Ušteda energije je središnji zadatak europskog gospodarstva u cilju smanjenja emisije CO2, stjecanja neovisnosti o fosilnim gorivima i izbjegavanje nuklearne tehnologije i smanjenja rizika od klimatskih promjena. Promet energijom u 2022. godini ne može biti uspješan bez očuvanja energije, to je razlog zašto EU Direktiva o energetskoj učinkovitosti zgrada zahtijeva da sve nove zgrade budu blizu nula energije u 2020. Ovojnica zgrade igra ključnu ulogu, jer koncept inteligentnog omotača zgrade može značajno utjecati na energetsku ravnotežu i udobnost u zgradi. Jednostavno, daljnje povećanje toplinske izolacije nije dovoljno, treba također maksimalno koristiti solarnu energiju pomoću pasivnog hlađenja optimizirajući sisteme ostakljenja i kontrole svjetlosti kao i aktivno hlađenje pomoću fotonaponskih ćelija i sunčeve topline. Posebne megatroničke komponente koje komuniciraju inteligentno sa servisom zgrade i sustavom za grijanje postaju sve važnije i značajnije.
Tehnologije energija–učinkovitost se zahtijevaju širom svijeta. Ove tehnologije su: toplinski optimizirani prozorski profili, ostakljenje, montaža komponenata zgrade ili vakuum panela, dobici energije sa ostakljenjem i fotonaponske ćelije, sustavi solarnog zasjenjivanja radi smanjenja opterećenja hlađenjem, kontrola dnevne svjetlosti, decentralizirana ventilacija i skladištenje energije kroz fazno promjenljive materijale.
1. Transparentne komponente
1.1 Opis
Glavni cilj transparentnih komponenata, takvih kao što je prozor je omogućiti prodiranje svjetlosti u zgradu u cilju stvaranja veze između prozora i okoline. U isto vrijeme oni moraju osigurati dobru toplinsku izolaciju i solarne dobitke u hladnoj sezoni. Ovi zahtjevi koji se odnose na prozore su postali sve značajniji i sada je na tržištu prisutna trostruka ostakljena izolacijska jedinica.
Na staklenu ploču mogu se nanositi različiti premazi, kao i odgovarajuća plinska punjenja između stakala, kako bi se stvorila optimalna ravnoteža između prozirnosti/pogleda prema van, solarnih dobitaka, toplinske izolacije i zaštite od pregrijavanja.
1.2 Potencijal
Moderni prozori koji sadrže trostruko izolacijsko staklo imaju poboljšana svojstva kako bi se gubici toplinske energije sveli na minimum. Odgovarajući premazi mogu se primijeniti na izolacijske staklene jedinice kako bi se postigla prava ravnoteža između solarnih dobitaka i zaštite od pregrijavanja. Ako je prozor dizajniran za maksimalne solarne dobitke u hladnoj sezoni, preporučljivo je koristiti sustav za zasjenjivanje u ljetnim mjesecima. Na slici 1 su prikazane transparentne komponente-prozori.
2. Pasivno hlađenje
2 .1 Opis
Budući da noćna temperatura u srednjoj Europi pada ispod 20°C, čak i u ljetnim mjesecima, noćna ventilacija je učinkovit način uklanjanja toplinskog opterećenja koje raste tijekom dana. Pasivno hlađenje je prirodan oblik noćne ventilacije.
Koristeći ventilacijske otvore i kanale koji imaju prednost zbog razlike u tlaku prouzrokovan razlikom temperatura, značajno se mijenja količina zraka bez dodatnih operativnih troškova.
2.2 Potencijal
Koncepti pasivnog hlađenja i noćne ventilacije mogu se razmatrati na takav način da smanjuju operativne kao i troškove investicije koji su povezani s klimatizacijom. Ovisno o projektu, oni mogu osigurati dodatnu klimatizaciju. Ovi sustavi mogu ukloniti ili smanjiti ukupne kapacitete klasičnih sustava. Na slici 2 prikazano je pasivno hlađenje.
3. Transparentna toplinska izolacija
3.1 Opis
Obzirom na to da konvencionalni toplinski izolacijski sustavi dopuštaju male toplinske dobitke, transparentna toplinska izolacija može preokrenuti toplinski tok iz unutrašnjosti prema vanjštini zgrade u hladnoj sezoni.
