Solárny komín v systémoch pasívneho vetrania budov
Na Stavebnej fakulte TU v Košiciach pokračuje výskum solárneho komína. Teoretická predstava o možnostiach využitia solárneho komína v systémoch pasívneho vetrania budov patrí jednoznačne do hľadáčika alternatívnych riešení, ktoré podporujú prirodzenú výmenu vzduchu vo vnútornom prostredí budov.
O čo ide? Je to komín?
Napriek používanému pojmu solárny komín (z angl. Solar Chimney) tu netreba hľadať nijakú priamu súvislosť s konvenčnými komínovými telesami, ktoré sa používajú na odvod spalín. Súčasne si treba uvedomiť, že pod týmto označením si nemožno predstaviť ani akýsi unifikovaný výrobok, vyrábaný v určitých konštrukčných radoch, ktorý by garantoval efektívnosť vetrania pri jeho rôznych aplikáciách v stavebných objektoch. Solárnym komínom sa v zásade rozumie vertikálna šachta pozostávajúca z dvoch základných „stavebných“ prvkov, ktorými sú transparentný diel a absorbér. Netreba pritom zabúdať, že solárny komín sám osebe nebude ako samostatný prvok zakomponovaný do stavebného objektu schopný plniť svoju úlohu v systéme vetrania budovy, ak sa nebudú vytvárať predpoklady na jeho plnohodnotnú aplikáciu už v samotnom architektonickom, dispozičnom a stavebno-konštrukčnom riešení stavebného diela. V takýchto prípadoch je preto vhodné nazerať na celkovú koncepciu pasívneho vetrania budovy komplexne a zabezpečiť intenzívnu komunikáciu medzi všetkými zainteresovanými účastníkmi, a to počas celej fázy – od navrhovania až po samotnú realizáciu.
Ak budeme hovoriť o možnostiach využitia solárneho komína, môže ísť o celoročné, respektíve sezónne využitie, čo sa v konečnom dôsledku odvíja od charakteru stavby a klimatických podmienok lokality, v ktorej by mal byť objekt situovaný. V minulosti (TZB Haustechnik č. 1/2010 a 5/2010) sme už uviedli, že teoretická podstata solárneho komína je založená na expanzii vzduchu, ktorý sa v dôsledku toho stáva ľahším a stúpa v smere proti gravitácii, čím sa, samozrejme, vytvára prirodzený pohyb vzduchu. Spomínanú expanziu vyvoláva nárast teploty vzduchu v šachte solárneho komína, ktorý nastáva v dôsledku prenosu tepla konvekciou z povrchu absorbéra do priľahlého vzduchu. Vzostup povrchovej teploty absorbéra indukuje dopadajúce priame slnečné žiarenie, ktoré preniká cez transparentnú časť solárneho komína. Cieľom je teda využiť energetický potenciál dopadajúceho slnečného žiarenia na zemský povrch a podporiť prirodzené mechanizmy prúdenia tekutín.
Z tohto uhla pohľadu by sa zdalo, že dôležitá je iba dostupnosť priameho slnečného žiarenia a efektívnosť jeho využitia v systéme solárneho komína. Dostupnosť slnečného žiarenia (priama zložka) v našich klimatických podmienkach je, samozrejme, vyššia počas letných mesiacov. Vzhľadom na výrazne nižšiu úroveň priemerného relatívneho slnečného svitu v zimnom období by sa očakávalo, že solárny komín bude mať obmedzenú funkciu, no v tomto prípade je teplota interiéru budovy výrazne vyššia, než je teplota vonkajšieho vzduchu. Teplý vzduch, ľahší ako vonkajší chladnejší, tak samovoľne stúpa smerom nahor, v smere proti gravitácii. Tento efekt sa snažíme dosiahnuť, respektíve ho umocniť aj počas letných mesiacov, a to pomocou solárneho komína.
Úvaha o prirodzenom vetraní budovy v zimných mesiacoch bez spätného využitia tepla z odpadového vzduchu nemá svoje opodstatnenie, pretože také riešenie výrazne znehodnocuje celkovú energetickú hospodárnosť budovy, čo je v rozpore s cieľom navrhovať energeticky hospodárne budovy. Preto v našich klimatických podmienkach možno hovoriť skôr o sezónnom využití pasívneho vetrania budov s podporou solárneho komína.
