Ak prispôsobíme denný režim rodiny potrebe čerpať len minimum energie z verejných sietí (elektrina, plyn), dosiahneme s pomocou slnka energetickú sebestačnosť už teraz, s výnimkou studených zimných dní so zatiahnutou oblohou. Reč je nielen o rodinných domoch, ale aj o tých bytových, kde je najťažšie dosiahnuť spoločný „fotovoltický“ konsenzus všetkých obyvateľov.
A pritom zistíme, že kráčame cestou až k úplnej celoročnej energetickej slobode, kedy rúrky s „verejným“ plynom a drôty s elektrinou využijeme len ako zálohu alebo na ne rezignujeme úplne. To sa niekedy deje už dnes, keď sa napríklad úradne či inak komplikuje realizácia verejnej elektrickej prípojky. V tomto článku neradíme zrušiť verejnú energetickú prípojku. Avšak snaha o zníženie a v lete až o úplné vynulovanie účtov za energiu vás určite nadchne.
O akú energiu ide?
Uvažujme o jednoduchom prízemnom bungalove štvorcového pôdorysu 10 × 10 metrov s takmer vodorovnou strechou o ploche 100 m2 vo výške 3,2 metra s priemerným súčiniteľom prestupu tepla celého domu 0,5 W/(m2K). Tento dom zaznamenáva v decembri (mesiac zimného slnovratu) a v júni (mesiac letného slnovratu) pozoruhodné prevádzkové hodnoty tepelných strát prestupom v porovnaní s energiou slnečného žiarenia, ktoré na tento istý dom dopadá:
Zhrňme si pre prehľadnosť údaje v tab. 1 do štyroch kľúčových energetických hodnôt:
Jún
•Slnečný impakt: +33,745 MWh/mes.
•Prestup tepla: –0,2409 MWh/mes.
December
•Slnečný impakt: +2,010 MWh/mes.
•Prestup tepla: –1,986 MWh/mes.
Vidíme, že slnečné žiarenie, ktoré dopadá na uvedený dom aj v decembri (mesiac s najnižšou oslnenosťou) väčší, než je zodpovedajúca celomesačná strata tepla prestupom. Hodí sa aj pripomenúť, že to platí pre relatívne dobre zateplený dom s priemerným súčiniteľom prestupu tepla celého domu UT = 0,5 W/(m2K); kvalitná tepelná izolácia je teda dôležitá. V ostatných mesiacoch miera oslnenia v porovnaní so stratami tepla rýchlo rastie a dosahuje maximum v júni a júli. So stratami tepla podlahou pritom neuvažujeme.
Z finančné hľadiska to znamená, že pri priemernej cene elektriny (celková cena za elektrinu -elektrina, variabilná zložka, straty, systémové služby a pod.) 0,18 Eur za 1 kWh elektriny (cena ku koncu septembra 2022) doručí slnko na uvedený dom v decembri energiu za viac než 380 eur! V júni je to dokonca za neuveriteľných 5 290 eur!. Áno, slnko nás touto energiou zásobuje zdarma! Než donekonečna zväčšovať hrúbku tepelnej izolácie na základe slepej teplovzdušnej stavebnej tepelnej techniky je účinnejšie pracovať so slnečným žiarením a farbami vonkajších povrchov domov. To sa týka aj vonkajších tieniacich predmetov na oknách a fasádach.
Kde sa tieto čísla vzali? Mesačná oslnenosť vodorovných zemských povrchov priamo vyplýva z dát referenčného klimatického roka pre posudzovanú lokalitu, čo je v tomto prípade Hradec Králové. Ide o súhrn hodinových meraní vonkajších teplôt a energie slnečného žiarenia, ktoré dopadá na rovinnú plochu. Za celý rok to robí 24 × 365 = 8760 údajov o teplote vonkajšieho vzduchu a energii dopadajúceho slnečného žiarenia vo W (respektíve vo Wh/h). S touto databázou pracujeme a najmä dokážeme previesť oslnenie vodorovnej plochy v každej hodine roka na oslnenie ľubovoľne sklonité a k svetovým stranám orientované strešné alebo fasádne plochy.
Referenčný rok odkazuje k minulosti (dáta z roku 2016), takže jeho hodinové dáta nemožno vzťahovať k rovnakej hodine alebo dňu aktuálneho či iného roka. Avšak v mesačných porovnaniach sa údaje z rôznych rokov príliš nelíšia a možno ich považovať (s vedomím malej nepresnosti) za totožné.
