Využití sluneční energie k chlazení budov (I)

Solární soustavy jsou dosud téměř výlučně využívány k ohřívání užitkové vody, vody v bazénech nebo jako pomocný zdroj tepla pro vytápění. Kromě těchto třech klasických způsobů využití se v současné době objevuje ještě další: solární soustavy dodávají energii pro klimatizaci budov. V Evropě je dnes v provozu již více než 50 soustav se "solární klimatizací".

Obr. 1. Kolektory s vakuovanými trubkami s celkovou plochou
absorbérů 240 m², sloužící k chlazení vzduchu v tiskovém středisku spolkové vlády

Chlazením, případně klimatizací pracovišť, a to zvláště v administrativních budovách, se u přítomných osob vytváří pocit tepelné pohody a podporuje jejich pracovní výkon.

Klimatizace se ale požaduje také v prostorách s elektronickým zpracováním dat, laboratořích a při skladování potravin - z technických a hygienických důvodů. Používání běžných chladicích kompresorů s elektrickým pohonem má za následek - především v teplých letních dnech - vysokou spotřebu elektřiny, a to většinou v odběrových špičkách. Tomu pak odpovídají vysoké provozní náklady.

Určitou alternativou jsou zde způsoby chlazení, využívající k pohonu místo elektřiny tepla. Tak například v kombinaci se solární soustavou je možné podle okolností pokrýt požadavky na energii pro chlazení budovy částečně nebo i zcela ze slunečního záření. Zvlášť výhodné přitom je, že jeho výskyt je nadprůměrný právě v měsících s největší tepelnou zátěží (obr. 2).

Obr. 2. Energie dopadajícího slunečního záření - denní hodnoty v průběhu roku

Chlazení sluneční energií v tiskovém středisku

Jedna z prvních soustav v SRN, využívajících sluníčka k chlazení, vznikla v roce 2000 v tiskovém a informačním středisku vlády. V souvislosti s přemístěním do Berlína bylo vybudováno tiskové centrum a centrum pro veřejnost, knihovna, jakož i rozmanité speciální technické zázemí a rozsáhlé kancelářské plochy pro 450 pracovníků. Musily k tomu být využity i některé budovy současné zástavby, které byly do nové, 120 m dlouhé novostavby ze skla včleněny těsně u štítové stěny někdejší poštovní spořitelny (obr. 3).

Obr. 3. Solární chlazení štítové stěny - novostavba tiskového úřadu spolkové vlády

Mezi skleněné fasády novostavby a dřívější poštovní spořitelny byly umístěny chladicí výměníky, ochlazující vnitřní plochu fasády pomocí proudícího vzduchu. Chladicí soustava s přirozeným prouděním vzduchu je napájena ze dvou absorpčních chladicích zařízení o celkovém výkonu 105 kW, využívajících k pohonu teplo ze slunečních kolektorů. Celková plocha kolektorů je 240 m². Skládá se z kolektorů s vakuovanými trubkami (typ Vitosol 200) a je umístěna na střeše novostavby.

K hydraulickému oddělení solární soustavy od absorpčního chladicího zařízení slouží dva akumulační zásobníky o obsahu 800 l. Případný přebytek chladicí energie získané ze slunečního záření je možné pomocí ústřední rozvodné sítě využívat i v jiných částech budovy. Patří k nim také prostory sloužící k elektronickému zpracování dat, se svými celoročními požadavky na chlazení. V případech, že požadavky na chlazení štítové stěny nemohou být plně pokryty energií ze solární soustavy, poslouží tzv. záložní dodávka tepla - z přípojky k soustavě dálkového zásobování teplem. V zimní polovině roku, kdy se chlazení nepožaduje, je sluneční energie využívána k podpoře vytápění místností.

Přehledně o technickém řešení

Chladicí soustava tiskového střediska spolkové vlády patří k těm soustavám, v nichž je teplonosnou látkou voda. Teplo je z místností či z celých částí budovy odváděno vodou, obíhající v uzavřeném okruhu. V současné době jsou v SRN používány převážně dva způsoby řešení ústředních soustav "solárního chlazení":

• Uzavřené soustavy s chladicím zařízením poháněným tepelnou energií (absorpční nebo adsorpční chladicí zařízení), používané k ochlazování vody. Touto vodou je ochlazován - případně odvlhčován - větrací vzduch, nebo je potrubní sítí rozváděna k místním (decentrálním) chladicím jednotkám do různých místností. Jestliže se požaduje i následné odvlhčování vzduchu, je pro kondenzaci vodní páry ze vzduchu požadována i odpovídající voda o nižší teplotě.
  
  
• Otevřené soustavy, u nichž se vždy jedná o větrací soustavy. Nazývají se "otevřené", protože u nich ve všech případech dochází k přímému styku "chladicí látky" (nebo vody) se vzduchem.

Jak pro uzavřené, tak pro otevřené soustavy jsou dostupné absorpční a adsorpční chladicí agregáty, případně sorpční zařízení pro ústřední chlazení o výkonu, odstupňovaném v různém rozmezí (tab. 1). Pro volbu technického vybavení jsou rozhodující: docílená teplota chladicí vody a teplota teplonosné látky pro ohřev.

