Střecha posílá teplo do vesmíru. Může tím zlevnit chlazení

Voda může být chladnější než okolní vzduch, přestože potrubí leží na střeše pod sluncem. Bez odpařování. Bez kompresoru, který by tento konkrétní chladicí účinek vyráběl. Výzkumníci ze Stanfordovy univerzity to předvedli pomocí povrchu, který posílá teplo směrem k obloze.

Zní to jako nabídka zázračného zařízení z pochybného e-shopu. Jenže fyzika funguje. Otázka pro majitele budov je jiná: kolik taková střecha skutečně ušetří a kolik bude stát její zapojení? Právě mezi laboratorním výsledkem a fakturou za elektřinu začíná ta zajímavější část příběhu.

Střecha posílá teplo do vesmíru. Může tím zlevnit chlazení

Každý povrch vyzařuje tepelnou energii. Rozpálená dlažba, kapota auta i střecha skladu. Část infračerveného záření přitom dokáže projít atmosférou směrem do vesmíru. Zvlášť vhodné je pásmo přibližně mezi 8 a 13 mikrometry, označované jako atmosférické okno. Tento princip popisují také výzkumné materiály americké agentury ARPA-E.

Háček představuje slunce. Běžný povrch přes den přijímá tolik sluneční energie, že jeho ochlazování převáží ohřev. Stanfordský tým proto použil optický povrch, který podle univerzity odrážel přibližně 97 % slunečního záření a zároveň vyzařoval teplo. Pod ním proudila voda, která se ochlazovala. Podrobnosti zveřejnil Stanford ve zprávě o experimentu.

Pro představu: při modelovém slunečním příkonu 1 000 W/m² představují zbývající tři procenta 30 W/m². I malá změna odrazivosti tak může výrazně ovlivnit tepelnou bilanci. Není to jen kosmetická vlastnost povrchu.

Samotné vyzařování elektřinu nepotřebuje. Provozní soustava ovšem obvykle potřebuje oběhové čerpadlo, snímače a regulaci. Označení „pasivní chlazení“ proto neznamená automaticky nulovou spotřebu celé instalace. Elektroměr má pro marketingové zkratky pramalé pochopení.

Co vědci naměřili a odkud se vzala úspora 21 %

Eli A. Goldstein, Aaswath P. Raman a Shanhui Fan publikovali v září 2017 studii o neodpařovacím chlazení kapaliny pod teplotu okolí pomocí oblohy. Během třídenního testování dosáhli ochlazení vody až o 5 °C pod teplotu vzduchu. Uvedli průtok přibližně 0,2 litru za minutu na metr čtvereční a odvod tepla až 70 W/m².

Druhá část práce obsahovala model dvoupodlažní kancelářské budovy v Las Vegas. Zapojení panelů na kondenzační straně chlazení v něm snížilo letní spotřebu elektřiny na chlazení o 21 %, tedy o 14,3 MWh. To byl výsledek simulace, nikoli měření ročního účtu skutečné budovy. Oba výsledky uvádí původní studie v časopise Nature Energy.

Pro investora je rozdíl zásadní. Naměřená teplota ověřuje funkčnost zařízení. Simulace odhaduje přínos konkrétního zapojení za konkrétního počasí. Ani jedno samo o sobě neurčuje návratnost českého projektu.

Stejně pečlivě je potřeba hlídat základ procentního výpočtu. Pokud by chlazení tvořilo modelově 40 % spotřeby budovy, jeho snížení o 21 % znamená pokles celkové spotřeby o 8,4 %. Zaměnit tyto hodnoty by v investičním rozpočtu udělalo pěknou paseku.

Sedmdesát wattů z metru není sedmdesát wattů ušetřené elektřiny

Přepočítejme experimentální maximum do rozměrů střechy. Sto metrů čtverečních při výkonu 70 W/m² odvádí 7 kW tepla. Tisíc metrů čtverečních odpovídá 70 kW. Jde o prosté násobení uvedeného výkonu plochou, nikoli o předpověď celoročního provozu.

Také kontrola přes průtok dává smysl. Voda proudící rychlostí 0,2 litru za minutu a ochlazená o pět stupňů odevzdá přibližně 70 wattů. Výpočet vychází z její měrné tepelné kapacity zhruba 4,18 kJ na kilogram a stupeň. Čísla tedy popisují přenos tepla ve vodním okruhu.

Elektrická úspora vzniká až podle toho, co tento odvod tepla nahradí. Pokud panel přímo zastoupí část práce chladicího stroje s chladicím faktorem čtyři, odpovídá 7 kW chladu orientačně 1,75 kW elektrického příkonu. Ještě před započtením čerpadel.

Při připojení na kondenzační stranu je situace jiná. Panely mohou zlepšit provozní podmínky kompresoru. Úsporu pak určuje charakteristika stroje, teploty a regulace. Jednoduché dělení čtyřmi nestačí.

Do nabídky proto patří dvě samostatné veličiny: odvedené teplo a očekávaná čistá úspora elektřiny. Dodavatel, který je zaměňuje, vám zatím nedal použitelný podklad pro investici.

Praha není Las Vegas a mraky nejsou drobný detail

Radiační chlazení závisí na tom, jak dobře může povrch vyzařovat směrem k obloze a kolik záření přijímá zpět. Vodní pára i oblačnost tuto bilanci mění. Americké ministerstvo energetiky ve svém výzkumném přehledu vysvětluje, že vodní pára snižuje propustnost infračerveného okna. Výsledky ze suché lokality proto nelze přenést do jiné země pouhou změnou měny.

Pro českou budovu bych požadoval hodinovou simulaci s místním počasím. Vedle teploty má zahrnovat vlhkost, sluneční záření a oblačnost. Pak se musí potkat s provozem budovy. Chladicí výkon ve chvíli, kdy objekt chlad nepotřebuje a nemá zásobník, účty nezachrání.

Zkontrolovat je třeba také výhled panelů na oblohu. Vyšší sousední budova, technická nástavba nebo nevhodně umístěná konstrukce mění podmínky. Plocha střechy v katastru není totéž jako skutečně použitelná plocha.

Český návrh musí řešit i zimní provoz vodního okruhu. Ochrana proti zamrznutí, případná nemrznoucí směs a její vliv na čerpání patří do projektu. Pokud se ochlazená kapalina používá uvnitř budovy, přibývá kontrola rosného bodu a kondenzace. To všechno jsou položky, které se do fotografie lesklého panelu nevejdou, ale do rozpočtu ano.

Bez odpařování vody neznamená bez servisu

Hlavní rozdíl proti odpařovacímu chlazení spočívá v mechanismu odvodu tepla. Chladicí věž využívá odpaření části vody. Radiační panel odvádí energii zářením a pracovní kapalinu může držet v uzavřeném okruhu. Odtud pochází výraz „neodpařovací“.

Finanční přínos úspory vody však závisí na původním zařízení. Pokud podnik nahrazuje část provozu odpařovací soustavy, má smysl vyčíslit spotřebu doplňovací vody a související náklady. Jestliže dnes používá vzduchem chlazenou jednotku, nelze mu připsat úsporu vody, kterou vůbec nespotřebovával. Úspora z neexistujícího nákladu vypadá dobře jen v prezentaci.

Technologie už přitom má i komerční příklady. Společnost SkyCool Systems zveřejnila případovou studii instalace u prodejny Grocery Outlet ve Stocktonu, kde střešní panely pomáhají s chlazením kondenzátoru. Jde o materiál dodavatele, takže při posuzování investice má sloužit jako podnět k ověření, nikoli jako univerzální záruka výsledku.

U české nabídky bych chtěl znát cenu čištění, kontroly těsnosti a obnovy optického povrchu. Dále dostupnost náhradních dílů a servisního technika. Pokud se hlavní přínos zařízení odvíjí od vlastností povrchu, musí smlouva řešit také jejich životnost. Záruka na kovový rám sama nestačí.

Návratnost za šest let? Jen když sedí vstupní čísla

Vezměme čistě modelový podnik, jehož chlazení spotřebuje 100 MWh elektřiny ročně. Předpokládejme čistou úsporu 15 %, již po započtení nové pomocné spotřeby. Uspoří tedy 15 MWh. Tato hodnota je zadání příkladu, nikoli výsledek českého měření.

Při modelové ceně skutečně ušetřitelných položek 4 Kč/kWh jde o 60 000 Kč ročně. Pokud dodatečný servis stojí 10 000 Kč, zbude 50 000 Kč. Instalace za předpokládaných 300 000 Kč se prostým výpočtem vrátí za šest let. Uvedená pořizovací cena není cenová nabídka ani odhad běžné tržní ceny.

Citlivost na cenu energie je výrazná:

| Modelová cena ušetřené elektřiny | Úspora po dodatečném servisu | Prostá návratnost | |---|---:|---:| | 2 Kč/kWh | 20 000 Kč ročně | 15 let | | 4 Kč/kWh | 50 000 Kč ročně | 6 let | | 6 Kč/kWh | 80 000 Kč ročně | 3,75 roku |

Proč nepoužít jednoduše průměr celé faktury? Obsahuje i platby, které s odebranými kilowatthodinami neklesnou. Strukturu ceny vysvětluje Energetický regulační úřad. Konkrétní výpočet musí vycházet ze smlouvy a způsobu účtování daného odběru.

Prostá návratnost navíc nezahrnuje cenu kapitálu, změny výkonu ani větší opravy. K rozboru energetických nákladů lze využít také energetické poradenství SmartEnergyShare. Technickou simulaci panelů musí dodat projektant příslušného řešení.

Nejdřív měřit. Potom rozhodnout, co patří na střechu

Před objednávkou bych oddělil spotřebu chlazení od zbytku budovy. Samostatné měření má sledovat kompresory, ventilátory a čerpadla. Současně potřebujete venkovní podmínky a údaj o provozním zatížení. U prodejny třeba otevírací dobu, u kanceláře obsazenost.

Pro sběr a přehled energetických dat lze prověřit monitorování zařízení přes SmartEnergyShare. U konkrétního chladicího zařízení je však nutné ověřit kompatibilitu měřidel a rozsah integrace. Samotný přehled spotřeby ještě nevypočítá tepelnou bilanci.

Následovat by mělo porovnání s dostupnými alternativami: servisem stávajícího stroje, úpravou regulace, stíněním nebo využitím venkovního chladu za vhodných podmínek. Pilotní instalaci je vhodné vyhodnocovat při srovnatelném počasí a zatížení. Nižší účet po chladnějším létě sám o sobě nic nedokazuje.

Střecha má navíc alternativní využití. Fotovoltaika vyrábí elektřinu, radiační panel odvádí teplo. Porovnávat se mají roční peněžní přínosy z dostupné plochy, investice a provozní omezení. Související možnosti zásobování energií představuje nabídka SmartEnergyShare pro firmy.

Ke sledování dalších energetických inovací patří i partnerský blog ElectricShare.cz. Při rozhodování o této technologii ale dejte přednost měření na vlastní budově. Zajímavý článek je začátek prověřování, nikoli náhrada projektu.

Největší šanci mají provozy, které potřebují chlad dlouho

Ekonomicky stojí za prověření zejména budovy s dlouhou dobou chlazení, využitelnou střechou a vhodným kapalinovým okruhem. Krátký sezónní provoz poskytuje méně příležitostí, jak investici splatit. Ani velká spotřeba však nestačí, pokud zařízení dodává chlad v nevhodnou dobu nebo při nepoužitelné teplotě.

Rozsah problému ukázala už Mezinárodní energetická agentura ve zprávě z roku 2018. Klimatizacím a ventilátorům tehdy připisovala přibližně desetinu světové spotřeby elektřiny. Jde o historický údaj, nikoli aktuální statistiku pro rok 2026. Zpráva IEA o budoucnosti chlazení vysvětluje, proč má účinnější chlazení význam i pro elektrizační soustavy.

U malého bytu bych proto začal posouzením stínění, tepelných zisků a stávající klimatizace. U obchodu s nepřetržitým chlazením bych si nechal spočítat i radiační variantu. Rozhoduje provozní profil, nikoli nadšení pro vesmír.

Chcete zjistit, zda má podobná investice smysl? Připravte roční spotřebu chlazení, teploty okruhů, plán střechy a skutečné ceny energie. S rozborem energetických nákladů můžete začít na smartenergyshare.com. Od dodavatele panelů pak žádejte místní simulaci a způsob ověření úspor.

Obloha může pomoci odvést teplo. Návratnost ale musí prokázat čísla.

Zdroje

• Nature Energy: Studie neodpařovacího chlazení kapaliny pomocí oblohy — Původní odborná práce Goldsteina, Ramana a Fana z roku 2017. Dokládá výsledky experimentu a samostatně popisuje modelovou úsporu chlazení kancelářské budovy. Základ pro rozlišení mezi měřením a simulací.

• Stanfordova univerzita: Odvádění přebytečného tepla k obloze — Univerzitní vysvětlení konstrukce a principu optického povrchu. Uvádí jeho vysokou odrazivost vůči slunečnímu záření a popisuje návaznost laboratorního vývoje na chlazení proudící vody v panelovém zařízení.

• IEA: Budoucnost chlazení — Analytická zpráva z roku 2018 poskytuje širší energetický kontext. Její historické údaje nelze vydávat za dnešní spotřebu. Slouží k vysvětlení rozsahu poptávky po chlazení a významu zvyšování účinnosti.

• Energetický regulační úřad: Ceny energií — Český zdroj pro orientaci v regulovaných a neregulovaných složkách ceny. Pro investiční propočet je nutné určit, které položky konkrétní faktury skutečně klesnou se spotřebou a které zůstanou zachovány.

• SkyCool Systems: Případová studie prodejny Grocery Outlet — Příklad komerčního využití technologie ve Stocktonu. Materiál pochází od dodavatele, proto nenahrazuje nezávislé vyhodnocení ani místní provozní zkoušku. České finanční výpočty v článku jsou výslovně modelové.

Obchodujete s batteriovými úložišti nebo hledáte partnera pro flexibilitu a day trading elektřiny? SmartEnergyShare nabízí kompletní řešení pro BESS projekty od 50 do 250 kW — obchodování flexibility, SVR služby a IoT monitoring. Zjistěte víc →

Další články na toto téma najdete na: BESS Global Tenhle trik s dynamickým tarifem vám ušetří 60 000 Kč roč... Vice o ceny energií