Tieniace predmety na oknách aj farba fasády
So slnečným žiarením ako zdrojom zimnej energie domu a zároveň aj pôvodcom jeho letného prehrievania je potrebné sa predovšetkým dobre zoznámiť a správne ho uchopiť. V „slnečnej architektúre“, o ktorej je v podstate reč, hrajú hlavnú úlohu farby:
Biela farba vonkajších povrchov domu dobre odráža tepelné žiarenie vrátane slnečného. Biele povrchy zostávajú na slnku chladné, tzn. na úrovni vonkajšieho vzduchu. Ideálna biela neexistuje, avšak dokážeme sa jej dobre prispôsobiť. V noci biela farba naopak tepelné žiarenie nevyžaruje a konštrukcia pod ňou sa teda sálavo ochladzuje len minimálne.
Čierna farba naopak všetko tepelné žiarenie pohlcuje. Čierne povrchy sa hlavne na priamom slnku nápadne ohrievajú, výnimkou nie sú teploty nad 70 °C. Naopak v noci táto farba najviac sála teplo do okolitého prostredia, čím chladne často pod teplotu vzduchu. To potom celkom mení vonkajšiu „teplovzdušnú“ okrajovú podmienku.
Fotovoltika
Fotovoltika je zariadenie, ktoré mení energiu dopadajúceho slnečného žiarenia na elektrinu, s pomocou ktorej je možné v dome vykurovať, v lete chladiť a celoročne poháňať elektrické spotrebiče. Ukážme si, ako túto energiu uchopiť, v prípade prebytkov akumulovať do batérií a celoročne potom využívať na zlepšenie energetiky domu. A ideálne tak doviesť dom až k jeho úplnej energetickej sebestačnosti vrátane zimy.
Ako fotovoltika funguje?
Fotovoltika priamo premieňa slnečné žiarenie na elektrinu (jednosmerný elektrický prúd) s využitím fotoelektrického javu na veľkoplošných polovodičových fotodiodách (solárnych paneloch). Jednotlivé diódy sa nazývajú fotovoltické články a zvyčajne sú spájané do väčších celkov – panelov. Väčšia či menšia zostava panelov sa nazýva fotovoltická elektráreň. Tá môže byť na streche rodinného domu alebo môže zabrať napríklad hektárové pole.
Svetlo, hlavne vysokoenergetické slnečné žiarenie v teplote 5 510 °C a energetickej intenzite až 1100 W/m2 (v miestach obežnej dráhy Zeme okolo Slnka), spôsobuje, že sa na fotodiódových prechodoch uvoľňujú (excitujú) väzobné elektróny za vzniku zhodne orientovaných chemických väzobných dipólov. Tým vzniká usmernený potenciál (napätie), ktoré v uzavretom elektrickom obvode koná prácu (rozsvieti žiarovky alebo napríklad roztáča elektrické stroje a podobne). Základom tejto technológie je dnes kremík, z ktorého sa fotodiódy vyrábajú.
Existujú dva druhy solárnych článkov: monokryštalické a polykryštalické, ktoré sa na základe rozdielnych spôsobov výroby líšia svojimi vlastnosťami. To, pre aké sa nakoniec rozhodneme, závisí od viacerých faktorov a malo by sa vopred dobre zvážiť. Popri cene, výkone a požadovanej účinnosti fotovoltiky je dôležité aj miesto jej použitia.
Okrem solárnych článkov sa fotovoltické zariadenia skladajú z meniča, káblov a predovšetkým z batérií, čo je zbernica a zásobáreň elektrickej energie, ktorá umožňuje chod domových a domácich elektrických spotrebičov aj v čase, keď slnko nesvieti. Menič potom spracováva rovnomerné napätie z fotovoltiky alebo batérií na striedavý prúd. Inou súčasťou domácej fotovoltiky býva prípojka k verejnej elektrorozvodnej sieti, ktorá sa aktivuje pri nedostatku slnečnej elektriny.
Výhody fotovoltiky
V poslednom čase rýchlo rastie pripravenosť koncových užívateľov k vlastnej výrobe elektriny. Veľkým impulzom je rýchle zdražovanie (jeseň 2022) „verejnej“ elektriny a plynu. Pritom dnešné fotovoltické zariadenia už využívajú slnečnú energiu veľmi výhodne. S inštaláciou fotovoltiky signalizuje ich prevádzkovateľ tiež zodpovedné jednanie k životnému prostrediu.
Efektívna spotreba solárnej elektriny
Majitelia fotovoltických aplikácii majú v súčasnej dobe dve možnosti využitia elektriny, ktorú vyrábajú:
1.elektrina môže byť celkom alebo čiastočne privádzaná do siete,
2.elektrina môže byť celkom spotrebovaná a prevádzkovaná aj bez vedomia elektrorozvodnej firmy.
