Fotovoltaické panely a solární kolektory

Samozřejmostí musí být kvalitní architektonické i technické řešení se zárukou dlouhodobé životnosti alespoň 25 let. Nejvhodnější je instalace fotovoltaických panelů na plochou střechu, dále na štítovou stěnu, na zábradlí balkonů nebo lodžií. Panely se mohou uplatnit také jako markýzy. Varianty se zvažují z energetického i ekonomického hlediska, na efektivitu systému mají kromě umístění fotovoltaiky vliv místní klimatické podmínky.

Při návrhu je nutno určit plochu konstrukce, na kterou má být systém aplikován. Ta se pak snižuje o části, které není možno použít - na střeše jsou to například stíněná místa od výtahových a větracích šachet, komunikačních zařízení antén mobilních operátorů, WiFi, jejich příslušenství a dalších zařízení. Často se také objevují právní problémy, jako je právo přístupu na střechu, zodpovědnost za provoz a případné poškození zařízení.

INSTALACE NA STŘECHU

Při instalaci panelů na střechu je nutno zvolit nosnou konstrukci, její kotvení a zvážit její statické působení. Vždy je nutno nosnou konstrukci panelů kotvit, zejména proti namáhání větrem (konstrukce musí odolat větru o rychlosti 130 km/h). U menších konstrukcí lze použít gravitační kotvení pomocí betonových závaží. Podmínkou je však dostatečná nosnost střechy. To bývá obvykle jednodušší u tzv. obrácených střech, kde je tepelná a hydroizolace překrytá např. vrstvou oblázků nebo dlažbou.

U dvouplášťových střech (na většině panelových domů) není někdy vnější plášť dostatečně nosný. Pak je nutno konstrukci kotvit do stropních železobetonových panelů. Přitom hrozí poškození hydroizolace a následné zatékání. Jiným řešením je kotvit nosnou konstrukci fotovoltaických panelů do atiky.

Zásadní výhodou instalace na střechu je možnost orientovat panely přímo na jih s optimálním sklonem okolo 35°. Panely na konstrukci jsou lépe ochlazovány a pracují tak s lepší účinností. Pokud se střecha opatří nátěrem odrážejícím sluneční paprsky, mírně se zvýší produkce panelů a hlavně se sníží letní tepelná zátěž bytů pod střechou.

FOTOVOLTAICKÉ KRYTINY

Jinou možností je tenkovrstvá fotovoltaická krytina, která slouží jako fotovoltaický panel a zároveň má také hydroizolační funkci. Fotovoltaické hydroizolační pásy se nejlépe využívají při rekonstrukci střechy, jejího dodatečného zateplování a s tím spojené pokládky nové hydroizolace. Nezatěžují konstrukci, odpadá problém s jejich kotvením a se zásahy do střešního pláště a na domě nepůsobí rušivě. Fotovoltaická hydroizolace má ale zvýšené nároky na čištění od prachu, sněhu či spadaného listí.

Základem systému je hydroizolační fólie na bázi EVA/PVC. Flexibilní třívrstvé amorfní fotovoltaické články tvoří solární modul krytiny. Integrovány jsou na horní povrch fólie a tvoří s ní jeden celek. Jednotlivé moduly jsou spojeny vodiči, které probíhají na střeše pod spodní stranou fólie a jsou svedeny pod střešní konstrukci do sběrné sítě. Pásy je nutno instalovat vcelku - nelze je stříhat. Je tedy obtížné je použít na střechu, kde jsou časté větrací otvory, komínky, dešťové vpustě a další prvky. Okraje střechy, prostupy vzduchotechniky apod. se řeší doplňkovými tvarovkami se svařovanými spoji.

Amorfní tenkovrstvé fotovoltaické moduly mají asi poloviční teplotní součinitel fotoelektrického napětí a proti krystalickým křemíkovým článkům fungují lépe na rozpálených střechách. Současně mají také nižší účinnost (asi 6 %). Orientačně lze uvažovat s plochou 25 až 50 m2/kWp podle typu krytiny.

UMÍSTĚNÍ NA ŠTÍTECH DOMŮ

Pokud se pro instalaci fotovoltaiky nehodí střecha, ať už z hlediska statiky nebo z důvodu plánované nástavby, nabízí panelový dům další možnost, kterou je pokrytí štítové fasády. Jde především o stěny orientované na jih, kde nejsou okna nebo jen jedno okno na patro.

Tato instalace se může provést současně se zateplováním fasády. Fotovoltaické panely pak tvoří vnější plášť zateplení s odvětranou mezerou. Jejich nosná konstrukce však musí být důkladně kotvena do panelu, takže v zateplení vzniká tepelný most. Důležité je také zajistit co nejlepší odvětrání zadní strany panelů, protože to je jediný způsob, jak je ochlazovat. Teplota panelů je v tomto případě až o 20 °C vyšší než u volně stojících panelů se stejnou orientací a sklonem, což zhoršuje jejich účinnost. Další nevýhodou je skutečnost, že i při jižní orientaci stěny je energetický zisk svisle umístěné fotovoltaiky zhruba o 30 % nižší než při sklonu 35° až 45°. V nižších patrech domu je třeba brát zřetel na stínění sousedními objekty nebo stromy.

