Solárny komín

Súčasné storočie prináša neustále nové a moderné riešenia sústav techniky prostredia s cieľom vytvárať a zabezpečovať kvalitné vnútorné prostredie budov, využívať obnoviteľné zdroje energie, redukovať rastúcu spotrebu fosílnych palív, znižovať energetickú náročnosť budov, minimalizovať alebo eliminovať devastačný účinok na životné prostredie. V rámci techniky prostredia je predmetom záujmu aj oblasť vetrania v nebytových budovách. Základnou funkciou každého systému vetrania – či už prirodzeného, alebo mechanického – je zabezpečiť takú výmenu vzduchu v miestnosti, aby vnútorná klíma v nej mala optimálne parametre, a to jednak z tepelno-vlhkostného hľadiska, jednak z hľadiska celkovej koncentrácie prchavých organických látok a oxidu uhličitého.

V prípade, že požadované parametre vnútornej klímy na výmenu vzduchu nemožno dosiahnuť využitím konvenčných mechanizmov prirodzeného vetrania, využívajú sa systémy mechanického (núteného) vetrania.

Tento spôsob si však vyžaduje dodávku vlastnej energie na pohon jednotlivých technologických zariadení (ventilátorov a podobne), čo v konečnom dôsledku vedie opäť k zvýšeniu energetickej náročnosti budovy. Zlé či nevyhovujúce podmienky vnútorného prostredia budov prinášajú aj problémy so sústredenosťou, a teda samotnou efektívnosťou práce osôb.

Vytvorenie optimálnych podmienok vnútorného prostredia (nielen) v nebytových budovách a paralelné riešenie ich energetickej hospodárnosti vyžaduje zodpovedný prístup a vzájomnú komunikáciu jednotlivých zainteresovaných subjektov. Sledovať sa musí cieľ vytvorenia vhodného architektonického návrhu, vhodného riešenia sústav techniky prostredia a použitia vhodných stavebných materiálov aj vybavenia priestorov.
 
Príklad riešenia systému vetrania v budove školy – Falkenberg, Švédsko
Projekt progresívneho riešenia sústav techniky prostredia budovy školy vo švédskom mestečku Falkenberg je jedným zo skupiny 25 pilotných projektov realizovaných v rámci európskeho projektu EULEB (European High Quality Low Energy Buildings) a je podporovaný programom Európskej komisie s názvom Inteligentná energia – Európa (Intelligent Energy Europe). Do projektu sa zapojili mnohé popredné a významné univerzity – London Metropolitan University (LEARN), Universit degli Studi di Firenze (ABITA), Université de La Rochelle (LEPTAP) – či Zväz európskych spoločností pre vykurovanie a klimatizáciu REHVA.

Projekt EULEB bol zameraný na školské budovy a budovy pre administratívu a voľný čas, v rámci ktorých sa riešili niektoré z týchto oblastí:

• tepelná ochrana budov,
• ochrana proti slnku,
• vnútorné osvetlenie,
• vykurovanie,
• chladenie,
• vetranie,
• využívanie dažďových vôd a obnoviteľných zdrojov energie.

V rámci školskej budovy vo Švédsku boli predmetom riešenia oblasti vnútorného osvetlenia a vetrania – ďalej sa budeme bližšie venovať práve oblasti vetrania. V školskom zariadení sa navrhlo hybridné vetranie, ktoré v sebe spája prirodzené a mechanické vetranie. Primárnu funkciu plní prirodzené vetranie, ktoré využíva komínový efekt centrálnych šácht. Na šachty sú napojené odpadné vzduchovody z jednotlivých miestností, ktoré odvádzajú opotrebovaný vzduch z priestoru. Aby bol komínový efekt výraznejší a účinnejší, nainštalovali sa na vrcholoch centrálnych šácht experimentálne zariadenia nazývané solárne komíny.

Funkciou solárneho komína je vytvoriť pomocou slnečného žiarenia prenikajúceho skleným systémom a jeho následnej absorpcie vnútornými stenami solárneho komína dostatočný teplotný rozdiel po výške centrálnej šachty, ktorý vyvoláva a podporuje účinok prirodzeného vztlaku vzduchu. Tento pasívny spôsob zhodnocovania slnečnej energie umožňuje využívať mechanizmy prirodzeného vetrania vo väčšej miere a intenzite. Samozrejme, s meniacou sa intenzitou slnečného žiarenia sa mení aj účinnosť zariadenia, takže možno hovoriť aj o tzv. samoregulovateľnom systéme prirodzeného vetrania.

