Tento projekt je podporován AVČR v rámci programu "Podpora projektů cíleného výzkumu: 1QS 110700572 - Vývoj stavebních prvků využívající skleněné optické rastry vyráběné metodou kontinuálního lití".

Rastrové čočky - obecně
Optickým rastrem rozumíme opakovaný vzor, nanesený na vnitřní plochu skleněné tabule, který odráží či láme do požadovaného směru paprsky přímé složky slunečního záření. Optický rastr působí vždy jako separátor přímé a difúzní složky slunečního záření. Difúzní složku propouští prakticky beze změn a umožňuje pracovat se složkou přímou.

Rastrové čočky zabudované ve střešní konstrukci či fasádě stavby zajišťují přirozené a rovnoměrné osvětlení interiéru a umožňují kombinovat pasivní a aktivní využití sluneční energie pro ohřev interiéru, vody a otop.

Pasivním využitím rozumíme využití skleníkového efektu v interiéru, jehož střecha je tvořena transparentní krytinou - skleněným rastrem provedeným zpravidla ve formě izolačního dvojskla. Přes dvojsklo proniká do místnosti krátkovlnné světelné záření. To je pohlceno různými prvky interiéru, přemění se na teplo a ohřeje interiér. Ten potom vyzařuje dlouhovlnné tepelné záření, které však sklo již nepropouští zpět. Tím dojde k dalšímu výraznému ohřátí interiéru.

Aktivním využitím rozumíme využití transparentní krytiny - lineární rastrové čočky ze skla- jako inteligentní žaluzie. Čočka soustřeďuje paprsky přímé složky slunečního záření do ohniskové přímky, kde jsou umístěny pohyblivé absorbéry, kterými protéká teplonosná kapalina. Ta se ohřívá a je odváděna z prostoru.Tím chráníme interiér před přesvětlením a přehřátím. Získanou tepelnou energii lze použít pro ohřev užitkové vody nebo pro otop s časovým posunem den - noc. V případě, že se nám sluneční energie nedostává, můžeme vychýlit absorbéry mimo ohniska. Přímé záření potom proniká dovnitř a ohřívá interiér.

V praxi je využívána lineární rastrová (Fresnelova) čočka korigovaná pro kolmý dopad slunečního záření (LFČ) v kombinaci s pohyblivým rámem s absorbéry, která je vestavována do šikmých střech (stacionární kolektor Solarglas SG1). V současné době probíhá vývoj dalších typů optických rastrů (aktivních i pasivních), použitelných pro tzv. energetické fasády. Jedná se jednak o lineární rastrovou čočku korigovanou na šikmý dopad záření, která je obdobou LFČ, jednak o pasivní odrazné rastry, které v létě odrážejí přebytečnou energii tak, aby nezatěžovala interiér, a v zimě energii propouštějí a umožňují ohřev interiéru.

Lineární Fresnelova čočka (LFČ) a kolektor SG1
LFČ je ploché sklo se speciálním rastrem na povrchu, který vznikne válcováním za tepla. Tento prvek vyrábí Glaverbel Czech a.s., Teplice. Lze jej kombinovat v izolačním dvouskle s libovolnými druhy skel. LFČ je korigovaná na kolmý dopad záření. Kolektorový systém využívající LFČ se skládá z rámu nesoucího čočky, z pohyblivého rámu s absorbéry, primárního okruhu s teplonosnou kapalinou a výměníku tepla.

Je vybaven elektronickým systémem navádění a regulace. Absorbéry jsou hliníkové profily s elektrochemicky nanesenou černou vrstvou, na jejímž povrchu dochází k transformaci slunečního záření v teplo. Jsou vyvložkovány měděnou trubičkou, kterou protéká teplonosné médium. Teplo je předáváno prostřednictvím výměníku do zásobníku teplé vody, která je dále využívána.

Kolektor má osvětlovací, klimatizační a energetickou funkci. Střecha je transparentní a propouští vždy rozptýlené světlo s převládající difusní složkou bez kontrastních stínů. Intenzita osvětlení se příliš nemění v závislosti na oblačnosti, neboť čočka koncentruje pouze záření přímé, které je energeticky významnější a to je pohlceno na černé ploše absorbéru. Difusní složka projde do objektu bez významných změn a proto je za kolektorem rovnoměrné osvětlení.

Systém se vlastně chová jako inteligentní žaluzie. Rastr pracuje jako separátor přímé a difusní složky dopadajícího slunečního záření. Přímá složka je koncentrována do lineárního ohniska, kde je umístěn pohyblivý absorbér. Pokud je uvnitř chladno a svítí slunce, absorbéry vyjedou z ohniska a prostor uvnitř se ohřívá přímým dopadem sluneční energie. Po dosažení požadované teploty interiéru automatika systému navede absorbéry do ohnisek a kolektor pracuje jako koncentrační. Tím je energeticky podstatná část ( 60 %) energie přímé složky slunečního záření odvedeno ve formě ohřátého média z místnosti a snižuje tepelnou zátěž vnitřního prostoru při využití skleníkového efektu pod prosklenou plochou.