ZÁBRADLÍ LODŽIÍ A BALKONŮ

Výhodou tohoto umístění je relativně snadná montáž, nevýhodou nevhodný sklon (viz výše). Pro zefektivnění výroby elektrické energie se mohou panely naklonit asi na 75°. Dalším omezením je orientace domu, v ČR se nejčastěji setkáme s orientací balkonu na východ a západ. Zde je opět nutno počítat s poklesem produkce o 15 až 20 % proti svislé ploše orientované na jih. Výhodou je dobré ochlazování panelů, ale na zábradlí balkonů a lodžií může vzniknout vyšší riziko poškození panelů uživateli.

FOTOVOLTAICKÉ MARKÝZY

Tato aplikace je opět zajímavým architektonickým přínosem u fasád panelových domů. U oken s jižní orientací se mohou instalovat fotovoltaické markýzy, které současně s výrobou energie v létě vyřeší nežádoucí solární zisky a tím i přehřívání bytů. Zajímavým řešením je fotovoltaika integrovaná do skla.

Fotovoltaika má na markýzách příznivější sklon. Případná odchylka budovy od jižního směru nemusí být závažným nedostatkem, snížení produkce při orientaci JV, JZ se dá čekat asi o 5 % nižší než při orientaci přímo na jih. U budov s orientací více na východ či západ není stínění markýzou už tak efektivní.

SOLÁRNÍ SOUSTAVY PRO PŘÍPRAVU TEPLÉ VODY

Na střechu panelového domu je možno umístit i termický solární systém. Ten může významně snížit náklady na ohřev vody. Oproti rodinným domům je v bytových domech ekonomika instalace výhodnější, vzhledem k celoročně zajištěnému a relativně rovnoměrnému odběru tepla. Termický solární systém lze instalovat na střechu se všemi výše uvedenými problémy s kotvením nosné konstrukce. Přivést na střechu trubky pro solární systém je samozřejmě trochu složitější než jde-li o elektrické kabely. Kromě technických problémů jsou zde i organizační a právní potíže: kdo bude odpovědný za provoz systému, jak se bude účtovat solární teplo a teplo z dosavadního zdroje atd.

Rozhodnutí o instalaci solárního systému by měla předcházet studie proveditelnosti, která posoudí možnosti realizace a varianty návrhu, ekonomiku instalace a vyhodnotí související rizika.

Vzhledem ke klimatickým podmínkám a různým úrovním dopadající sluneční energie se bude v různých lokalitách a v různých letech hodnota tepelných zisků solární soustavy lišit. Účinnost kolektorů je také závislá na jejich orientaci a sklonu (optimálně 45° pro účely přípravy teplé vody).

Základem návrhu a hodnocení solárních soustav pro přípravu teplé vody je správně stanovená vlastní spotřeba tepla, kterou má solární soustava pokrýt, a skutečně využité tepelné zisky. Předpoklady pro úspěšnou technickou realizaci solárních soustav zahrnují analýzu provozních podmínek (doba provozu, spotřebitelská náročnost, roční profil spotřeby atd.), možnosti umístění kolektorů a prostorových nároků na související technologii (zásobník, rozvody).

PODMÍNKY NÁVRHU

U návrhu je omezující podmínkou skutečnost, že v letním období není k dispozici žádný "spotřebič tepla" pro využití zisků. Dimenzování solární soustavy je tak omezeno plochou kolektorů pro krytí letní potřeby teplé vody. Předimenzované solární soustavy v panelových domech mohou vést k provozním problémům spojeným v letním období se stagnací. Mezi tyto problémy patří například var teplonosné látky ve velké ploše kolektorů, pronikání přehřáté páry do rozvodů nebo nebezpečí poškození i prvků vzdálených od kolektorového pole.

Zhodnocení solární soustavy z hlediska jejích energetických přínosů se provádí provozním měřením, počítačovou simulací nebo zjednodušeným výpočtem.

Pokud jsou kolektory umístěny na fasádě domu, na lodžiích nebo markýzách, může jejich účinnost negativně ovlivnit stínění okolními budovami, popřípadě vegetací.

Článek je součástí informační kampaně projektu výzkumu a vývoje Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu VAV-SP-3g5-221-07, podpořeného Ministerstvem pro životní prostředí České republiky. Vznikl jako výstup výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 - Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu.

Miroslav Purkert, Jiří Beranovský, Karel Srdečný, Petr Vogel, Petr Kotek, Lucie Šancová, Jan Antonín, František Macholda
spolupráce Ing. Tomáš Matuška EkoWATT, centrum pro obnovitelné zdroje a úspory energie