Bydlení v podkroví z pohledu energetiky

Tento článek přináší výsledky studie, kdy byl zkoumán rodinný dům o půdorysu 10 × 12 m se sedlovou střechou o sklonu od 30° do 60°. Ten byl při různých orientacích ke světovým stranám vystaven slunečnímu záření v době obou slunovratů a rovnodennosti za jasného počasí. Ze studie plynou zajímavé skutečnosti.

Energetika rodinného domu je uměním čerpat energii z okolního prostředí, především energii slunečního záření. V zimě chceme, aby sluneční záření co nejvíce ohřívalo podkrovní byt. V létě zas aby hřejivé účinky slunce byly minimální. Ideální je přizpůsobit slunci už samotný tvar a orientaci domu a hlavně střechy. Totéž platí i o plánování střešních oken, jejichž tepelnou účinnost posílíme stínicími předměty (žaluzie, rolety), nejlépe venkovními. Uděláme-li to, získáme podkrovní byt, který je plný vzduchu, světla, slunce a také příjemné teploty. Byt, kde se nám bude pěkně a zdravě žít.

Architektura a energetická účinnost domů

Tvar a orientace domu a rozmístění oken a jejich velikost by v zimě měly umožnit čerpání co nejvíce energie z přímého a difúzního slunečního záření pro účely vytápění, případně i pro jiné domovní služby. V létě ale chceme, aby hřejivé účinky slunečního záření byly minimální.

Léto: moře energie kolem nás

Mějme pozemek o ploše 10 × 12 m. V den letního slunovratu a při jasné obloze na něho dopadne přes 1 MWh sluneční energie. Kdybychom ji kupovali jako elektřinu, stála by ca 4 800 Kč. Jinak je tomu v den zimního slunovratu. I když je jasno, na pozemek dopadne nejvýš 178 kWh energie (za cca 850 Kč).

Postavme na pozemku patrový dům se sedlovou střechou, pod níž je podkrovní byt. Tab. 1 ukazuje celkové množství sluneční energie dopadající na dům a na sedlovou střechu o různém sklonu obou střešních ploch.

Speciálně na dům se sklonem střechy 60° při různých natočení domu v den letního slunovratu dopadne až 2,6 MWh/den (za necelých 12,5 tis. Kč za den). Z toho na střechu 1,739 MWh/den, tj. po 870 kWh/den na každou její polovinu. Čísla platí pro natočení domu, kdy jedna polovina sedlové střechy míří k východu a druhá na západ. Pro srovnání: celoroční průměrná spotřeba elektřiny české domácnosti činí asi 2,5 MWh/rok.

Víc nás bude zajímat, kdy je v létě dům vystaven minimu dopadajícího tepla. Je to tehdy, když jeho polostřechy míří k severu a k jihu. Na celý dům pak dopadne „jen” 2,096 MWh, z toho na střechu 1,204 MWh; na její jižní polovinu 733 kWh a na severní 471 kWh.

Vůbec nejnižší množství dopadající celodenní sluneční energie v tento den vykázal dům s nejmenším sklonem sedlové střechy 30°, natočené k severu a k jihu, totiž 1,974 MWh. Na jeho střechu dopadá 1,082 MWh/den; 517 kWh na severní a 575 kWh na jižní polovinu.

Užitečné výpočty

1. Intenzita a úhel dopadu slunečního záření, které dopadá na vodorovnou rovinu, střechu nebo fasádu
2. Celodenní sluneční energie dopadající na sklonitou plochu

Zima: hledání energetických zisků

Zatímco v létě nevíme, kam s přebytky sluneční energie, v zimě zase hledáme cesty, jak jí (tvarem a orientací budovy) co nejvíce nasbírat. V době zimního slunovratu vykázal nejvyšší energetický dopad 1,527 MWh/den dům se sedlovou střechou se sklonem 60°, mířící k severu a k jihu. To je 58,7 % letního impaktu. Z toho dopadá na střechu 0,777 MWh/den, ale jen na její jižní stranu.

Jiné srovnání je s energií 178 kWh, která by v tento den dopadala vodorovnou půdorysnou plochu 120 m² domu (8,2×, resp. 4,2× více).

Co se s dopadajícím slunečním zářením děje

To je jedna z nejdůležitějších otázek. Zde je odpověď.

A) Část slunečního záření se odrazí zpět do prostoru. To platí zejména pro okna, od nichž se odráží 30 až 40 % energie dopadajícího slunečního záření.