Ovo se postiže korištenjem solarnog upadnog zračenja na vanjskom transparentnom sloju uobičajeno standardu ploče float stakla. Energija se vodi kroz transparentne, ali visoko toplinski izolirane slojeve stakla ili plastike ka apsorpcijskom materijalu, koji oblikuje toplinski tok izvana prema unutra.
Korištenjem u kombinaciji s čvrstim zidovima, ova tehnologija dozvoljava odgodu solarnog zračenja. Radi sprečavanja pregrijavanja u ljetnim mjesecima, transparentna toplinska izolacija se uglavnom kombinira s vanjskim sustavima za zasjenjivanje.
3.2 Potencijal
Transparentna toplinska izolacija može se koristiti za građevinske zidove tako da neprozirne komponente imaju izolacijski učinak, ali također osiguravaju solarne dobitke. Ovo utječe na to da se protok topline iznutra prema van, koji je posebno prisutan u hladnoj sezoni, svede na minimum i u vezi sa čvrstim zidovima, omogući korištenje sunčevog zračenja u unutrašnjosti s vremenskom odgodom. Na slici 3 je prikaz transparentne toplinske izolacije.
4. Transparentne komponente fasade
4.1 Opis
Fasada je vanjska „koža” zgrade i vrlo važna komponenta za regulaciju energetske učinkovitosti. Osim što osigurava toplinsku izolaciju, također je odgovorna za održavanje sigurnosti stanara zgrade od svih okolnih utjecaja, poput sunčevog zračenja, buke, vremenskih prilika itd. Čisto tehničke značajke fasade su također važne kod konstruktivnog projektiranja elemenata i na taj način daju zgradi očekivani karakter. Dvostrane fasade imaju drugu „kožu” montiranu ispred vanjske „kože”, koju međutim ne sprečava ventilacija u prostoru između „koža” fasade i može se ventilirati postavljanjem otvora u vanjsku „kožu” (fasadu) bliže temeljima i krovu. Tijekom hladne sezone može se zatvoriti i omogućuje da otvor djeluje kao tampon (amortizer) i osigurava dodatnu toplinsku izolaciju. U ljetnim mjesecima otvori u kombinaciji sa sustavima za zaštitu od sunca sprječavaju pregrijavanje unutrašnjosti zgrade.
4.2 Potencijal
Dvostruke „kože” fasade čuvaju energiju u odnosu na stare jednostruke fasade jer imaju bolji učinak toplinske izolacije. Jedna od prednosti šupljine je da poboljšava zvučnu izolaciju. Također se mogu ugraditi solarni sustavi za zasjenjivanje koji štite zgradu od utjecaja iz okoline. Na slici 4 je prikazana transparentna komponenta fasade.
5. Promjenjljivo staklo
5.1 Opis
Kada se koriste elektrokromatski ili plinokromatski slojevi zajedno s jedinicom izolacijskog stakla, staklo se može zatamniti s beskonačnim varijacijama putem električnog prekidača. Ovo se može koristiti za noćnu privatnost ili različiti ukupni prijenos energije (g-vrijednost) prozora i fasada. Stupanj boje se može prilagoditi u skladu sa željom korisnika, vremenskog dijela godine i sunčevog zračenja. Zbog kompleksnosti ove tehnologije povezane s visokim troškovima, ovi sustavi se manje koriste u građevinskom sektoru.
5.2 Potencijal
Učinak zasjenjivanja ovih proizvoda može varirati ovisno o godišnjem dobu i vremenskim uvjetima. Ovo omogućuje vrlo preciznu kontrolu solarnih dobitaka, dostupnost dnevnog osvjetljenja i zaštitu od pregrijavanja. Na slici 5 je prikazano „promjenjivo” staklo.
6. Kontrola svjetlosti i sistemi za skretanje
6.1 Opis
Kontrola svjetlosti i skretanja svjetla može osloboditi odsjaj slobodne dnevne svjetlosti s površina u blizini prozora. Duboko u prostoriji kada se koristi zajedno s efektnim stropnim površinama koje reflektiraju svjetlost, a koje se također mogu postaviti u blizini svjetlarnika (krovnih prozora) unutarnju distribuciju svjetlosti. Pažljivim planiranjem i odgovarajućom kontrolom, a nerijetko i interakcijom sa uređajima za solarno zasjenjivanje, ostvaruje se odgovarajuća adaptacija na položaj sunca i različite fasadne orijentacije.
6.2 Potencijal
Kada nema oblaka na nebu, a sunce sja, umjetno svjetlo nije pretjerano potrebno ili je potreban najmanji intenzitet umjetne svjetlosti, koji može varirati ovisno o udaljenosti od prozora. Dodatne ekonomske koristi proizlaze iz manje potrošnje električne energije za rasvjetu i manjeg opterećenja hlađenja. Ovi sustavi također značajno poboljšavaju vizualnu udobnost. Studije pokazuju da sobe stanara koje su izložene prirodnoj svjetlosti pružaju stanarima veći osjećaj budnosti i manje zamora kada treba izvršiti zadatak koji zahtjeva povećanu koncentraciju. Na slici 6 je prikazana kontrola svjetlosti i otklona.
7. Sistemi za solarno zasjenjivanje
7.1 Opis
Komponente kao što su venecijaneri, platneni krov i okretne rolete temelje se na zrelosti, robusnoj tehnologiji koja ih čini idealnim sustavom za solarno zasjenjivanje, posebno za velike površine ostakljenih prozora. Podešavanjem kuta lamela u venecijanerima, korisnici mogu zamračiti unutrašnjost zgrade s gotovo neograničenom preciznošću. Venecijaneri, platneni krovovi i okretne rolete raspoloživi su u širokom rasponu oblika, dizajna i boja kako bi zadovoljili individualne zahtjeve kupaca.
7.2 Potencijal
Solarni sustavi za zasjenjivanje kao što su venecijaneri, platneni krovovi i okretne rolete štite unutrašnjost zgrade od pregrijavanja i time smanjuju rashladno opterećenje. Povrh njihovog učinka zasjenjivanja je podešavanje venecijanera kako bi se bolje iskoristila raspoloživa dnevna svjetlost, što znači da je umjetno svjetlo minimalno potrebno.
Vrlo su učinkoviti kada se koriste u kombinaciji sa sustavom za kontrolu i skretanje svjetla. Kod potpuno zatvorenog okretnog sustava roleta stvara se dodatni zračni jastuk između rolete i prozora čime se poboljšava ukupna U-vrijednost, što rezultira smanjenjem potrošnje toplinske energije za grijanje. Slika 7 prikazuje sustav zaštite od sunca.
8. Fazno promjenjivi materijali – pasivno hlađenje
8.1 Opis
Fazno promjenjivi materijali (PCM) su materijali koji mogu apsorbirati velike količine topline dok mijenjaju svoje agregatno stanje iz krutog u tekuće. To ih čini idealnim za regulaciju sobne temperature, npr. kada se integriraju u unutarnju žbuku. Pasivno korištenje fazno promjenjivih materijala ne zahtijeva korištenje pomoćne energije. Fazno promjenjivi materijali mogu imati promjenjivu točku taljenja. Talište je između 21 °C i 26 °C i uglavnom se koristi u omotačima zgrada. Fazno promjenjivi materijali (PCM) stvaraju zaštitu od visokih dnevnih temperatura i održavaju sobnu temperaturu konstantnom skladištenjem viška topline u obliku latentne topline. Noću kada su temperature niže, PCM-ovi mogu osloboditi toplinu koja se pohranjuje tijekom dana.
8.2 Potencijal
Fazno promjenjivi materijali posebno su učinkoviti u zgradama i klimatskim područjima s temperaturnim fluktuacijama. Tipični fazno promjenjivi materijali mogu pohraniti puno više topline nego konvencionalni zid na 21°C ili 26°C. Zbog toga su učinkoviti u ublažavanju temperatura i smanjenju rashladnog opterećenja, posebno u ljetnim mjesecima. Slika 8 prikazuje fazno promjenjivi materijal – pasivno hlađenje.
9. Fotonaponske ćelije u komponentama
9.1 Opis
Fotonaponske ćelije sastoje se od različitih poluvodiča i pretvaraju upadnu sunčevu energiju u električnu energiju. I kristali i tankoslojne fotonaponske ćelije mogu se integrirati u komponente zgrade, omogućujući omotaču zgrade da proizvodi električnu energiju kada sunce sja. Fotonaponski moduli i ćelije mogu se integrirati u različite vrste izolacijskih staklenih jedinica, panela, sustava za solarno zasjenjivanje i spandrel elemenata.
Korištenjem fotonaponskih ćelija (PV) u ili kao sustav zasjenjenja dobivamo savršenu sinergiju, jer se ne radi samo o ograničenju sunčevog zračenja u prostoru, već i o aktivnoj pretvorbi u električnu energiju.
9.2 Potencijal
Ovi se proizvodi koriste kao aktivni elementi za proizvodnju električne energije iz sunčeve energije. Mogu se koristiti isključivo za potrebe zgrada ili za napajanje lokalne električne mreže. Široka varijabilnost oblika, boja i stupnja dostupne transparentnosti znači da mogu zadovoljiti sve zahtjeve vezane uz raspoloživo dnevno svjetlo, transparentnost, noćnu privatnost i kvalitetu. Integrirani fotonaponski sustavi međusobno su usklađeni i moraju se odrediti između različitih zanimanja. Slika 9 prikazuje fotonaponske ćelije u komponentama.
10. Neventilirane fotonaponske fasade
10.1 Opis
Fotonaponske ćelije sastoje se od različitih poluvodiča i pretvaraju energiju upadnog sunčevog zračenja u električnu energiju. I kristali i tankoslojne fotonaponske ćelije mogu se integrirati u komponente zgrade, omogućujući omotaču zgrade da sam proizvodi električnu energiju kada sunce sja. Ako su fotonaponske ćelije integrirane u laminirane staklene panele, mogu se obraditi tako da čine izolacijsku staklenu jedinicu koja se može ugraditi u neventilirane fasade, koristeći tekuće potporne komponente zajedno s vanjskim kutijama, kabelima i pretvaračima. Mogu se koristiti kao ostakljenje od poda do stropa ili dodatno kao prozori.
10.2 Potencijal
Ovi proizvodi omogućuju aktivno korištenje raspoložive solarne energije proizvodnjom električne energije koja se može koristiti za potrebe zgrada ili napajanje lokalne električne mreže. Širok izbor dostupnih oblika, boja i stupnjeva transparentnosti znači da ispunjavaju sve zahtjeve vezane uz dostupno dnevno svjetlo, noćnu privatnost i kvalitetu. Kao i kod svih integriranih fotonaponskih sustava, mora se uspostaviti sklad između različito uključenih struka. Na slici 10 prikazana je neventilirana fotonaponska fasada.
11. Stražnje ventilirane fotonaponske fasade
11.1 Opis
Fotonaponske ćelije sadrže različite poluvodiče i pretvaraju upadnu sunčevu energiju u električnu energiju. I kristali i tankoslojne fotonaponske ćelije mogu se integrirati u komponente zgrade čime se osigurava da ovojnica zgrade sama proizvodi električnu energiju kada sunce sja.
Kod fasada sa stražnjom ventilacijom, „koža” vanjskog zida zamijenjena je fotonaponskom komponentom. Fotonaponske karakteristike ventiliranih fotonaponskih fasada također nude sve karakteristike koje se mogu očekivati kod standardne stražnje ventilacije.
11.2 Potencijal
Može se koristiti poluprozirni ili neprozirni fotonaponski sustav, ovisno o tome kako se koristi i kako je instaliran. Treba koristiti najbolju opciju dostupnosti sunčeve svjetlosti, na način da se zadovolji primarni cilj sustava (npr. proizvodnja električne energije).
