Ušteda energije je centralni zadatak Evropske ekonomije u cilju smanjenja emisije CO2, dobijanja nezavisnosti od fosilnih goriva i izbegavanje nuklearne tehnologije i smanjenja rizika od klimatskih promena. Promet energijom u 2022. godini ne može biti uspešan bez očuvanja energije, to je razlog zašto EU Direktiva o energetskim performansama zgrada zahteva da će sve nove zgrade biti blizu nula energija 2020. Omotač zgrade igra ključnu ulogu, jer koncept inteligentnog omotača zgrade može značajno da utiče na bilans energije, i životni komfor u zgradi. Jednostavno, dalje povećanje toplotne izolacije nije dovoljno. Treba takođe maksimalno koristiti solarnu energiju pomoću pasivnog hlađenja optimizujući sisteme ostakljenja i kontrole svetlosti, kao i aktivno hlađenje pomoću fotonaponskih ćelija i solarne toplote. Specijalne megatronske komponente koje komuniciraju inteligentno sa servisom zgrade i sistemom za grejanje su postali sve više i više važni i sve značajniji.
Tehnologije energija – efikasnost se zahtevaju širom sveta. Ove tehnologije su: toplotno optimizovani prozorski profili, ostakljenje, montaža komponenata zgrade ili vakuum panela, dobici energije sa ostakljenjem i fotonaponske ćelije, sistemi solarnog zasenjivanja radi smanjenja opterećenja hlađenjem, kontrola dnevne svetlosti, decentralizovana ventilacija i skladištenje energije kroz fazno promenljive materijale.
1. Transparentne komponente
1.1 Opis
Glavni cilj transparentnih komponenata, takvih kao što je prozor, je da dozvoli prodiranje svetlosti u zgradu u cilju oblikovanja veze između prozora i okoline. U isto vreme oni moraju osigurati dobru toplotnu izolaciju i solarne dobitke u hladnoj sezoni. Ovi zahtevi koji se primenjuju na prozoru su postali sve značajniji i sada trostruko ostakljena izolaciona jedinica je prisutna na tržištu.
Različite prevlake mogu biti primenjene na staklenom panelu, kao i odgovarajuća gasna punjenja koja se ubacuju u prostor između stakala, radi oblikovanja optimalnog balansa između prozirnosti/pogleda ka spoljašnosti, solarnih dobitaka, toplotne izolacije i zaštite od pregrevanja.
1.2 Potencijal
Moderni prozori koji sadrže trostruku izolacionu staklenu jedinicu imaju poboljšane performanse karakteristika tako da održavaju gubitke toplotne energije na minimumu. Odgovarajuće prevlake mogu biti primenjene na izolacione staklene jedinice radi oblikovanja pravog balansa između solarnih dobitaka i zaštite od pregrevanja. Ako je prozor projektovan za maksimum solarnih dobitaka u hladnoj sezoni, savetuje se korišćenje sistema za zasenjivanje u letnjim mesecima. Na slici 1 su prikazane transparentne komponente – prozori.
2. Pasivno hlađenje
2 .1 Opis
Zbog toga što temperatura noći u Centralnoj Evropi pada ispod 20 °C, čak i u letnjim mesecima, noćno vreme ventilacije je efektivan način uklanjanja toplotnog opterećenja koje raste za vreme dana. Pasivno hlađenje je prirodan oblik noćne ventilacije. Koristeći ventilacione otvore i kanale koji imaju prednost zbog razlike pritisaka koji je prouzrokovan razlikama u temperaturi značajno se menja količina vazduha koja se ostvaruje 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 sa kondicioniranjem vazduha. Zavisno od projekta, oni mogu da obezbede dodatno kondicioniranje vazduha. Ovi sistemi mogu ukloniti ili smanjiti ukupne kapacitete klasičnih sistema. Na slici 2 je dat prikaz pasivnog hlađenja.
3. Transparentna toplotna izolacija
3.1 Opis
Obzirom da konvencionalni toplotni izolacioni sistemi dozvoljavaju male toplotne dobitke, transparentna toplotna izolacija je u mogućnosti da obrne toplotni tok od unutrašnjosti ka spoljašnosti zgrade u hladnoj sezoni. Ovo se čini korišćenjem solarnog upadnog zračenja na spoljni transparentni sloj uobičajeno standardu ploče float stakla. Energija se vodi kroz transparentno još visoko termalno izolovane slojeve stakla ili plastike ka apsorpcionom materijalu, koji oblikuje toplotni tok od spolja ka unutra. Korišćenjem u sprezi sa čvrstim zidovima, ova tehnologija dozvoljava odgodu solarnog zračenja. Radi sprečavanja pregrevanja u letnjim mesecima, transparentna toplotna izolacija se generalno kombinuje sa spoljnim sistemima za zasenjivanje.
3.2 Potencijal
Transparentna toplotna izolacija može biti korišćena za građevinske zidove, tako da se koriste neprozirne komponente koje imaju izolacioni efekat, ali takođe osiguravaju solarne dobitke. Ovo utiče da se toplotni tok od iznutra ka spolja, koji je naročito preovlađujući u hladnoj sezoni, svede na minimum i u vezi sa čvrstim zidovima, dozvoljava da se koristi solarna radijacija u unutrašnjosti sa odloženim periodom vremena. Na slici 3 je dat prikaz transparentne toplotne izolacije.
4. Transparentne komponente fasade
4.1 Opis
Fasada je spoljna „koža” zgrade i veoma važna komponenta za regulaciju energetskih performansi. Osim što osigurava toplotnu izolaciju, takođe je odgovorna za održavanje sigurnosti stanara zgrade od kontrole svih okolnih uticaja, kao što su solarna radijacija, buka, vremenske nepogode itd. Čisto tehničke osobine fasade su takođe važne kod strukturalnog projektovanja 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 biti ventilirana postavljanjem otvora u spoljnu „kožu” (fasadu) bliže temelju i krovu. Za vreme hladne sezone ovo može biti zatvoreno i omogućava da otvor deluje kao bufer (amortizer) i osigurava dodatnu toplotnu izolaciju. U letnjim mesecima otvori u sprezi sa sistemima za solarno zasenjivanje sprečavaju pregrevanje unutrašnjosti zgrade.
4.2 Potencijal
Dvostruke „kože” fasade čuvaju energiju u poređenju sa starim jednostrukim jer imaju bolji toplotni izolacioni efekat. Jedna od koristi šupljine je da poboljšava zvučnu izolaciju. Solarni sistemi za zasenjivanje mogu takođe biti inkorporirani i štite zgradu od uticaja okoline (okruženja). Na slici 4 je prikazana transparentna komponenta fasade.
5. Promenljivo staklo
5.1 Opis
Kada se koriste elektrohromatski ili gasohromatski slojevi u sprezi sa izolacionom staklenom jedinicom, staklo može biti obojeno sa beskonačno varijacija preko električnog prekidača. Ovo može biti korišćeno za noćnu privatnost ili različiti prolaz ukupne energije (g-vrednost) prozora i fasada. Stepen boje može biti podešen u skladu sa željom korisnika vremenskog dela godine i solarne radijacije. Zbog kompleksnosti ove tehnologije koja je povezana sa visokim troškovima, ovi sistemi se manje koriste u građevinskom sektoru.
5.2 Potencijal
Efekat solarnog zasenjivanja ovih proizvoda može varirati u skladu sa dobom godine i vremenskim uslovima. Ovo dozvoljava veoma tačnu kontrolu solarnih dobitaka raspoloživosti dnevnog osvetljenja i zaštite od pregrevanja. Na slici 5 je prikazano „promenljivo” staklo.
6. Kontrola svetlosti i sistemi za skretanje
6.1 Opis
Kontrola svetlosti i sistem skretanja može osloboditi bleštavilo slobodne dnevne svetlosti sa površina blizu prozora, duboko u sobi kada se koristi u sprezi sa efektivnim svetlosno reflektujućim površinama plafona, koji mogu takođe biti postavljeni blizu svetlarnika (krovni prozori) radi distribucije svetlosti u interijeru. Pažljivim planiranjem i odgovarajućom kontrolom i često međusobnim delovanjem sa uređajima za solarno zasenjivanje, ostvaruje se odgovarajuća adaptacija na položaj sunca i različite fasadne orijentacije.
6.2 Potencijal
Kada nema oblaka na nebu i sunce sija, veštačka svetlost nije široko neophodna, ili je potreban najmanji intenzitet veštačke svetlosti, koji može varirati zavisno od rastojanja od prozora. Dodatna ekonomska korist je rezultovana zbog manje potrošnje električne energije za osvetljenje i manje opterećenje hlađenja, ovi sistemi takođe značajno poboljšavaju vizuelni komfor. Studije pokazuju da sobe stanara koje su izložene prirodnoj svetlosti obezbeđuju stanarima veći osećaj budnosti i manje zamora kada treba izvršiti zadatak koji zahteva povećanu koncentraciju. Na slici 6 je prikazana kontrola svetlosti i skretanja.
7. Sistemi za solarno zasenjivanje
7.1 Opis
Komponente takve kao što su venecijaner zastori, platneni krov i okretne roletne su zasnovani na zrelosti, robustnoj tehnologiji koja ih pravi idealnim sistemom za spoljno solarno zasenjivanje, naročito za velike površine ostakljenih prozora. Podešavanjem ugla letvica u venecijaner zastorima dozvoljava se korisnicima zatamnjenje unutrašnjosti zgrade sa praktično neograničenom preciznošću. Venecijaner zastori, platneni krov i okretne roletne su raspoložive u širokoj oblasti oblika, dizajna i boja radi zadovoljavanja korisničkih pojedinačnih zahteva.
7.2 Potencijal
Solarni sistemi za zasenjivanje takvi kao što su venecijaner zastori, platneni krov i okretne roletne štite unutrašnjost zgrade od pregrevanja i tako smanjuju opterećenje hlađenja. Na vrhu njihovog efekta zasenjivanja je podešavanje venecijaner zastora koje dozvoljava bolje korišćenje raspoložive dnevne svetlosti, što znači veštačka svetlost se zahteva minimalno. Oni su veoma efektivni kada se koriste u sprezi sa kontrolom svetlosti i sistemom skretanja. Kada je okretni sistem roletne potpuno zatvoren formira se dodatni vazdušni jastuk između okretne roletne i prozora, koji poboljšava ukupnu U vrednost, što se rezultuje u smanjenju potrošnje toplotne energije za grejanje. Na slici 7 je pokazan sistem za solarno zasenjivanje.
8. Fazno promenljivi materijali – pasivno hlađenje
8.1 Opis
Fazno promenljivi materijali (PCMs) su materijali koji mogu da apsorbuju velike količine toplote pošto oni menjaju agregatno stanje od čvrstog ka tečnom. Ovo ih pravi idealnim za regulaciju sobne temperature, npr. kada se integrišu u unutrašnji malter. Pasivno korišćenje fazno promenljivih materijala ne zahteva korišćenje pomoćne energije. Fazno promenljivi materijali mogu imati promenljivu tačku topljenja. Tačka topljenja je između 21°C i 26°C i najviše se koristi u omotaču zgrade. Fazno promenljivi materijal (PCMs) oblikuje amortizer od visoke dnevne temperature i održava sobnu temperaturu konstantnom, skladištenjem prekomerne toplote u obliku latentne toplote. U noći kada su temperature niže, PCMs može otpustiti toplotu, koja je skladištena tokom dana.
8.2 Potencijal
Fazno promenljivi materijali su naročito efektivni u zgradama i klimatskim regionima sa temperaturnim fluktuacijama. Tipični fazno promenljivi materijali mogu skladištiti mnogo više toplote nego konvencionalni zid pri 21°C ili 26°C. Ovo ih čini efektivnim u moderiranju temperatura i smanjenju rashladnog opterećenja, naročito u letnjim mesecima. Na slici 8 je prikazan fazno promenljivi materijal – pasivno hlađenje.
9. Fotonaponske ćelije u komponentama
9.1 Opis
Fotonaponske ćelije se sastoje od različitih poluprovodnika i pretvaraju upadnu solarnu energiju u električnu energiju. I kristali i tanke film fotonaponske ćelije mogu biti integrisani u komponente zgrada, omogućujući omotaču zgrade da proizvodi električnu energiju kada sunce sija.Fotonaponski moduli i ćelije mogu biti integrisani u različite vrste izolacionih staklenih jedinica, panela, sistema za solarno zasenjivanje i spandrel elemenata. Koristeći fotonaponske ćelije (PV) u ili kao sistem za zasenjivanje dobivamo perfektnu sinergiju, jer to nije samo ograničenje solarnog zračenja u sobi, nego i aktivno pretvaranje u električnu energiju.
9.2 Potencijal
Ovi proizvodi se koriste kao aktivni elementi za proizvodnju električne energije iz solarne energije. Mogu biti korišćeni isključivo za potrebe zgrada ili napajanja lokalne električne mreže. Široka promenljivost oblika, boja i stepen raspoložive transparentnosti je sredstvo da oni mogu zadovoljiti sve zahteve vezane za raspoloživo dnevno osvetljenje, transparentnost, noćnu privatnost i projekat kvaliteta. Integrisani fotonaponski sistemi su međusobno harmonizovani i moraju biti utvrđeni između različitih zanimanja. Na slici 9 su prikazane fotonaponske ćelije u komponentama.
10. Neventilirane fotonaponske fasade
10.1 Opis
Fotonaponske ćelije se sastoje od različitih poluprovodnika i pretvaraju energiju upadnog sunčevog zračenja u električnu energiju. I kristali i tanki film fotonaponskih ćelija mogu biti integrisani u komponente zgrade, omogućavajući omotaču zgrade da samostalno proizvodi električnu energiju kada sunce sija. Ukoliko su fotonaponske ćelije integrisane u laminirane staklene panele, oni mogu biti obrađeni tako da čine izolacionu staklenu jedinicu, koja može biti inkorporirana u neventilirane fasade, koristeći tekuće noseće komponente zajedno sa spoljnim kutijama, kablovima i invertorima. Oni mogu biti korišćeni kao ostakljenje od poda do plafona ili dodatno kao prozori.
10.2 Potencijal
Ovi proizvodi omogućavaju aktivno korišćenje raspoložive solarne energije proizvodeći električnu koja može biti korišćena za potrebe zgrade ili napajanje lokalne električne mreže. Širina varijeta oblika, boja i stepena raspoložive transparentnosti znači da oni zadovoljavaju sve zahteve vezane za raspoloživo dnevno osvetljenje, noćnu privatnost i kvalitet projekta. Kao i kod svih integrisanih fotonaponskih sistema, mora biti utvrđena harmonijska veza između različito uključenih struka. Na slici 10 je prikazana neventilirana fotonaponska fasada.
11. Stražnje ventilirane fotonaponske fasade
11.1 Opis
Fotonaponske ćelije sadrže različite poluprovodnike i pretvaraju upadnu solarnu energiju u električnu energiju. I kristali i tanki film fotonaponskih ćelija mogu biti integrisani u komponente zgrade obezbeđujući da omotač zgrade samostalno proizvodi električnu energiju kada sija sunce. Kod stražnje ventiliranih fasada, spoljni zid „koža” je zamenjen fotonaponskom komponentom. Fotonaponske karakteristike ventiliranih fotonaponskih fasada takođe nude sve karakteristike koje mogu biti očekivane kod standardne stražnje ventilacije.
11.2 Potencijal
I jedan i drugi, polutransparentni ili neprozirni fotonaponski sistem može biti korišćen, zavisno od toga kako se koristi i kako je instaliran. Treba iskoristiti najbolju opciju raspoloživosti sunčeve svetlosti, na način da zadovolji primaran cilj sistema (npr. proizvodnju električne energije).
Neprekinuta stražnja ventilacija nosi na daljinu toplotu proizvedenu pomoću modula i proizvodi električnu energiju, i ima pozitivan efekat na efikasnost fotonaponskih elemenata. Takođe, raznovrsnost oblika, boja i stepena raspoložive transparentnosti osigurava širok obim za zadovoljavanje kriterija povezanih sa projektom i izgledom zgrade. Svi integrisani fotonaponski sistemi su harmonizovani i obezbeđuju međusobno delovanje koje mora biti ustanovljeno između različitih zanimanja. Na slici 11 je prikazana stražnja ventilirana fotonaponska fasada.
12. Fotonaponske ćelije – stakleni krov
12.1 Opis
Fotonaponske ćelije se sastoje od različitih poluprovodnika i pretvaraju upadnu sunčevu energiju u električnu energiju. I kristali i tanki film fotonaponske ćelije mogu biti integrisane u komponente zgrade, omogućujući da omotač samostalno proizvodi električnu energiju kada sunce sija. Fotonaponski sistem može biti korisno integrisan na stakleni krov velikih zgrada, nadstrešnica zgrada i nadstrešnica automobila. Fokus je na proizvodnji električne energije i nuđenje performansi takvih kao što su zaštita od vremenskih uslova i radijacije.
12.2 Potencijal
Neke zgrade, često javne, predstavljaju obećavajući potencijal za integraciju fotonaponskih elemenata, primarno zbog njihovih odgovarajućih dimenzija. Ovo je korisno, ne samo zbog široke raznolikosti oblika, boja i raspoloživog stepena transparentnosti, već i zbog postojećeg prostora. Integrisani fotonaponski elementi mogu takođe biti korišteni kao zamena i zaštita od totalnog prolaza energije (g-vrednost) stakla i daje dodatno solarno zasenjivanje. Vreme povrata investicije i ekonomska sposobnost trebaju biti istraživani za svaku strukturu pojedinačno. Dodatni troškovi instaliranja fotonaponskih ćelija krova i pokrivača nadstrešnice automobila generalno vrše povrat investicije za nekoliko godina, ako je projekat planiran pažljivo. Na slici 12 je prikazana fotonaponska ćelija na staklenom krovu.
13. Fotonaponske ćelije u krovu
13.1 Opis
Fotonaponske ćelije se sastoje od različitih poluprovodnika i pretvaraju upadnu solarnu energiju u električnu energiju. I kristali i tanki film fotonaponskih ćelija mogu biti integrisani u komponente zgrade, obezbeđujući da omotač zgrade samostalno proizvodi električnu energiju kada sunce sija. Fotonaponski sistemi su integrisani u krov kao zamena za konvencionalne krovne pokrivače. Raspoložive opcije uključuju oblaganje fotonaponskih ćelija krova. Oni predstavljaju fleksibilne fotonaponske module i menjaju krov sa integrisanim fotonaponskim modulima koje nisu integrisane na potpornu konstrukciju. Na ovaj način se dobija monolitna konstrukcija.
13.2 Potencijal
Velike količine dobitaka energije mogu biti ostvarene montiranjem fotonaponskih modula na krov/vrh, koji omogućava visoku raspoloživost solarnog zračenja i povoljne uglove za upadno sunčevo zračenje. U Nemačkoj je oko 900 km2 krovnog prostora potencijalno raspoloživo za integracije ovih proizvoda, koji bi mogli osigurati 80% potrošnje električne energije u nemačkim domaćinstvima. Pod podesnim uslovima u krovu, fotonaponski sistemi mogu se otplatiti praveći profit u njihovom radnom veku. Na slici 13 je prikazana fotonaponska ćelija u krovu.
14. Solarne toplotne instalacije – Ravni pločasti solarni toplotni kolektori
14.1 Opis
Solarni kolektori apsorbuju upadnu solarnu energiju i pretvaraju je u toplotnu energiju. Pomoću nosioca toplote i izmenjivača toplote ovu energiju zagreva voda i/ili se koristi u centralnom grejanju za korišćenje u kućama. Ravni plačasti kolektori su najuobičajeniji korišćeni tip koji se sreće, i može biti integrisan i u krov i u fasade. Ovo omogućava da omotač zgrade direktno proizvodi uobičajenu toplotu (kolektori nisu montirani na konstrukciju koja je odeljena od krova).
14.2 Potencijal
Solarni kolektori u krovu mogu da isporuče doprinos jednak ili najmanje sličan ovom koji nudi sistem na krovu sa istom orijentacijom. Zavisno od projektnog sistema, oni mogu proizvoditi 250 – 650 kWh toplotne energije po m2 kolektorske površine. Ovo predstavlja do 800 kWh energije iz konvencionalnih izvora zavisno od efikasnosti konvencionalnog sistema koji se koristi za poređenje. Nije moguće napraviti specifični izveštaj vezan za ekonomsku sposobnost ovog integrisanog proizvoda u fasadi jer doprinos može samo biti računat simulacijom zasnovanom na projektnom sistemu. Može se reći da uzeti doprinos u cenama energije stvarno poboljšava ekonomsku sposobnost svih solarnih toplotnih sistema. Na slici 14 je data solarna toplotna instalacija – Ravni pločasti solarni toplotni kolektori.
15. Solarna toplotna instalacija – Vakuumski cevni solarni toplotni kolektori
15.1 Opis
Kolektori sa vakuumskim cevima mogu biti zasnovani na različitim principima apsorpcije i prenosa toplote. Oni imaju zajedničku karakteristiku da vakuum cevi poboljšavaju kapacitet u tolikoj meri da ovi projekti ne moraju biti integrisani u fasadu zgrade ili krov, nego postoje raspoložive opcije za korišćenje i integrisanje u druge delove omotača zgrade. Na primer, oni mogu biti oprema balkona nepravilnih stakala ili elementi za solarno zasenjivanje (kolektori montirani na konstrukciju nisu analizirani u ovom materijalu).
15.2 Potencijal
Kolektori sa vakuumskim cevima osiguravaju veći kapacitet nego ravni pločasti kolektori. Ravni pločasti kolektori isporučuju do 30% manje energije. Kao i sa ravnim pločastim kolektorima koji su integrisani u zgradi, nije moguće praviti generalno izveštaj vezan za ekonomsku sposobnost kolektora sa vakuum cevima, zbog zavisnosti od ukupnog sistema. Na slici 15 je dat prikaz solarne toplotne instalacije sa solarnim kolektorom koji sadrži vakuum cevi.
16. Fazno promenljivi materijali – PCM – aktivno hlađenje
16.1 Opis
Fazno promenljivi materijali (PCM) su materijali koji mogu da skladište velike količine toplote pošto oni menjaju stanje od čvrstog ka tečnom. Ove osobine ih prave podesnim za snižavanje vrhova temperature klimatskih kontrolnih sistema. Osim što se koriste kao pasivni kontrolni elementi, oni se takođe mogu integrisati u aktivne sisteme, npr. u rashladne plafone ili uređaje za decentralizovanu ventilaciju koji se mogu integrisati u fasade.
PCM (fazno promenljivi materijali) učestvuju u prenosu toplote fluida i u centralnom rezervoaru za skladištenje, kao i u ventilacionim sistemima. Između faze grejanja, PCM treba da otpusti toplotu koju je apsorbovao na način njihovog skladištenja toplote. Ovo može biti urađeno koristeći aktivne komponente hlađenja.
16.2 Potencijal
Fazno promenljivi materijal (PCM) može biti integrisan u sisteme rashladnih plafona, korišćenjem pokrivene kapilarne cevi, aktivacijom jezgra betona i radijacionim plafonskim panelima. Sniženje temperature do 4°C je uočeno prilikom praktičnih ispitivanja. U centralnom rezervoaru za skladištenje fazno promenljivog materijala (PCM), kao i u ventilacionim sistemima, energija se štedi predgrevanjem ili podhlađivanjem toka pre kondicioniranja konvencionalnim sistemima. Ekonomska sposobnost aktivnih sistema treba biti razmatrana za svaki projekat separatno uzimajući u račun različite dimenzije i energetske izvore itd. Na slici 16 su prikazani fazno promenjivi materijali – PCM – aktivno hlađenje.
Prednosti: sniženje sobne temperature do 2 °C, ugodnija unutrašnja klima, utvrđen je kraći period kada je temperatura prostorije iznad komforne oblasti, zamena sistema za kondicioniranje vazduha, samo mala količina aktivnog kapaciteta hlađenja se zahteva za hlađenje PCM tokom noći.
Autori teksta: Prof. dr Dragan Škobalj i Žarko Đokić dipl.maš.inž.