Treba však ešte doplniť, že ďalšími a veľmi významnými faktormi, ktoré ovplyvňujú prietok vzduchu, sú dynamický účinok vetra, jeho intenzita a smer prúdenia. Významne vplývajú na prietok a smer prúdenia vzduchu v budove, a teda aj solárnym komínom, čo je dané kreovaním tlakových pomerov v okolí budovy a v samotnej budove.
Výskum v Košiciach
Cieľom doterajšieho výskumu solárneho komína na SvF TU v Košiciach bolo preskúmať, do akej miery vplývajú jednotlivé parametre geometrie solárneho komína na prietok vzduchu vetracou šachtou pri pôsobení slnečného žiarenia, bez dynamického účinku vetra. Publikované výsledky sú malou frakciou spracovanej parametrickej štúdie, ktorá by mala byť obsiahnutá v odbornej publikácii pripravovanej na vydanie SvF TU v Košiciach v tomto roku. Analýza bola realizovaná s podporou simulačného nástroja CFD (Computational Fluid Dynamics – výpočtová dynamika tekutín) Star CCM+. Výsledky ukazujú, ktoré z posudzovaných parametrov majú významný, respektíve bezvýznamný vplyv na prietok vzduchu vetracou šachtou solárneho komína, čo umožňuje navrhnúť jeho prvotnú rozmerovú charakteristiku. Úloha sa riešila pre 12. hodinu referenčného dňa, ktorého parametre vonkajšej klímy boli simulované exaktným definovaním:
- polohy Slnka na oblohe (azimut Slnka A0S (°), výška Slnka h (°)),
- intenzity priamej zložky slnečného žiarenia IP (W/m2),
- teploty vonkajšieho vzduchu θe (°C).
Na spresnenie treba doplniť, že intenzita priamej zložky slnečného žiarenia Ip je hodnota uvažovaná na plôšku orientovanú kolmo na smer slnečného lúča pri jeho aktuálnej polohe, ktorá je daná výškou Slnka a azimutom meraným od severu.
Pri výskume sa použil model solárneho komína v základnom vyhotovení vetracej šachty (obr. 4), s ľahkým plechovým absorbérom na zadnej stene, povrchovo upraveným čiernym matným náterom. Transparentnú časť tvorí iba predný diel solárneho komína z jednoduchého tvrdeného kaleného skla s hrúbkou 12 mm. Všetky ostatné časti solárneho komína sú nepriehľadné, izolované tepelnou izoláciou s hrúbkou 150 mm. V tab. 2 sú parametre, ktoré charakterizujú vlastnosti jednotlivých povrchov.
Obr. 4 Model solárneho komína na účely CFD simulácie
Vplyv hĺbky vetracej šachty na hmotnostný prietok vzduchu
Prvou čiastkovou úlohou bolo posúdiť vplyv hĺbky vetracej šachty (B) na hmotnostný prietok vzduchu pri konštantnej výške solárneho komína (H = 3,0 m). Menili sa štyri varianty parametra B pri súčasnej zmene šírky šachty (L) tak, ako to znázorňuje graf na obr. 5a. So zväčšujúcou sa hĺbkou síce stúpa prietok vzduchu, ide však o nepatrný nárast, čo si možno všimnúť aj na grafe na obr. 5b. Pri 2,7-násobnom zväčšení hĺbky vetracej šachty sa dosiahne zhruba 1,2-násobné zvýšenie prietoku vzduchu solárnym komínom. To je veľmi zanedbateľná hodnota v porovnaní s takým výrazným zväčšením parametra hĺbky vetracej šachty, ktoré má súčasne vplyv aj na náročnosť konštrukčného vyhotovenia takého typu solárneho komína. Z výsledkov analýzy vyplynulo, že návrh hĺbky vetracej šachty solárneho komína by sa mal pohybovať v rozpätí 0,35 až 0,45 m pri šírke do 2,0 m. Pri vetracej šachte širokej viac ako 2,0 m možno ešte uvažovať o zväčšení hĺbky na 0,65 m.