Dôležitú funkciu solárneho komína plní jeho samotný sklený systém, ďalej sú to jeho vlastnosti, plošný obsah a, samozrejme, orientácia na svetové strany. Významnú funkciu majú aj povrchové úpravy vnútorných stien solárneho komína. V tomto prípade je dôležitá požiadavka dosiahnuť maximálnu absorpciu slnečného žiarenia a minimalizovať emisiu z povrchu do okolia. Vďaka zvýšenej, až maximálnej absorpcii sa výrazne zvýši povrchová teplota vnútorných stien solárneho komína, od ktorých sa následne ohrieva prúd vzduchu.

Na maximálne využitie teploty povrchu treba eliminovať či aspoň minimalizovať prenos tepelnej energie radiáciou (sálaním) na okolité povrchy. Tieto aspekty vnútorných povrchov možno dosiahnuť použitím tzv. selektívnych vrstiev, ktoré maximalizujú absorpčné schopnosti povrchu a naopak minimalizujú emisiu tepelnej energie z povrchu. V prípade nepriaznivých poveternostných podmienok (pri oblačnom počasí), keď je prirodzené vetranie obmedzené alebo nefunkčné, sa uvádza do chodu mechanické vetranie s potrubnými ventilátormi. Čerstvý vzduch sa privádza cez mriežky nainštalované na fasáde budovy.

Výskum solárneho komína na Stavebnej fakulte TUKE
Funkcia solárneho komína je veľmi zaujímavá, preto sa jej venuje aj Katedra teórie a techniky prostredia budov Stavebnej fakulty Technickej Univerzity v Košiciach. Výskum samotného solárneho komína sa rieši v rámci dizertačnej práce, ktorá sa orientuje na návrh progresívneho systému prirodzeného vetrania budovy (názorný opis je na grafickej schéme na obr. 3). Základným cieľom navrhovanej koncepcie je vytvoriť a zabezpečiť optimálne parametre vnútorného prostredia budov, a to v primárnej aj sekundárnej rovine.

Obr. 3: Schéma navrhovanej koncepcie prirodzeného vetrania administratívnej budovy

Primárnym cieľom je zabezpečiť dostatočnú výmenu vzduchu v pobytových priestoroch budovy. Pri nedostatočnej výmene vzduchu v uzavretých priestoroch sa zvyšuje pravdepodobnosť výskytu zdravotných problémov osôb zdržiavajúcich sa v miestnosti, pričom nedostatočná výmena vzduchu alebo obmedzený prísun čerstvého vzduchu negatívne vplývajú aj na ich sústredenosť, a teda efektívnosť vykonávanej pracovnej činnosti. Sekundárnym cieľom je možnosť čiastočnej úpravy vlastností privádzaného čerstvého vzduchu do budovy z vonkajšieho prostredia, a to z hľadiska teploty a vlhkosti vzduchu.

Podľa navrhovanej koncepcie prirodzeného vetrania budovy (obr. 3) sa čerstvý vzduch nasáva z exteriéru cez zemné výmenníky tepla, v ktorých sa čiastočnej upravuje vzduch (v zime sa predhrieva, v lete predchladzuje). Prúd vzduchu ďalej vstupuje do centrálnej časti budovy – átria, ktoré predstavuje komunikačný priestor medzi jednotlivými podlažiami a súčasne sa môže využívať aj ako oddychová alebo pobytová zóna. Z átria prúdi čerstvý, čiastočne upravený vzduch do jednotlivých kancelárskych priestorov cez aerodynamické stenové mriežky, čím sa dostáva do pobytovej (pracovnej) oblasti osôb. Už ako opotrebovaný vzduch prechádza opäť cez aerodynamické mriežky do centrálnej šachty, ktorej vrchol je ukončený solárnym komínom. Ten vďaka svojmu konštrukčnému riešeniu a najmä slnečnému žiareniu absorbovanému cez transparentnú plochu vytvára také podmienky, pri ktorých vzniká alebo sa umocňuje prirodzený vztlak formujúci sa z výškového a teplotného rozdielu medzi dvomi aktívnymi úrovňami. Solárny komín sa uplatňuje najmä v letnom období.

