: Ing. arch. Tomáš Hubinský
: prof. Ing. arch. Robert Špaček, CSc.
ZÁKLADNÝ RÁMEC VÝSKUMU
- zmierňovanie dopadov klimatických zmien v prostredí mesta. Ťažiskovo zvyšovanie teploty ovzdušia vo verejnom mestskom prostredí definované ako fenomén mestského ostrova tepla (UHI Urban Heat Island)
- zvyšovanie energetickej efektívnosti procesov antropogénneho pôvodu v meste s ohľadom na znižovanie ich energetickej náročnosti a emisií skleníkových plynov. Ťažiskovo konverzia slnečného žiarenia na elektrickú energiu v prostrediach ktoré doposiaľ boli vyhodnocované ako nevhodné (čiastočne tienené, alebo v úplnom tieni).
Napriek tomu, že rámec výskumu je pomerne dostatočne zmapovaný čiastkovými vedeckými zisteniami a technologickými inováciami je tu absencia v oblasti relatívneho vyhodnocovania prínosov takýchto inovácií (stratégií) v širšej perspektíve vzájomných vzťahov kvalít mestského prostredia. Je zrejmé, že lineárny predpovedný model je nepostačujúci a je potrebné použiť pravdepodobnostný (kvantový model nespojitosti), ktorý vyhodnocuje stanovené stratégie na základe pravdepodobnosti (kde závery sú hodnotené na škále viac vhodný – menej vhodný). Pravdepodobnostný model umožňuje v ktoromkoľvek momente analýzy zaradiť nový hodnotiaci aspekt a umožňuje súbežne vyhodnocovať kvantifikovateľné kvalitatívne parametre (fyzikálne parametre) a nekvantifikovateľné kvalitatívne parametre (estetická hodnota, historická hodnota, hodnota sentimentu, kultúrna hodnota, ekonomická hodnota, sociálne aspekty, architektonické a urbanistické aspekty a iné). Pravdepodobnostný model dokáže zahrnúť vplyv predpokladov na úrovni domnienok a neúplných záverov, je v čase udržateľný. Ako konotáciu k pravdepodobnostnému modelu uvediem Rittelovu a Weberovu teóriu „zapeklité problémy“ Wicked problems aplikovanú na udržateľný rozvoj o ktorej pojednáva kapitola „Sustainable Development as a Wicked Problem“ z knihy „Managing and Engineering in Complex Situations“.
Ako základný nástroj pre vyhodnotenie koherentných čiastkových stratégií sú stanovené fyzikálne parametre.
- Čiastkový vedecko-výskumný zámer súvisiaci s projektom APVV-18-0044 Solárny potenciál urbanizovaných území a jeho využitie v koncepte Smart City (spolupráca: FAD STU + Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach)
Vedecko-výskumný zámer sa primárne zameriava na vplyvy energie slnečného žiarenia v meste predovšetkým na fenomén mestského ostrova tepla (UHI Urban Heat Island), ktorého mechanizmus vzniku súvisí s atmosférou (Atmospheric AUHI) a s termodynamickými a optickými vlastnosťami povrchov (Surface SUHI). Východiskovým zdrojom vedomostí je vedecká práca klimatológa: Timothy Richard Oke. Cieľom výskumu je zmapovať termodynamické procesy na úrovni SUHI, zadefinovať fyzikálne vlastnosti povrchov a procesov, ktoré ich zapríčiňujú. Spresniť jestvujúce predpovedné modely doplnením fyzikálnych parametrov povrchov (Solar Reflectance Index (SRI), Luminous Reflectance (LR), tepelná emisivita, albedo, tepelná kapacita, tepelná vodivosť) a predostrieť stratégie na zmierňovanie negatívnych vplyvov tohto fenoménu, ktorých dopad a opodstatnenosť budú overené pomocou predpovedných modelov ako prípadové štúdie vybraných mestských zón.
Ako zásadný problém z doposiaľ vykonaného výskumu vnímame rozdielne správanie sa materiálov vzhľadom na kvalitu dopadajúceho slnečného žiarenia v zmysle distribúcie energie vzhľadom na vlnovú dĺžku (Spectral Energy Distribution SED). Spektrum terestriálneho slnečného žiarenia vzhľadom na termodynamické procesy ktoré ovplyvňuje môžeme rozdeliť na UV, viditeľné (vis) a blízke infračervenému (Near InfraRed NIR). Doposiaľ používané predpovedné modely s takýmto rozlíšením nepracovali v čom vidíme priestor na inováciu. Zámer spresniť predpovedné modely v zmysle UV/vis/NIR sa opiera aj o fakt, že Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) certifikácia, ktorá je svetovo považovaná za smerodajnú v oblasti Green Building pracuje s hodnotami v celom spektre terestriálneho slnečného žiarenia a stanovuje minimálny SRI spevnených plôch 0,33; plochých a sklonitých striech 0,82; šikmých striech 0,39. Pre zorientovanie sa v termodynamických procesoch na ožiarených povrchoch mesta v rozsahu základného výskumu vedeckých prác venujúcich sa tejto tematike prebieha aj terénne meranie vybraných fyzikálnych parametrov na streche FAD.
Okrem spresňovania predpovedných modelov na úrovni termodynamických procesov ožiarených povrchov mesta vidíme zmysel v dopĺňaní ďalších charakteristík ovplyvňujúcich SUHI a to kolobeh vody (najmä skupenské teplo, odparovanie) a následne AUHI so zámerom priniesť komplexný pohľad pri hodnotení stratégií zmierňujúcich fenoménu UHI v procese navrhovania v urbanistickej a architektonickej mierke.
