Slnečné domy (I)

Vzhľadom na obrovský potenciál slnečnej energie, ktorá dopadá na zemský povrch v prirodzenom stave, a na jej kvalitatívne vlastnosti predstavuje slnečná energia alternatívne nevyčerpateľný zdroj z energetickej aj z ekonomickej stránky. Uvedená skutočnosť núti spoločnosť zaoberať sa vývojom nových technických zariadení pre využitie tohto veľkého energetického potenciálu pre potreby ľudstva, najmä v oblasti nízko-potenciálnej tepelnej energie, s cieľom znižovať spotrebu klasických ušľachtilých palív a zároveň chrániť životné prostredie.

Dostupnosť slnečného žiarenia a slnečná architektúra

Približne 40 % ročnej spotreby energie na Zemi je využívané na vykurovanie objektov v komunálnej sfére. V tejto hodnote je ukrytá veľká rezerva umožňujúca šetrenie energie, ktoré môže byť dosiahnuté aj progresívnou architektúrou. Túto označujeme ako "slnečnú" (solárnu) architektúru. Veľkú úlohu v slnečnej architektúre zohrali nové stavebné materiály a materiály pre výrobu transparentných konštrukcií, pritom je veľmi dôležitá ako ich konštrukčná filozofia tak aj aplikácia vhodných materiálov, pomocou ktorej sa dá dosiahnuť značná úspora energie bez toho, aby bola znížená optická priepustnosť skla. V súčasnosti sa jedná o okná s izolačnými dvojsklami alebo trojsklami. (Izolačné trojsklo predstavujú vlastne tri sklené tabule vo vzdialenosti cca 12 mm, stredné sklo môže byť postriebrené, čím sa dosiahne ochrana proti nadmernému prieniku slnečného žiarenia, príp. aj nežiadúcemu odvádzaniu tepla z miestnosti - tepelným stratám.)

Slovné spojenie slnečný dom charakterizuje dom, ktorý počas celého roka využíva slnečnú energiu prevažne na prípravu teplej vody a tepla pre vykurovanie. Skutočnosť, že v zimnom období a v prvých jarných mesiacoch je slnečné žiarenie nižšej intenzity, je potrebné k objektu osadiť taký systém akumulácie tepla, ktorý je schopný pokryť potrebu tepla daného objektu pri osadení vhodného druhu vykurovacej sústavy vo vykurovanom objekte. Existujú už slnečné technológie, ktoré transformujú slnečnú energiu priamo na svetlo a elektrickú energiu. Toto začína byť aj ekonomicky výhodné v určitých podmienkach. Pritom je nutné si uvedomiť, že využívanie energie slnečného žiarenia nie je ovplyvnené krízovými podmienkami (energetickou krízou), je spoľahlivé - dlhodobo dostupné (s pohľadu ľudskej spoločnosti) takmer všade a s minimálnym negatívnym dopadom na životné prostredie.

Čo je pasívny a čo aktívny slnečný dom?

Pasívny slnečný konštrukčný systém (priamy) nízkoenergetického domu zachytáva slnečnú energiu predovšetkým svojou stavbou - vhodne umiestnenými a upravenými prvkami stavebnej konštrukcie. Využívajú sa maximálne oslnené plochy na južnej a juho-západnej strane budovy. Situovanie objektu musí však vyhovovať požiadavkám slnečnej architektúry, to znamená, čo najviac obmedziť nepriaznivý vplyv okolitého prostredia (nadmerné slnečné žiarenie v lete, účinky vetra) a naopak využívať priaznivé vplyvy slnečného žiarenia v zime.

Pri osadení objektu do terénu musí byť zohľadnená skutočnosť, že južná fasáda funguje ako najefektívnejší slnečný zberač a väčšie odchýlky orientácie negatívne ovplyvňujú funkciu celého systému. Prípustná odchýlka od južnej azimutálnej orientácie je približne 22,5°, pričom je lepšia orientácia JJZ.