Vlastná solárna elektrina je z dlhodobého pohľadu lacnejšia a pohodlnejšia ako elektrina zo siete a ponúka aj ďalšie výhody. Vlastnú spotrebu zaisťuje optimálna koncepcia systému v kombinácii s vhodne zladenými spotrebičmi, ktoré sa – podľa možností – spúšťajú nie naraz, ale postupne. Dôležitý je poznatok, že majitelia vlastnej fotovoltickej elektrárne na streche či záhrade rodinného domu automaticky a spontánne prispôsobujú svoje konanie tak, aby elektrinu z verejnej elektrorozvodnej siete využívali čo najmenej.
Fotovoltika a letné chladenie
V zime, keď sú dni krátke, noci dlhé a obloha často oblačná, domová fotovoltická elektráreň nie vždy stačí úplne pokryť potrebu elektriny na vykurovanie a bežnú prevádzku domu.
V lete je to naopak: letná výroba fotovoltaickej elektriny často plne postačuje na bežnú prevádzku domácnosti, a navyše mnohokrát vykazuje prebytky, ktoré možno využiť na chladenie domu a ďalšie účely.
Z pohľadu celoročnej prevádzky je vhodné dom vybaviť vykurovaco-chladiacou sústavou, najlepšie v podobe plošného podlahového a ešte lepšie stropného vykurovania/chladenia. Sú ale aj príklady, kedy na modernizované vykurovanie a letné chladenie starších domov boli využité pôvodné klasické „radiátory“. Pre takéto riešenie (a nielen to) je vhodné nasadiť do vykurovacej sústavy tepelné čerpadlo, ktoré za 1 kWh vloženej elektrickej energie dokáže prečerpať až 3 kWh tepla z chladného vonkajšieho vzduchu do vzduchu vnútorného, hoci teplejšieho. A získať tak čisté 2 kWh tepla na vykurovanie.
Fotovoltika a zdravé bývanie
Vlastná výroba energie a špeciálne slnečnej elektriny pomocou fotovoltiky bude v budúcnosti a hlavne v našom podnebnom pásme najskôr nevyhnutnosťou aj pre prevádzku bytu či domu. K zdravému bývaniu však nestačí len príjemná vnútorná teplota. Vôbec najdôležitejšia hodnota zdravého bývania je totiž čerstvý vzduch. To hovoríme preto, že táto hodnota je – až na občasné výkriky do tmy – trvalo opomínaná.
Zdravé vnútorné prostredie – čerstvý vnútorný vzduch
Priemerný človek nadýchne za jediný deň asi 10 m3 vzduchu. Ideálne by mal nadýchavať čerstvý vonkajší vzduchu s obsahom CO2 (oxid uhličitý) asi 400 ppm. To je možné však len pri pobyte vonku. Vo vnútri budov sa musíme uspokojiť s horšou, ale ešte akceptovateľnou mierou vydýchanosti vzduchu. Dodajme, že vydychovaný vzduch obsahuje priemerne okolo 35 000 až 50 000 ppm CO2.
•Správne vetranie obytných domov a miestností musí mať vždy absolútnu prednosť pred tepelnou ochranou domov a bytov.
Človek nemôže žít vo vydychovanom vzduchu. Prijateľná hranica pre dlhší pobyt v miestnosti (doma alebo na pracovisku) je do 1 000 ppm CO2. Z výpočtu vyplýva, že pri objeme miestnosti 75 m3, v ktorej sú dve osoby o hmotnostiach 85 a 65 kg, z ktorých prvá číta alebo píše a druhá varí či napríklad umýva riad, je potrebné vetrať minimálne s intenzitou 148 % celkového objemu vzduchu za hodinu. To znamená priviesť za jedinú hodinu do miestnosti čerstvý vonkajší vzduch o objeme jedenapolnásobku objemu miestnosti a pôvodný vzduch nechať netesnosťami unikať von. Ideálne by mal zároveň prichádzajúci čerstvý vonkajší vzduch v rekuperačnej jednotke prevziať teplo od vnútorného vychádzajúceho vzduchu.
Zdroje:
• [1] Hejhálek, Jiří: Rodinný dům, který čerpá energii ze slunce, https://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/rodinny-dum-ktery-cerpa-energii-ze-slunce
• [2] Větrání v bytě a domě (výpočtový program), https://www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/vetrani-v-byte-a-dome
Čítajte tiež:
