Voda o 5 °C chladnější než vzduch. Tahle střecha posílá teplo do vesmíru

Voda proudí panelem na slunci a místo ohřívání chladne. Dokonce pod teplotu okolního vzduchu. Žádné odpařování, žádný kompresor uvnitř panelu. Výzkumníci ze Stanfordu takto naměřili rozdíl až 5 °C. Zní to jako reklamní trik. Jenže za výsledkem stojí recenzovaná studie v časopise Nature Energy. Skutečná otázka zní: kolik elektřiny taková střecha ušetří a kde už narazí na fyziku?

Obloha jako chladič: proč to neodporuje fyzice

Každé těleso kolem nás vyzařuje energii. Platí to pro rozpálený asfalt, lidské tělo i vodu v potrubí. Při běžných teplotách odchází značná část tohoto záření v infračervené oblasti, kterou očima nevidíme. Současně těleso přijímá záření z okolí. O výsledné teplotě rozhoduje bilance všech přijatých a odevzdaných tepelných toků.

Atmosféra má přitom zvláštní vlastnost. V pásmu vlnových délek přibližně 8 až 13 mikrometrů propouští za vhodných podmínek část infračerveného záření do vesmíru. Tomuto pásmu se říká atmosférické okno. Povrch obrácený k obloze tak může ztrácet teplo, i když okolní vzduch zůstává teplejší.

Ve dne do toho ovšem vstupuje slunce. Povrch musí většinu sluneční energie odrazit a zároveň účinně vyzařovat vlastní teplo. Obyčejný plech tyto požadavky automaticky nesplní. Výzkumníci proto navrhují materiály s přesně zvolenými optickými vlastnostmi.

Už v roce 2014 představil tým Aaswatha Ramana a Shanhui Fana sedmivrstvou strukturu, která odrážela 97 % dopadajícího slunečního záření. Při přímém oslunění dosáhla teploty o 4,9 °C nižší než okolní vzduch. Šlo o výsledek zveřejněný v časopise Nature.

Nejde tedy o výrobu chladu z ničeho. Zařízení odvádí energii jinou cestou než běžný chladič. Místo spoléhání pouze na okolní vzduch využívá také výměnu záření s oblohou.

Co vědci opravdu změřili a co znamená 70 wattů

Na předchozí výzkum navázali Eli Goldstein, Aaswath Raman a Shanhui Fan studií vydanou 4. září 2017. Tentokrát nestačilo ochladit samotný povrch. Cílem bylo předat tento účinek proudící vodě, kterou lze zapojit do skutečné chladicí soustavy.

Během třídenního testování dosáhli ochlazení vody až o 5 °C pod teplotu vzduchu. Průtok činil přibližně 0,2 litru za minutu na metr čtvereční aktivní plochy. Odpovídající odvod tepla dosahoval až 70 W/m². Vodu přitom nebylo potřeba odpařovat. Podrobnosti uvádí původní odborná práce.

Pro představu: při hypotetickém rovnoměrném výkonu 70 W/m² by sto metrů čtverečních panelů odvádělo 7 kW tepla. To je prostý přepočet, nikoli garantovaný výkon konkrétní střechy. Počasí, provozní teploty a provedení instalace výsledek změní.

Také pozor na jednotky. Sedm kilowattů odvedeného tepla není sedm kilowattů ušetřené elektřiny. Elektrická úspora závisí na tom, jaký stroj panelům pomáhá a jak se změní jeho provoz.

Pro kontrolu výkonu obecně stačí znát průtok kapaliny, její tepelnou kapacitu a rozdíl vstupní a výstupní teploty. Samotná fotografie teploměru nestačí. Velký teplotní rozdíl při nepatrném průtoku může znamenat malý využitelný výkon. Investor potřebuje obě čísla, ideálně zaznamenaná současně v delším časovém průběhu.

Úspora 21 % má háček: vznikla v modelu pro Las Vegas

Nejlákavější údaj přichází až při propojení panelů s běžným chlazením. Výzkumníci modelovali dvoupodlažní kancelářskou budovu v Las Vegas. Pro letní období jim vyšla úspora elektřiny na chlazení 21 %, tedy 14,3 MWh. Výsledek popisuje také Stanfordská univerzita.

Tohle číslo potřebuje správný popisek. Jde o výsledek modelu pro konkrétní budovu a klima. Není to naměřená roční úspora každého zařízení a už vůbec ne příslib pro kancelář v Brně.

Proč může pomocný panel přinést znatelný rozdíl? Kompresorová klimatizace odebírá teplo uvnitř a odevzdává ho venku. Na teplé straně soustavy musí odvést také energii dodanou kompresoru. Když jí usnadníme odevzdávání tepla, může se snížit potřebná práce kompresoru.

Ilustrační příklad: zařízení odvádí z budovy 30 kW a spotřebovává 10 kW elektřiny. Do okolí pak odevzdává přibližně 40 kW tepla. Pomocné chlazení se uplatňuje právě v této části energetické bilance. Výslednou úsporu ale musí určit výpočet konkrétního okruhu.