- Čiastkový vedecko-výskumný zámer
Opodstatnenosť umiestňovania fotoaktívnych povrchov ( fotovoltika) v mestskom prostredí, súvisiaci s aktivitami Excelentného tímu FAD STU (Sustainable design of (human) environment)
Súčasný výskum a vývoj fotovoltických článkov sa dostáva do bodu, kedy technológie na báze kremíka dosahujú hranice teoretickej efektivity (32%) konverzie solárnej na elektrickú energiu. Zároveň pribúdajú nové technológie z oblasti viacnásobných polovodičových prechodov (Multijunction Cells) , ktoré aktuálne dosahujú efektivitu 42% a výhľadovo je predpoklad, že prekonajú hranicu 50%. Rapídne sa znižuje cena kWh vyrobenej energie a znižuje sa aj množstvo emisií GHG na vyrobený kWh z fotovoltiky. Nevýhodou fotovoltiky (ako aj väčšiny OZE) je nestabilnosť výkonu odvíjajúca sa od aktuálneho stavu počasia. Čomu sa prispôsobuje distribučná sieť. Implementujú sa inovatívne technológie a stratégie na uskladnenie a distribúciu elektrickej energie (vodíkové hospodárstvo, smrat grids, virtual power plant a podobne). Opodstatnený, je argument, že fotovoltika oproti veterným, vodným, geotermálnym a jadrovým elektrárňam má vyššie emisie GHG na kWh vyrobenej elektrickej energie na druhú stranu si treba uvedomiť environmentálny dopad OZE, ktoré nie sú priamo integrované v mestskom sídle a zaberajú prírodnú krajinu, prípadne predstavujú bezpečnostné riziko (jadrové elektrárne).
V súčasnosti sa v mestskom sídle fotovoltické panely inštalujú z hľadiska konverzie slnečná / elektrická energia na optimálne povrchy budov (prevažne strechy s nízkym sklonom, alebo vhodnou orientáciou, ktoré nie sú tienené). Vzhľadom na stanovený vedecko-výskumný zámer a uvedené fakty (hlavne technologický posun vo vývoji fotovoltiky) je cieľom vyhodnotiť v husto zastavaných mestských sídlach s vyššou niveletou zástavby opodstatnenosť umiestňovania fotovoltických technológií na povrchoch budov ktoré sú čiastočne, alebo úplne zatienené počas dňa/roka (prevažne fasády) okolitou zástavbu (spodné tienenie), alebo si tienia sami sebou. Kde limita určujúca opodstatnenosť takéhoto riešenia je podiel emisií GHG na kWh vyrobenej energie v porovnaní s konvenčnými zdrojmi. Metóda výskumu spočíva v stanovení množstva dopadajúceho slnečného žiarenia na povrchy budov v stanovenej lokalite pomocou GIS (geografický informačný systém) predpovedného modelu. Následne na zvolenom objekte a zvolených plochách objektu (fasády, strecha) vykonať podrobné merania zamerané na stanovenie priebehu dopadajúceho globálneho slnečného žiarenia (s rozlíšením priamej a difúznej zložky) kvality dopadajúceho žiarenia SED (Spectral Energy Distribution), základné meteorologické údaje (oblačnosť, teplota okolitého vzduchu). A merania účinnosti fotovoltických technológií umiestnených na zvolených plochách.
Záver výskumu okrem zhodnotenia opodstatnenosti umiestňovania fotovoltiky v okrajových podmienkach čiastočného, alebo úplného tieňa, poskytne údaje o kvalite dopadajúceho slnečného žiarenia a ďalšie charakteristiky pre vývoj fotovoltiky. Čiastkovým záverom na úrovni architektonickej mierky je návrh modifikácie jestvujúcich technológií z hľadiska ich veľkosti, geometrie a orientácie, kde optimalizačným faktorom je: denný/ročný cyklus spotreby elektrickej energie pre objekt pre štruktúru (či sa sústrediť na maximálny zisk počas dňa/roka, alebo sa sústrediť na pokrytie prevádzkových nárokov (ranná špička, podvečerná špička). Pričom historicky je evidentný posun od prispôsobovania sa architektúry PV technológiám k prispôsobovaniu sa PV technológií architektúre. Ako zásadný nedostatok súčasných PV technológií je ich prehrievanie, kedy povrch panela dosahuje 80°C. Tento nedostatok nezapríčiňuje iba pokles efektivity, ale z hľadiska fenoménu UHI je neprijateľný, tento poznatok uvádzame ako jeden z nepriamych aspektov pri vyhodnocovaní fotovoltiky.
Ciele výskumu
Cieľom výskumu v zmysle témy dizertačnej práce je pomocou fyzikálnych parametrov popísať procesy ovplyvňujúce mestský environment v zmysle zmierňovania dopadov klimatických zmien s čím súvisí aj I. a II. čiastkový vedecko-výskumný zámer. Následne predpovednými modelmi na prípadových štúdiách vyhodnotiť stratégie súvisiace so zmierňovaním ovplyvňujúce urbanizmus a architektúru mesta nielen vzhľadom na fyzikálne parametre, ale aj s presahom na ostatné environmentálne a kultúrno spoločenské hodnoty v meste.