Okná a zasklené steny pasívneho nízkoenergetického domu, osadené vo väčšej miere na južnej fasáde, sú navrhnuté tak, aby aj v zimných mesiacoch, keď je miera oslnenia nižšia, dosahovali tepelné zisky čo najvyššie hodnoty. Severná ochladzovaná fasáda je najmenšia resp. s čo najmenšími transparentnými konštrukciami, čo znamená aj obmedzenie tepelných strát na minimum.

Najúspornejšia z hľadiska tepelných strát by bola budova v tvare gule, ktorá má pri maximálnom objeme minimálny povrch, účinná je aj realizácia zaoblenia styku dvoch stien s väčším polomerom (obr. 1), namiesto realizácie pravouhlých pôdorysov. Z hľadiska oslnenia je najpriaznivejší predĺžený tvar pôdorysu s hlavným priečelím orientovaným na sever a juh. V takomto tvare akumuluje objekt v lete minimum a v zime maximum tepelného príkonu zo slnečného žiarenia.

Obr. 1: Slnečná architektúra - presklená južná fasáda
s kruhovým pôdorysom

Teplo, ktoré zachytáva pasívny slnečný systém, sa akumuluje predovšetkým v stropoch, ktoré sú v moderných stavbách masívne a pri viacpodlažných budovách môžu byť použité na akumuláciu tepla pri vykurovaní, a tak isto aj na akumuláciu chladu pri chladení (v lete nočným chladením).

Teplo, ktoré zachytáva pasívny slnečný systém sa akumuluje predovšetkým v stropoch, ktoré sú v moderných stavbách masívne a pri viacpodlažných budovách môžu byť použité na akumuláciu tepla pri vykurovaní, a tak isto aj na akumuláciu chladu pri chladení (v lete nočným chladením).

Dispozičné riešenie tohto domu vychádza z lichobežníkového tvaru rezu aj pôdorysu. Južná fasáda, najrozmernejšia, je postavená ako vyvýšená tak, aby pultová strecha umožňovala slnečným lúčom v zimnom období dostať sa čo najhlbšie do interiéru. Strecha je riešená tak, aby v lete tienila a bránila nadmernému prehrievaniu vnútorných priestorov. Pri severnej stene, ktorá je ako nárazová tepelná zóna, je skladovací priestor.

Aktívny slnečný systém (nepriamy) využíva slnečné zariadenia na výrobu nízkopotenciálneho tepla resp. elektrickej energie získanej na báze energie slnečného žiarenia a ich krátkodobú akumuláciu. Najdôležitejšími komponentmi takého zariadenia sú slnečné zberače - kolektory, ktoré transformujú energiu slnečného žiarenia na tepelnú a odovzdávajú ju ďalej prostredníctvom teplonosnej látky do rozvodnej tepelnej siete.

Z hľadiska architektúry je zaujímavý tvar a veľkosť slnečných kolektorov a ich umiestnenie v rámci stavebného systému. Problém zosúladenia optimálneho sklonu strechy a kolektorov riešia pohyblivé systémy, ktoré pomocou servomotora sledujú pohyb slnka a natáčajú sa vždy kolmo na smer dopadu lúčov. Tieto zariadenia sa vzhľadom na svoju zložitosť a ekonomickú náročnosť používajú len výnimočne, čo v budúcnosti nemusí platiť.

Obr. 2: Dom s priamym využitím slnečnej energie, tzv. Sokratov dom - pozdĺžny rez a pôdorys.
1 - letné Slnko, 2 - zimné Slnko, 3 - terasa (ochranná zóna z juhu),
4 - obytný priestor, 5 - skladovací priestor (tepelná ochranná zóna zo severu)

