % podiel obnoviteľných zdrojov, 20 % zníženie spotreby energie a 20 % zníženie emisií. Na Slovensku musí byť podiel energie z obnoviteľných zdrojov do konca roku 2020 aspoň 14 %.

Obr. 1 Vývoj spotreby primárnych energetických zdrojov (Zdroj: MH SR)

Členské krajiny EÚ kladú čoraz väčší dôraz na využívanie obnoviteľných zdrojov energie, aby posilnili energetickú sebestačnosť krajín. Na podporu využívania obnoviteľných zdrojov energie sa vytvorilo viacero inštitucionálnych a finančných nástrojov a schém. Obnoviteľné zdroje energie budú dôležitou zložkou štruktúry energie, ale ich schopnosť nahradiť ostatné zdroje energie je v najbližších rokoch obmedzená, ako ukazuje obr. 1. Ich zväčša lokálny charakter a využívanie diverzifikuje domácu základňu, takže pri potenciálnom výpadku malého zdroja možno následky takéhoto stavu napraviť omnoho ľahšie ako pri výpadku veľkého zdroja. Táto skutočnosť preto predpokladá ich decentralizované použitie. Prechod od tradičných fosílnych palív na obnoviteľné teda znamená prechod od malého počtu veľkých zdrojov k miliónom malých nezávislých zdrojov, kde v princípe každý dom môže byť zdrojom energie. Pri takejto predpokladanej obrovskej zmene energetiky sa tradičné chápanie zdrojov veľmi mení. Táto zmena však nie je možná bez zmeny myslenia ľudí a spôsobu chápania energetiky.

Budovy s takmer nulovou potrebou energie a OZE

Budovy majú dopad na dlhodobú spotrebu energie, preto by mali spĺňať minimálne požiadavky na energetickú hospodárnosť a zohľadňovať miestne klimatické pomery. Toto platí pre staré, ale najmä pre nové budovy, pri ktorých je nevyhnutné zvažovať aj alternatívne zdroje energie s ohľadom na environmentálnu a ekonomickú realizovateľnosť daných projektov a systémov využívajúcich obnoviteľné zdroje tepla. Pri návrhu projektu teda treba dôkladne zvážiť všetky aspekty, ako sú vývoj cien na svetových trhoch, nové trendy v stavebníctve a v neposlednom rade inštalácie hybridných systémov vykurovania a chladenia.

Pri obnove existujúcich budov by sa mali zvážiť a prijať hospodárne opatrenia na zvýšenie ich energetickej hospodárnosti, pričom sa netreba zamerať na celkovú obnovu budovy, ale len na časti, ktoré sú efektívne a finančne výhodné. Zvyšovanie energetickej hospodárnosti a efektívnosti budov a ich častí je potrebné v celom spoločenstve. Členské krajiny teda musia prijať potrebné opatrenia, aby zvýšili energetickú hospodárnosť budov podľa určenej metodiky stanovenej smernicou o energetickej hospodárnosti, pričom sa môžu rozdeľovať nové a existujúce budovy s ohľadom na miestne klimatické podmienky.

Členské štáty vypracujú národné plány zamerané na zvyšovanie počtu budov s takmer nulovou potrebou energie, pričom tieto národné plány môžu zahŕňať ciele rozlíšené podľa kategórií budov, a zabezpečia, aby:

• všetky nové budovy boli od 31. decembra 2020 budovami s takmer nulovou potrebou energie;
• nové budovy, v ktorých sídlia verejné orgány a ktoré vlastnia verejné orgány, boli po 31. decembri 2018 budovami s takmer nulovou potrebou energie.

Slnečné energetické systémy

Solárne energetické systémy aplikované v budovách majú jednoznačne kladný vplyv na celkovú energetickú hospodárnosť budov (EHB):

• tepelný výkon solárneho systému redukuje tepelný výkon klasického zdroja tepla, ktorý zabezpečuje výrobu tepla na vykurovanie a ohrev vody;
• solárne systémy znižujú potrebu energie na ohrev vody klasickým spôsobom;
• v zimnom období šetria prácu a spotrebu energie na pohon čerpadiel v konvekčnom vykurovacom distribučnom systéme;
• vďaka solárnym systémom sa minimalizuje počet prevádzkových hodín klasického zdroja tepla.

Obr. 2 Časový priebeh solárnych ziskov a požiadaviek na chladenie a vykurovanie

Solárnu energiu v budovách možno využiť na ohrev pitnej vody, vykurovanie a chladenie. V súčasnosti sa solárne chladenie zaraďuje medzi alternatívne spôsoby chladenia. Využívanie solárnej energie na chladenie (obr. 2) je výhodné v tom, že krivka dennej potreby chladu kopíruje krivku solárnych ziskov počas dňa, ich maximálne hodnoty sa zhodujú. Technológia solárneho chladenia využíva tepelnú energiu získanú zo solárnych kolektorov na pohon chladiacich systémov (obr. 3). Tento systém pozostáva zo známeho fototermálneho systému (kolektory, zásobník, výmenník, riadiaca jednotka, rozvody) a je doplnený chladiacim strojom, ktorý je poháňaný teplom. V tomto procese sa slnečné teplo zhromažďuje a využíva na riadený chladiaci proces v budove.