Vplyv šírky vetracej šachty na hmotnostný prietok vzduchu
Predmetom druhej úlohy bolo analyzovať vplyv šírky vetracej šachty (L) na hmotnostný prietok vzduchu pri súčasnej zmene jej hĺbky (B) a konštantnej výške solárneho komína (H = 3,0 m). Opäť sa menili štyri varianty parametra šírky vetracej šachty v rozsahu 1,0 až 4,0 m s diferenciou ∆L = 1,0 m. V tomto prípade sa už aj v teoretickej rovine predpokladal pozitívny vplyv zväčšujúceho sa parametra šírky vetracej šachty na prietok vzduchu solárnym komínom, čo nakoniec potvrdili aj prezentované údaje na grafe na obr. 6a. Trend zmeny hmotnostného prietoku vzduchu má so zväčšujúcou sa šírkou šachty rastúci charakter. Ten možno pokladať za lineárny, čiže pri n-tom zväčšení parametra L sa približne n-násobne zväčší aj hmotnostný prietok vzduchu vetracou šachtou solárneho komína.
Úloha výšky vetracej šachty
V poradí tretím posudzovaným parametrom bola výška vetracej šachty (H), ktorá sa menila v rozsahu 3,0 až 6,0 m s výškovou diferenciou DH = 1,0 m pri konštantnej šírke solárneho komína (L = 1,0 m) a hĺbke vetracej šachty (B = 0,65 m). Podobne ako v predchádzajúcom prípade, aj tu možno hovoriť o pozitívnom účinku, ktorý dokladujú aj výsledky na grafe na obr. 6b. Z nich vyplýva, že pri 2-násobnom zvýšení výšky solárneho komína z 3,0 na 6,0 m sa dosiahne zhruba 1,7-násobné zväčšenie prietoku vzduchu.
Obr. 5 Závislosť prietoku vzduchu od parametra hĺbky vetracej šachty (B)
Obr. 6 Závislosť prietoku vzduchu od parametrov šírky vetracej šachty (L) a výšky solárneho komína (H)
Čo hovoria výsledky
Treba zdôrazniť, že dosiahnuté výsledky zo simulácie sú platné len pri modelovanom type konštrukcie solárneho komína. Ich platnosť určite nemožno zovšeobecniť a aplikovať aj na iné typy solárnych komínov, ktoré sa líšia nielen tvarom, ale aj materiálovým vyhotovením, typom a polohou absorbéra, veľkosťou a umiestnením otvorov na prívod a odvod vzduchu a podobne. Cieľom tohto článku bolo priblížiť čiastkové výsledky z rozsiahlej parametrickej štúdie geometrie solárneho komína, v rámci ktorej sa analyzovalo aj niekoľko ďalších parametrov, ako napríklad:
- vplyv tepelnotechnických vlastností netransparentných a transparentných častí solárneho komína,
- vplyv veľkosti transparentnej plochy solárneho komína,
- vplyv zmeny polohy vstupného a výstupného otvoru.
Je vhodné pripomenúť ešte jeden dôležitý faktor, ktorý sa v rámci tejto analýzy neriešil, a to dynamický účinok vetra, formujúci tlakové pomery nielen v okolí budovy, ale aj v samotnej budove. V tomto prípade bude rozhodujúca práve intenzita vetra a smer jeho prúdenia. Aby však bolo možné takú analýzu vykonať, bolo by treba skúmať už konkrétnu aplikáciu solárneho komína na budove, vystavenej prúdeniu vetra s určitou intenzitou, a analyzovať vplyv tlakových pomerov indukovaných vetrom na smer a kvantitu prietoku vzduchu solárnym komínom. Aj pre tieto dôvody sa výskumu solárneho komína budeme naďalej venovať.
Príspevok vznikol v rámci riešených projektov ITMS 26220120037 a VEGA 1/0748/11.
Foto a obrázky: archív autorov, Ing. Pavel Charvát, PhD.
Literatúra
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. Dizertačná práca. Košice: Technická univerzita v Košiciach, Stavebná fakulta, 2011.
Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.