V globálnej koncepcii využitia energie slnečného žiarenia v aktívnych slnečných systémoch bezpochyby na prvom mieste stojí fotovoltaika, t.j. technológia, ktorá umožňuje priamu premenu energie slnečného žiarenia na elektrickú pomocou fotoelektrického javu. Tento jav sa využíva v tzv. slnečných fotovoltaických článkoch. Fotovoltaické články sa vyrábajú z polovodičových materiálov ako je napr. kremík. Účinnosť premeny energie slnečného žiarenia na elektrinu je v komerčne dostupných článkoch na úrovni 10%, ale v laboratórnych článkoch už presiahla aj hodnotu 20 %. Fotovoltaické články majú výhodu v tom, že ich spojením je možné vytvárať väčšie moduly slnečných systémov na báze fotovoltaickej technológie. Pre mnohé aplikácie je technológia fotovoltaiky už dnes výhodnou alternatívou ku klasickým zdrojom elektriny. Fotovoltaický článok premieňajúci energiu slnečného žiarenia na elektrinu totiž neobsahuje žiadne pohyblivé časti, čo zvyšuje jeho spoľahlivosť a má minimálne nároky na údržbu a prevádzku. Fotovoltaické články sú schopné vyrábať elektrinu takmer v každom počasí. Pri čiastočne zatiahnutej oblohe ich výkon dosahuje 80% nominálneho výkonu (NV) a aj pri úplne zatiahnutej oblohe počas dňa je tento výkon ešte na úrovni 30% NV.

Typy slnečných domov

Z hľadiska praktických podmienok pre aplikáciu fotovoltaiky rozlišujeme štyri skupiny slnečných domov. Prvú skupinu tvoria objekty v odľahlých oblastiach, kde vôbec nie je verejná elektrická sieť, alebo by zaobstarávacie náklady na zriadenie prípojky boli v daných podmienkach veľmi veľké. Slnečné domy v tomto prípade nutne vyžadujú vlastný zdroj elektrickej energie, ktorý kladie špecifické podmienky na využitie energie slnečného žiarenia. Druhá skupina slnečných domov je tvorená objektmi, ktoré sú napojené na elektrickú sieť, ale časť svojej spotreby majú kryť zo slnečnej energie, čím sa znižujú na elektrický prúd. Domy, ktoré pokrývajú celú spotrebu elektrickej energie výhradne na báze slnečného žiarenia a pritom je k dispozícii verejný elektrický rozvod, tvoria tretiu skupinu slnečných domov. Fotovoltaickou jednotkou môže byť vybavený tak každý samostatný dom ako aj komplex budov. Štvrtý typ zahŕňa objekty, ktoré sú vybavené slnečným zariadením, aj keď sú pripojené na verejnú sieť. Slnečný zdroj je so sieťou prepojený, takže do nej dodáva prebytočný elektrický prúd. Príslušné časti elektrického prúdu sú potom vyúčtované medzi majiteľom objektu a energetickým podnikom.

Predpoklady rozšírenia slnečnej architektúry

K intenzívnym znečisťovateľom ovzdušia na regionálnej úrovni sa radí lokálne vykurovanie a kotolne, ktoré používajú nekvalitné uhlie, príp. vykurovací olej. Stále diskutovaná, ale neriešená problematika zhoršovania kvality životného prostredia miest aj vidieka alarmuje nielen ochrancov prírody a obyvateľov postihnutých oblastí, ale aj odborníkov zdanlivo vzdialených odborov. Aj architekti a stavební inžinieri hľadajú cesty znižovania množstva emisií do ovzdušia, ktoré vznikajú spaľovaním najmä fosílnych palív pri výrobe rôznych foriem energie. Časť tejto energie sa dá ušetriť využitím slnečnej energie, stavbou takých obytných objektov, ktoré by túto energiu zachytávali a umožnili jej využitie. Ako Slovensko tak aj Česká republika majú vhodné podmienky na exploatáciu slnečnej energie na vykurovanie obytných stavieb a na prípravu teplej vody. Ide najmä o intenzitu slnečného žiarenia a počet hodín jeho svitu. Klimatické podmienky nie sú tak atraktívne ako v Stredomorí, ale sú zase oveľa priaznivejšie ako napr. v Škandinávii, či Švajčiarsku a Rakúsku, kde je výstavba slnečných domov na dedinách rozšírená a štátom výrazne podporovaná predovšetkým znížením dane.

Stavby, ktoré sa navrhujú na optimálne zachytenie a využívanie slnečnej energie, sú vo svete tak rozšírené, že sa podpísali pod vznik architektonického štýlu - slnečnej architektúry.