Tab. 1. Přehled nejběžnějšího technického zařízení pro soustavy solárního chlazení

Pokyny pro projektování

Pokud se jedná o spotřebu chladu, neliší se dimenzování solární chladicí soustavy od postupu u běžného zařízení, používaného pro chlazení budov. Průběh tepelné zátěže budovy a odpovídající požadavky na chlazení se zjišťují výpočtem - matematickou simulací. S využitím výsledků výpočtu mohou být stanoveny velikosti chladicích ploch, jakož i druh a výkon chladicího zařízení. Potřebné vstupní teploty, teplotní spád a požadovaný tepelný příkon k pohonu je třeba zvolit podle podkladů od výrobce chladicího agregátu či sorpčního zařízení. Pro stanovení provozní účinnosti (COP: coefficient of performance - poměr okamžitého chladicího výkonu k příkonu, odebraného k pohonu zařízení) musí být známé - případně být zjištěny teploty a teplotní spády na obou stranách chladicího agregátu.

Obr. 4. Solární klimatizační soustava - zjednodušené schéma

Pro potřeby dimenzování a optimálního připojení solární soustavy, jakož i pro určení nezbytného objemu akumulační nádrže, je třeba při simulačním výpočtu uvažovat pokud možno malé rozdíly v průběhu tepelné zátěže. Při navrhování celkové plochy kolektorů a objemu akumulačního zásobníku jsou rozhodující požadavky na spotřebu chlazení. Teplotní spád mezi vstupem a výstupem z okruhu kolektorů se přizpůsobuje teplotnímu spádu předepsanému u chladicího agregátu tak, aby se nemusily nastavovat zbytečně vysoké teploty na výstupu z kolektorů. Pro kolektory z toho vyplývají poměrně značné objemové průtoky, o velikosti přibližně 80 l/(h . m²) (obr. 4).

Obr. 5. Solární okruh s přímým napojením na akumulační zásobník

Zkušenosti získané z provozu celé řady solárních klimatizačních soustav naznačují, že někdy je možné vypustit deskový výměník tepla mezi okruhem kolektorů a akumulačním zásobníkem.

Směs vody s glykolem se pak přivádí z okruhu kolektorů přes akumulační zásobník přímo do chladicího agregátu (obr. 5). Odpadá tím snížení teploty, ke kterému jinak ve výměníku nevyhnutelně dochází. Kromě toho se také ušetří pořizovací náklady na výměník a oběhové čerpadlo v sekundárním okruhu. Nutným předpokladem zde však je, aby směs vody s glykolem byla vhodnou teplonosnou látkou jak pro chladicí agregát, tak pro záložní konvenční zdroj tepla, který má v případě potřeby sloužit k dohřívání.

Volba druhu kolektorů

Odpověď, zda budou u solární klimatizační soustavy použity trubkové nebo ploché kolektory, závisí zejména na vstupní teplotě, požadované pro chladicí agregát. Protože tato teplota je v porovnání s teplotou požadovanou u solárního ohřívání užitkové vody nebo u přitápění vysoká (asi 85 °C až 100 °C), používají se ve střední Evropě obvykle kolektory s vakuovanými trubkami. Při větších teplotních rozdílech mezi kolektorem a okolním prostředím a při difúzním záření vykazují vyšší účinnost, než kolektory ploché. V krajině s intenzivnějším slunečním zářením a vyššími teplotami okolí se však uplatní i kolektory ploché.

Zařízení obchodní pobočky firmy Viessmann v Madridu se skládá ze 42 plochých kolektorů, umístěných na střeše budovy (obr. 6). Všechny kolektory jsou osazeny na společném otočném rámu. Nastavení rámu je během dne ovládáno automaticky pomocí elektromotorů v závislosti na denní době a poloze slunce tak, aby bylo možné sluneční energii využít co nejvíce. Tepelná energie získaná ze sluníčka (104 kW) je ukládána do osmi akumulačních zásobníků po 1000 l, a to pro potřeby absorpčních chladicích agregátů i pro přitápění a ohřívání užitkové vody.

Obr. 6. Soustava kolektorů o celkové ploše 105 m² u obchodní pobočky
firmy Viessmann dodává energiei pro chlazení, přitápění a ohřívání užitkové vody. Přívodní
a zpětná potrubí kolektorů jsou vedena trubkou, uloženou koaxiálně v otočné ose rámu.

Ukazatel pokrytí energetických požadavků

Ukazatel udává procentuální podíl sluneční energie, využité pro pokrytí všech energetických požadavků soustavy. Obdobně jako je tomu u přitápění nebo ohřívání užitkové vody, tak i u chlazení (případně klimatizace) není ve střední Evropě možné sluneční energií plně pokrýt energetickou potřebu v celém požadovaném období a když, tak pouze za cenu neúměrně vysokých nákladů. V soustavě s chladicími agregáty poháněnými tepelnou energií je tedy nutné pamatovat i na záložní konvenční zdroje tepla - pro případy kdy energie ze sluníčka nestačí.

Při projektování solárních chladicích soustav je třeba si uvědomit i následující souvislosti: jsou-li chladicí agregáty navrhovány pro nízké vstupní teploty vody s ohledem na (nízké) zisky ze sluníčka, je u nich třeba očekávat i poněkud nižší účinnost provozu. Pro provoz solární soustavy to podstatné není. Jestliže ovšem počítáme s nízkým ukazatelem pokrytí energetické potřeby solární soustavou, je nezbytné dodávat více tepelné energie ze záložních zdrojů tepla, a to s poměrně nižší účinností přeměny v chlad. Měli bychom se tedy snažit, aby byl ukazatel pokrytí solární energií vždy co nejvyšší.