Obr. 3 Základná schéma solárneho chladenia

Všeobecne sa alternatívne spôsoby solárneho chladenia delia na:

• aktívne – strojové chladenie, solárne termické chladenie a fotovoltické chladenie;
• pasívne – voľné chladenie (freecooling).

Absorpčné chladenie

Princíp absorpčného chladenia je podobný klasickému kompresorovému chladeniu (obr. 4), rozdiel je len v spôsobe získavania vyššieho tlaku pár chladiva potrebného na kondenzáciu. Pri kompresorovom chladení sa vyšší tlak dosahuje pomocou stlačenia pár chladiva v kompresore (väčšinou elektricky), ktorý je energeticky najnáročnejšou súčasťou chladiaceho zariadenia. Pri systéme absorpčného chladenia sa kompresia pár chladiva dosahuje termickým princípom s využitím solárneho tepla. Klasický proces kompresie je nahradený použitím nových častí chladiaceho zariadenia – absorbéra, generátora, obehového čerpadla, expanzného ventilu, tepelného výmenníka a ďalšej pracovnej látky (sorbentu). Pri návrhu absorpčného systému je veľmi dôležité dbať na správny výber pracovných látok, pretože účinnosť absorpčného chladenia závisí od chemických a termodynamických vlastností týchto látok. Najpoužívanejšími pracovnými látkami sú bromid lítny/voda (H2O/LiBr) a voda/amoniak (H2O/NH3). V prvom prípade je chladivom voda a v druhom amoniak.

Obr. 4 Schéma porovnania absorpčného a elektrického kompresorového chladiča

V tab. 1 je uvedený prehľad absorpčného chladenia s najdôležitejšími technickými parametrami bežne používaných chladiacich sústav. Podľa požiadaviek na teplotu chladiacej vody možno rozhodnúť, ktorá dvojica pracovných látok sa použije. Teplota vykurovacej vody určuje požiadavky na typ solárnych kolektorov a teplota chladiacej vody zas požiadavky na typ chladiacich veží. Dôležitým faktorom pri porovnávaní chladiacich sústav medzi sebou je tzv. chladiaci faktor EER (Energy Efficiency Ratio), ktorý udáva energetickú účinnosť systému. Možno ho definovať ako pomer energie získanej systémom a energie vloženej do systému.

Adsorpčné chladenie

Adsorpčná jednotka pracuje na podobnom princípe ako tá absorpčná. Teplo sa spätne využíva na tepelnú kompresiu chladiva. Jednotka sa skladá zo štyroch častí (obr. 5) – dvoch sorpčných komôr, výparníka a kondenzátora. Obidve sorpčné komory obsahujú tepelné výmenníky, ktoré sú obklopené sorbentom (v prípade adsorpčného chladenia je to látka s vysokou pórovitosťou). Proces adsorpcie pri použití silikagélu ako sorbentu prebieha za pomerne nízkych teplôt vykurovacej vody (55 – 80 °C). Stačí použiť klasické ploché kolektory a dosiahnuť podobné účinnosti ako pri absorpčných systémoch EER = 0,3 – 0,7. Rovnako ako pri absorpčnom systéme, aj pracovné pary využívajú ako chladivo vodu, limitované jej teplotou mrazu.

Obr. 5 Chladenie

Minimálna teplota vo výparníku môže byť iba 5 °C. Pri nízkoteplotných aplikáciách sa volia pracovné pary, ktoré využívajú ako chladivo amoniak či metanol. V týchto prípadoch sa teplota výparníka môže pohybovať v mínusových hodnotách. Bod mrazu amoniaku je −35 °C. Pokiaľ sa ako sorbent použije zeolit, musí byť teplota vykurovacej vody vyššia ako 90 °C. Pri použití aktívneho uhlia musí byť dokonca vyššia ako 120 °C. Najvyššia účinnosť prenosu tepla sa dosiahla pri pracovnom páre metanol/aktívne uhlie. V tab. 2 sú uvedené parametre systémov pre adsorpčné chladenie.

Na záver

Otázka do budúcnosti je, ako sa postavíme k nastoleným požiadavkám na úsporu energie, zníženie spotreby energie a najmä ako budeme navrhovať nové budovy a aké energetické systémy budeme v nich a v ich okolí aplikovať. Téma solárneho chladenia je na Slovensku stále novinkou, ale vo svete a najmä v južných krajinách je solárne chladenie neodmysliteľnou súčasťou každej budovy. Solárne chladenie je súčasťou obnoviteľných zdrojov energie, takže pomáha bojovať proti klimatickým zmenám, šíreniu skleníkových efektov a prispieva k znižovaniu emisií.

Text a obrázky: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD., Ing. Simona Michaličková

Literatúra
1.     Energetická politika SR 2015.
2.     Smernica č. 2010/31/EÚ EP a Rady o energetickej hospodárnosti budov.
3.    Eicker, U.: Solar Technologies for Buildings, Chichester: Wiley, Chapter 4, Solar Cooling, 2003, s. 123L200.
4.    Füri, B. a kolektív: Chladiaca technika. Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava: Vydavateľstvo STU. ISBN 80-22 -2349-5.
5.     Matuška, T.: Využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci v budovách. Stavebnictví a interiér [online], 2007, 6. Dostupné na: http://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/navrhLsolarnihoLsystemuLproLrodinnyLdům
6.     SOLCO Project. [online]. Dostupné na: http://www.solcoproject.net/

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.