Druhým cieľom navrhovanej koncepcie progresívneho systému prirodzeného vetrania budovy je znížiť energetickú náročnosť, a to hneď v troch oblastiach. Prvou a súčasne primárnou sledovanou oblasťou je zníženie potreby dodanej energie na vetranie. To znamená redukovať alebo eliminovať potrebu mechanického vetrania, s ktorým sa spája potreba dodávky elektrickej energie na prevádzku technologických zariadení (ventilátory a podobne), a nahradiť ho systémom prirodzeného vetrania s podporou solárneho komína na základe navrhovanej koncepcie vetrania budovy. Vzhľadom na použitie zemných výmenníkov v modelovej budove možno súčasne znížiť aj množstvo dodanej energie na vykurovanie alebo chladenie, čím možno dosiahnuť ďalšie zníženie energetickej náročnosti budovy pri súčasnom vytvorení alebo zabezpečení optimálnych parametrov vnútornej mikroklímy. Výskum sa venuje detailnej analýze a opisu matematicko-fyzikálneho modelu všeobecného solárneho komína a jeho teplotného a aerodynamického režimu (obr. 2).

Obr. 2: Schéma experimentálneho zariadenia so zobrazením teplotného a aerodynamického režimu

Zohľadnili sa pritom aj súčasné poznatky z oblasti navrhovania moderných dvojitých transparentných fasád s celoročne otvoreným okruhom bez využitia fyzikálnej podstaty medzipriestoru dvojitej fasády v sústavách techniky prostredia budovy a poznatky z oblasti navrhovania solárnych vzduchových kolektorov.
Vzhľadom na zložité tepelné procesy, ktoré prebiehajú vnútri vzduchového kanála solárneho komína, sa pri jeho analýze vychádza z predpokladu, že slnečná energia absorbovaná vnútornými plochami kanála solárneho komína a zmenšená o tepelné straty do okolia sa rovná tepelnej energii odovzdanej prúdiacemu vzduchu šachtou solárneho komína.

Záver
Hľadanie, navrhovanie a využívanie nekonvenčných zariadení umožňuje projektantom vytvárať nové, moderné a energeticky úsporné riešenia sústav techniky prostredia, ktoré sú schopné vytvárať a zabezpečovať kvalitné parametre vnútornej mikroklímy budov. Pritom sa minimalizujú finančné náklady na ich prevádzkovanie a súčasne sa redukuje ich potenciálny negatívny vplyv na životné prostredie, ktorý sa spája s ich výrobou, prevádzkou alebo závislosťou od použitej vstupnej formy energie.

Ing. Martin Kováč, doc. Ing. Zuzana Vranayová, PhD., doc. Ing. Danica Košičanová, PhD.

Autori pôsobia v Ústave budov a prostredia Stavebnej fakulty Technickej Univerzity v Košiciach na Katedre teórie a techniky prostredia budov.

Recenzovala: doc. Ing. Marta Székyová, PhD. 

Obrázky: archív autorov, www.ufficius.com

Príspevok vznikol v rámci projektu ITMS 26220120018 Podpora Centra excelentného integrovaného výskumu progresívnych stavebných konštrukcií, materiálov a technológií.

Literatúra
1. Cihelka, J.: Solární tepelná technika. Praha: T. Malina 1994, 208 s.
2. Bielek, B., Bielek, M., Palko, M.: Dvojité transparentné fasády budov, 1. diel. Bratislava: Coreal 2002, 206 s.
3. Bielek, B., Bielek, M., Kusý, M., Paňák, P.: Dvojité transparentné fasády budov, 2. diel. Bratislava: Coreal 2002, 251 s.
4. Jurečka, P.: Proudění a sdílení tepla. (Cvičení do předmětu Sdílení tepla a proudění). Ostrava: VŠB – Technická univerzita Ostrava 2006, 129 s.
5. Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Verlag GmbH 1995, 1865 s.
6. Kováč, M.: Energetické toky v budovách vo väzbe na navrhovanie progresívnych sústav techniky prostredia. (Písomný referát k dizertačnej skúške). Košice: Svf TUKE, 2009.
7. Internet: http://www.euleb.info

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.