Jak bylo uvedeno, LFČ soustřeďuje sluneční záření na absorbéry, kterými protéká teplonosné médium a odvádí přebytečnou energii z proskleného prostoru. Tuto energii potom můžeme použít např. pro ohřev teplé užitkové vody či na otop s časovým posunem den - noc. Za slunného dne ohřeje 200 - 300 litrů vody na teplotu 50 - 60 ^oC. Sluneční kolektor však nepracuje v průběhu roku a dne se stálým výkonem. K zajištění kontinuální dodávky tepla je proto nutné ohřev pomocí sluneční energie kombinovat s jiným záložním zdrojem tepla.

Obr.: Hlavní prvky a funkce kolektoru (podle Jirka V. (ed.), 1999)

Původní kolektorový systém využívající LFČ byl poprvé instalován pro experimentální účely do střešní konstrukce skleníku. Tento skleník jako tzv. Solární jednotka byl vybudován v letech 1987 - 1991 na pozemku Botanického ústavu AV ČR v Třeboni, ve spolupráci Botanického a Fyzikálního ústavu AV ČR. Zde byla na základě dlouhodobého sledování a experimentální práce ověřena vhodnost tohoto systému pro praktické využití.

V současné době je tento kolektorový systém pod komerčním názvem Solarglas SG1 vyráběn a dodáván firmou Envi, s.r.o., Třeboň (www.envi.cz). Je vhodný tam, kde potřebujeme osvětlený prostor pod kolektorem (ateliery, školní učebny, zimní zahrady, bazény, výstavní haly), je možné jej využít v technických prostorách (chodby, světlíky). Kolektor SG1 se vestavuje v podobě střešního okna (obvyklá plocha 9 m²) do šikmých střech s přibližně jižní orientací a sklonem 30 - 45 stupňů.

Energetické fasády
Na základě vývoje a praktického využití kolektorového systému využívajícího optický rastr - lineární Fresnelovu čočku jsme dospěli k názoru, že využití tohoto prvku v architektuře a stavebnictví je perspektivní a stojí za to se jím dále zabývat. Kolektor vybavený LFČ je koncipován do šikmých střech s jižní orientací (čočka je korigována na kolmý dopad slunečního záření). V průběhu práce s rastry však byla experimentálně ověřena i možnost použití jiných typů rastrů, které by bylo možné zabudovat do stěn a vytvářet tak tzv. energetické fasády. Obecným požadavkem na tyto fasády je, aby v zimě propouštěly sluneční záření (topily) a v létě záření nepropouštěly (chladily). Navrženy byly dvě skupiny rastrů, pasivní a aktivní. Dále bylo vyvinuto koncepčně nové řešení - dvojitý lámavý rastr, který zvyšuje univerzálnost použitého rastru.

Rastry pasivní
Jedná se o rastrované sklo, případně hermetizované dvojsklo, využívající optických vlastností rastru (zákona lomu a totálního odrazu na jednotlivých optických plochách) k tomu, aby nedocházelo k přehřívání a fasáda odrážela přímé sluneční záření v letním období, kdy je Slunce vysoko nad obzorem, a naopak, aby fasáda propouštěla sluneční záření a ohřívala se v zimě, kdy je Slunce nízko nad obzorem. Díky tomu, že je přesně dána trajektorie Slunce po obloze, je možné pomocí správně volených optických ploch nasměrovat značnou část přímé složky slunečního záření do požadovaného směru.

Doposud byl odzkoušen lineární odrazný rastr. Jeho výroba nevyžaduje velké technologické nároky. Tento rastr je nutno aplikovat výhradně v izolačním dvouskle, neboť pro jeho funkci je nezbytné zabezpečit čistotu zadní plochy, kde dochází k lomu a totálnímu odrazu. Další možností je rastr složený z válcových čoček, které mají ohnisko na vnitřní ploše druhého skla, tvořícího hermetizované dvojsklo. Vhodným nanesením masky na tuto plochu dokážeme vystínit přímé sluneční záření v požadovaném období.

Základní funkce rastrů

Rastry aktivní
Aktivní rastr použitelný pro fasády představuje lineární rastrová čočka korigovaná pro šikmý dopad slunečního záření, která je obdobou lineární Fresnelovy čočky a je technologicky stejně náročná. Tato čočka, umístěná vertikálně ve fasádě přibližně jižní orientace koncentruje dopadající přímé sluneční záření na pohyblivé absorbéry. Zde se záření přemění v teplo, které je potom odvedeno z prostoru ve formě ohřátého média. Takto přeměněnou sluneční energii lze potom využít pro ohřev užitkové vody nebo na otop s časovým posunem den - noc. Fasáda je průhledná, interiér je osvětlen rozptýleným světlem s převládající difúzní složkou bez kontrastních stínů. Stejně jako kolektor SG1 plní energetická fasáda funkci osvětlovací, klimatizační a energetickou.

Základní funkce rastrů

Dvojitý lámavý rastr
Představuje koncepčně nové řešení, které zvyšuje univerzálnost použitého rastru. Optickou soustavu tvoří dvojsklo se stejnými rastrovými skly. Podle orientace skel získáme soustavu korigovanou na kolmý dopad záření nebo soustavu korigovanou na šikmý dopad záření. Výhodou je univerzálnost rastru, nevýhodou tepelné charakteristiky dvojskla, neboť v izolačním dvojskle není možné využít skel s nanesenými kovovými vrstvami, které dovolují snížit součinitel prostupu tepla.