Kontinuirana stražnja ventilacija odvodi toplinu koju proizvodi modul i stvara električnu energiju te pozitivno utječe na učinkovitost fotonaponskih elemenata. Također, raznovrsnost dostupnih oblika, boja i stupnjeva prozirnosti osigurava širok raspon za zadovoljavanje kriterija koji se odnose na projekt i izgled zgrade. Svi integrirani fotonaponski sustavi su usklađeni i osiguravaju međusobno djelovanje koje se mora ustanoviti između različitih zanimanja. Slika 11 prikazuje stražnju ventiliranu fotonaponsku fasadu.
12. Fotonaponske ćelije – stakleni krov
12.1 Opis
Fotonaponske ćelije sastoje se od različitih poluvodiča i pretvaraju upadnu sunčevu energiju u električnu energiju. I kristali i tankoslojne fotonaponske ćelije mogu se integrirati u komponente zgrade, omogućujući ovojnici da samostalno proizvodi električnu energiju kada sunce sja. Fotonaponski sustav može se korisno integrirati na stakleni krov velikih zgrada, nadstrešnice zgrada i nadstrešnice automobila. Fokus je na proizvodnji električne energije i ponudi performansi kao što su zaštita od vremenskih prilika i zračenja.
12.2 Potencijal
Neke zgrade, često javne, predstavljaju obećavajući potencijal za integraciju fotonaponskih elemenata, prvenstveno zbog svojih odgovarajućih dimenzija. Ovo je korisno ne samo zbog široke palete dostupnih oblika, boja i stupnjeva prozirnosti, već i zbog postojećeg prostora. Integrirani fotonaponski elementi također se mogu koristiti kao zamjena i zaštita od ukupne propusnosti energije (g-vrijednost) stakla i za dodatno solarno zasjenjivanje.
Vrijeme povrata investicije i ekonomsku održivost treba ispitati za svaku strukturu pojedinačno. Dodatni troškovi ugradnje fotonaponskih krovnih ćelija i nadstrešnica automobila u pravilu vraćaju investiciju za nekoliko godina, ako se projekt pažljivo planira. Slika 12 prikazuje fotonaponsku ćeliju na staklenom krovu.
13. Fotonaponske ćelije na krovu
13.1 Opis
Fotonaponske ćelije sastoje se od različitih poluvodiča i pretvaraju upadnu sunčevu energiju u električnu energiju. I kristali i tankoslojne fotonaponske ćelije mogu se integrirati u komponente zgrade, osiguravajući da ovojnica zgrade samostalno proizvodi električnu energiju kada sunce sja. Fotonaponski sustavi ugrađeni su u krovište kao zamjena za konvencionalne krovne pokrove. Dostupne opcije uključuju oblaganje krova fotonaponskim ćelijama. Predstavljaju fleksibilne fotonaponske module i zamjenjuju krov s integriranim fotonaponskim modulima koji nisu integrirani na nosivu konstrukciju. Na taj način se dobiva monolitna konstrukcija.
13.2 Potencijal
Veliki energetski dobici mogu se postići montažom fotonaponskih modula na krov, čime se omogućuje visoka dostupnost sunčevog zračenja i povoljni kutovi za upadno sunčevo zračenje. U Njemačkoj je potencijalno dostupno oko 900 km2 krovnog prostora za integraciju ovih proizvoda, što bi moglo osigurati 80% potrošnje električne energije u njemačkim kućanstvima. S odgovarajućim uvjetima na krovu, fotonaponski sustavi mogu se isplatiti ostvarujući profit tijekom svog radnog vijeka. Slika 13 prikazuje fotonaponsku ćeliju na krovu.
14. Solarne toplinske instalacije – Ravni pločasti solarni toplinski kolektori
14.1 Opis
Solarni kolektori apsorbiraju upadnu sunčevu energiju i pretvaraju je u toplinsku energiju. Pomoću nosača topline i izmjenjivača topline ta se energija zagrijava vodom i/ili koristi u centralnom grijanju za korištenje u kućanstvu. Pločasti kolektori su najčešće korišteni tipovi koji se mogu integrirati i u krov i u fasade. Ovo omogućuje ovojnici zgrade izravnu proizvodnju konvencionalne topline (kolektori se ne postavljaju na strukturu koja je odvojena od krova).
14.2 Potencijal
Krovni solarni kolektori mogu dati doprinos jednak ili barem sličan onome koji nudi krovni sustav iste orijentacije. Ovisno o projektiranom sustavu, mogu proizvesti 250–650 kWh toplinske energije po m2 površine kolektora. To predstavlja do 800 kWh energije iz konvencionalnih izvora, ovisno o učinkovitosti konvencionalnog sustava korištenog za usporedbu. Nije moguće izraditi specifično izvješće vezano uz ekonomičnost ovog integriranog proizvoda u fasadi jer se doprinos može izračunati samo simulacijom na temelju projektnog sustava. Može se reći da uzeti doprinosa u cijenama energije stvarno poboljšava ekonomsku učinkovitost svih solarnih toplinskih sustava. Slika 14 prikazuje solarnu toplinsku instalaciju – Ravni pločasti solarni toplinski kolektori.
15. Solarna toplinska instalacija – Vakuumski cijevni solarni toplinski kolektor
15.1 Opis
Vakuumski cijevni kolektori mogu se temeljiti na različitim principima apsorpcije i prijenosa topline. Njihova zajednička karakteristika je da vakuumske cijevi poboljšavaju kapacitet do te mjere da ovi projekti ne moraju biti integrirani u fasadu ili krov zgrade, nego postoje opcije za korištenje i integraciju u druge dijelove ovojnice zgrade. Na primjer, to mogu biti balkonska oprema s nepravilnim ostakljenjem ili elementi za solarno zasjenjivanje (kolektori postavljeni na konstrukciju nisu analizirani u ovom materijalu).
15.2 Potencijal
Kolektori sa vakuumskim cijevima osiguravaju veći kapacitet nego ravni pločasti kolektori. Ravni pločasti kolektori isporučuju do 30% manje energije. Kao i sa ravnim pločastim kolektorima koji su integrirani u zgradi, nije moguće izraditi generalno izvještaj vezan za ekonomsku sposobnost kolektora sa vakuum cevima, zbog ovisnosti o ukupnom sustavu. Na slici 15 je dat prikaz solarne toplinske instalacije sa solarnim kolektorom koji sadrži vakuum cijevi.
16.Fazno promjenjivi materijali – PCM – aktivno hlađenje
16.1 Opis
Fazno promjenjivi materijali (PCM) su materijali koji mogu pohraniti velike količine topline dok mijenjaju stanje iz krutog u tekuće. Ova svojstva ih čine prikladnima za snižavanje vršnih temperatura klimatskih kontrolnih sustava. Osim što se mogu koristiti kao pasivni kontrolni elementi, mogu se integrirati i u aktivne sustave, npr. u rashladnim stropovima, uređajima za decentraliziranu ventilaciju za integraciju u fasade.
PCM (fazno promjenjivi materijali) uključeni su u prijenos topline tekućine u središnjem spremniku kao i u ventilacijskim sustavima. Između faze zagrijavanja, PCM bi trebao otpustiti toplinu koju je apsorbirao u svom načinu skladištenja topline. To se može učiniti korištenjem komponenti aktivnog hlađenja.
16.2 Potencijal
Fazno promjenjivi materijal (PCM) se može integrirati u rashladne stropne sustave, koristeći prekrivene kapilarne cijevi, aktivaciju betonske jezgre i radijacijske stropne panele. Tijekom praktičnih ispitivanja uočen je pad temperature do 4°C. U središnjem spremniku za fazno promjenjivi materijal (PCM), kao i u ventilacijskim sustavima, energija se štedi predgrijavanjem ili pothlađivanjem struje prije kondicioniranja s konvencionalnim sustavima.
Ekonomsku učinkovitost aktivnih sustava treba razmatrati za svaki projekt posebno, uzimajući u obzir različite dimenzije i izvore energije itd. Slika 16 prikazuje fazno promjenjive materijale – PCM – aktivno hlađenje. Prednosti: sniženje sobne temperature do 2°C, ugodnija unutrašnja klima, utvrđen je kraći period kada je temperatura prostorije iznad zone komfora, zamjena klima uređaja, samo mala količina aktivnog kapaciteta hlađenja je potrebna za hlađenje PCM tijekom noći.
Autori teksta: Prof. dr Dragan Škobalj i Žarko Đokić dipl.str.inž.