Proto je zavádějící představovat sálavé panely jako univerzální náhradu klimatizace. V mnoha projektech dává větší smysl jejich role pomocníka. Kompresor zůstává, ale za vhodných podmínek má méně práce. A „pasivní“ odvod tepla ještě neznamená nulovou spotřebu celé instalace: kapalinu zpravidla pohání čerpadlo.

Ze střechy laboratoře nad supermarket

Existuje i příklad z běžného provozu. Společnost SkyCool Systems popsala instalaci na supermarketu Grocery Outlet v kalifornském Stocktonu. Na střechu umístila 32 panelů, uspořádaných do osmi řad po čtyřech, a propojila je se stávajícím chladicím systémem.

Podle dodavatelské případové studie dosahovala úspora přibližně 100 kWh denně. Roční odhad činil 36 MWh a uváděná roční procentní úspora 15 %. Zdrojem těchto údajů je případová studie SkyCool Systems, tedy materiál výrobce, nikoli nezávislý recenzovaný audit.

Supermarket je pro podobné řešení zajímavý typ provozu. Chladicí vitríny a mrazicí zařízení potřebují odvádět teplo dlouhodobě. Na rozdíl od příležitostně klimatizované zasedací místnosti tak existuje více hodin, během kterých lze potenciální přínos využít.

Při hodnocení reference bych ale chtěl vidět víc než roční součet. Jaké bylo počasí před instalací a po ní? Změnila se otevírací doba? Proběhl současně servis kompresorů? Přibyly nové vitríny? Každá taková změna může ovlivnit spotřebu a zkreslit jednoduché porovnání účtů.

Právě proto má smysl začínat průběžným měřením. Při přípravě projektu lze využít informace o monitoringu spotřeby a provozních dat. Pro ověření chladicího systému však zadání musí zahrnovat také potřebná teplotní a průtoková čidla. Elektroměr sám příčinu úspory nevysvětlí.

Česká obloha umí výsledek zchladit. Bohužel obrazně

Suchá a jasná obloha je pro sálavé chlazení výhodná. Vodní pára a oblačnost ovlivňují prostup infračerveného záření atmosférou a zvyšují zpětné záření směrem k povrchu. Výkon proto nelze odvozovat pouze z venkovní teploty. Tato omezení rozebírá i odborný přehled o sálavém chlazení a atmosférické vodě.

Také vítr má dvojí účinek. U povrchu teplejšího než vzduch pomáhá odvádět teplo. Pokud však panel pracuje pod teplotou vzduchu, proudění mu teplo naopak přivádí. Konstrukce proto musí omezovat nežádoucí tepelné zisky, aniž by zablokovala vyzařování směrem k obloze.

Pro českou instalaci z toho plyne praktický závěr: vyžádat si výpočet s místními hodinovými meteorologickými daty. Roční průměr teploty ani počet slunečných dnů takové posouzení nenahradí. Potřeba chlazení se navíc musí časově potkávat s využitelným výkonem panelů.

Dále záleží na samotné střeše. Jak velkou část oblohy panel skutečně „vidí“? Nestojí těsně vedle vysoké atiky nebo jiné teplé konstrukce? Jak bude přístupný pro čištění a servis? Co se stane při sněhu a mrazu?

U celoročního kapalinového okruhu musí projekt řešit ochranu proti zamrznutí. Případná nemrznoucí směs mění vlastnosti kapaliny i potřebný čerpací výkon. To jsou položky do technického návrhu a ekonomiky, nikoli drobným písmem pod reklamním slibem.

Studená stěna připomíná další problém: kondenzaci

Ochlazení pod teplotu vzduchu ještě automaticky neznamená rosení. Rozhoduje rosný bod, tedy teplota, při které začne vodní pára za daných podmínek kondenzovat. Když povrch potrubí nebo výměníku klesne pod tuto mez, může se na něm objevit voda.

Pro orientaci: při vnitřní teplotě 26 °C a relativní vlhkosti 60 % vychází rosný bod přibližně na 17,6 °C. Jde o orientační psychrometrický výpočet. Potrubí s povrchem kolem 16 °C už v takové místnosti může kondenzovat. Nestačí tedy sledovat pouze požadovanou teplotu chlazení.

Tady se téma potkává se studenou stěnou a její izolací. Tepelná izolace omezuje přenos tepla, ale konkrétní skladba musí zvládnout také vlhkost. U studeného potrubí je podstatné souvislé provedení izolace a odpovídající ochrana proti pronikání vodní páry. Slabým místem bývají spoje, armatury a prostupy.

Tenká izolace může část tepelných zisků omezit. Její dostatečnost ale nelze určit pouhým pohledem ani univerzálním doporučením tloušťky. Záleží na teplotách, vlhkosti, materiálu a provedení.

Pokud by se voda využívala přímo ve stropním nebo stěnovém chlazení, regulace musí hlídat podmínky kondenzace v místnostech. Odvod tepla přes kondenzátor a přímé chlazení interiéru jsou odlišná zapojení. Při přípravě investice proto patří energetické poradenství k technickému návrhu, který tyto souvislosti skutečně posoudí.

Kolik korun přinese ušetřená megawatthodina

Návratnost začíná u ceny skutečně ušetřené elektřiny. Celková faktura obsahuje obchodní i regulované položky a daně, jak vysvětluje Energetický regulační úřad. Některé platby závisejí na odběru, jiné se pouhým snížením spotřeby nezmění. Prosté vydělení celé faktury počtem kilowatthodin tak může výnos investice nadhodnotit.

Uvažujme čistě modelový český projekt. Roční čistá úspora po započtení čerpadla bude 20 MWh. Pokud má každá ušetřená kilowatthodina hodnotu 4 Kč, hrubý roční finanční přínos činí 80 000 Kč. Při dodatečném servisu za 10 000 Kč zbývá 70 000 Kč.

Hypotetická investice 700 000 Kč by za těchto předpokladů měla jednoduchou návratnost deset let. Bez financování, diskontování a větších oprav. Čísla představují příklad výpočtu, nikoli nabídku dodavatele nebo odhad české tržní ceny.

Výpočet musí zohlednit i střechu. Stejná plocha může sloužit fotovoltaice nebo technickému zařízení. Porovnávat je vhodné podle ročního přínosu a celkových nákladů, ne pouze podle špičkových wattů na metr čtvereční.

Pokud firma kombinuje vlastní výrobu a další zdroje elektřiny, související možnosti najde na stránce řešení pro firmy. Cenovou část rozpočtu lze zasadit do širšího kontextu pomocí blogu Share-Electric.cz. Samotný způsob nákupu elektřiny však nenahrazuje technické ověření úspory chlazení.

Nejdřív měření, potom objednávka panelů

Rozumný první krok je překvapivě obyčejný: zjistit, kolik elektřiny spotřebovává samotné chlazení. Ideálně odděleně od osvětlení, výroby a ostatního provozu. Současně zaznamenávat venkovní podmínky a relevantní provozní teploty. Teprve potom má smysl hledat velikost a zapojení nové soustavy.

Od dodavatele bych požadoval hodinový výpočet očekávaného přínosu, spotřebu pomocných zařízení a popis regulace. Také podmínky záruky, předpokládanou životnost povrchu, servisní náklady a způsob ověření výsledku. Výkon nového čistého vzorku není totéž co dlouhodobá funkce střechy.

U větší investice může být vhodná zkušební instalace. Porovnání musí zohlednit počasí i zatížení provozu. Pokud je to technicky možné, střídání provozu s panely a bez jejich přínosu pomůže oddělit účinek technologie od ostatních změn.

Širší energetický plán může zahrnovat vlastní fotovoltaiku i sdílení. K tomuto samostatnému tématu slouží [SdíleníElektřiny.com](https://sdilenielektriny.com); přehled služeb najdete na smartenergyshare.com.

Chlazení oblohou má fyzikální základ, experimentální výsledky i provozní reference. Jeho hodnotu pro konkrétní českou budovu ale rozhodnou data. Začněte tedy měřením a nechte si spočítat místní podmínky. Možná se ukáže, že nejvýhodnější část nové klimatizace bude ležet tiše na střeše. A nebude potřebovat další kompresor.

Zdroje

• Nature Energy: Ochlazování kapaliny pod teplotu okolí bez odpařování pomocí oblohy. Recenzovaná práce Goldsteina, Ramana a Fana z roku 2017. Výchozí odborný zdroj k experimentu s proudící vodou. Při interpretaci je nutné odlišovat experimentální výsledky od modelovaného přínosu pro budovu.

• Nature: Pasivní sálavé chlazení pod teplotu vzduchu na přímém slunci. Recenzovaná studie z roku 2014 vysvětluje materiálový základ technologie. Pomáhá pochopit, proč musí povrch současně odrážet sluneční záření a účinně vyzařovat v příslušné infračervené oblasti.

• SkyCool Systems: Případová studie supermarketu Grocery Outlet. Dodavatelský podklad k provozní instalaci ve Stocktonu. Užitečný příklad propojení panelů se stávajícím chlazením; údaje o úsporách je třeba číst jako tvrzení výrobce, nikoli jako nezávislé ověření.

• ERÚ: Ceny energií. Český primární zdroj pro základní rozdělení ceny elektřiny. Při přípravě ekonomického modelu pomáhá rozlišit jednotlivé části účtu; vlastní ocenění úspory musí následně vycházet ze smlouvy a podmínek konkrétního odběrného místa.

• IEA: Budoucnost chlazení. Analytická zpráva z roku 2018 poskytuje širší kontext energetické náročnosti chlazení budov. Slouží jako doplňující četba k významu účinnosti klimatizací, nikoli jako doklad výkonu zde popsaných sálavých panelů.

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: SdileniEnergie.info Velkoobchodní ceny energií jsou v ČR na dvouletých maxime... Vice o dodavatelé