B) Jde-li o okna, část projde přímo do interiéru. Jde hlavně o viditelnou (=světelnou) složku slunečního záření

C) Zbytek dopadajícího slunečního záření dům, tzn. střecha, stěny, ale i okna pohltí.

Tab. 1: Celodenní sluneční energie v MWh/den, která dopadá na testovaný dům, jeho stěny a střechu za jasného počasí v době letního a zimního slunovratu a při rovnodennosti.

Orientace polostřech	Sklon střechy	LÉTO			JARO–PODZIM			ZIMA
		Celodenní dopadající sluneční energie slunce v MWh/den
Západ | Vých.	úhel	střecha	stěny	dům	střecha	stěny	dům	střecha	stěny	dům
	30°	1,157	0,860	2,018	0,680	0,860	1,537	0,239	0,388	0,626
	60°	1,739		2,600	1,127		1,984	0,456		0,844
Sever | Jih	30°	1,082	0,890	1,974	0,580	0,670	1,251	0,318	0,750	1,069
	60°	1,204		2,096	0,905		1,576	0,777		1,527
SZ | JV SV | JZ	30°	1,106	0,940	2,042	0,580	0,890	1,411	0,261	0,540	0,800
	60°	1,479		2,415	0,905		1,799	0,584		1,123

Sluneční záření, které projde okny do budovy, je postupně pohlceno stěnami, nábytkem apod. a přemění se v teplo. Světelná kvanta (fotony) ostatně nesou více energie a tedy i tepla, než neviditelná kvanta infračerveného a tepelného záření.

Nejen procházející, ale také pohlcená složka (střechou, venkovnímu stěnami a také okny) má vliv na energetickou bilanci domu, obě dům vytápějí.

Nejvíce přehlížená je ta část slunečního záření, kterou pohltí venkovní povrchy budovy, tj. její střecha, fasáda a také okna. Pohlcené sluneční záření ohřívá dotčené povrchy v zimě běžně na 40 °C, v létě na 60 °C i víc. Teplota venkovního povrchu stěn, střechy nebo teplota okenního zasklení se tím úplně vzdálí od teplot venkovního vzduchu, které se dosazují do výpočtů. Oficiální výpočty tak podstatně zkreslují, přesněji zhoršují skutečnost.

Když slunce rozpálí střechu na θ_PE = 60 °C, ale teplota venkovního vzduchu je jen θ_E = 25 °C, popisuje rozdíl mezi skutečností a úředním výpočtem prostupu tepla rovnice

Ochrana před letními horky

Nejde o malé dávky tepla. Jen naše polostřecha o sklonu 60° a ploše 99 m², je-li rozpálená na 60 °C při teplotě vzduchu 25 °C, dodává do interiéru 520 W energie. Přitom střechu uvažujeme na pasivní úrovni U = 0,15 W/(m²K). Jde o energii navíc, plynoucí mimo pozornost stavebních výpočtů.

Jsou názory, že větraná mezera pod krytinou toto teplo odvětrá. Jenže v oblasti hřebene střechy je vyšší teplota než nad úžlabím, takže pro větrání tu není potřebný teplotní gradient. A logicky tu chybí i tlakový gradient. Navíc je řeč o množství tepla, které nelze jen tak odvětrat několika průduchy ve střeše. Ostatně slunce významně zahřívá i fasádu.

Lepší řešení nabízí architektura. Střešní plochy a obvodové stěny, jejich orientaci, velikost a sklon je třeba promýšlet a plánovat tak, aby měly v létě co nejmenší tepelné zisky a v zimě co nejvyšší. Je to tak trochu rébus, ale vyplatí se ho řešit.

Čerpání sluneční energie v zimě

Myšlenka, že energii ze slunce lze využít i v zimě k vytápění, pochází od dánské společnosti VELUX. Bylo prokázáno, nejen teoreticky, ale i prakticky, že okna i v zimním období (při správné orientaci vůči světovým stranám), více tepla dodávají do interiéru, než kolik jimi utíká ven.

Zároveň se ukazuje, že se podobně chovají také střešní plochy a fasádní stěny. Sluncem ohřívaná střecha a fasáda buď sníží prostup tepla z budovy ven nebo dokonce začne budovu vytápět.

Stínicí prostředky

V letním období, ale i v zimě mají významný vliv na energetickou bilanci oken rolety, žaluzie a jiné stínicí prostředky, použité zejména na venkovní straně oken. Uplatní se ve dne, kdy zastaví přímý vstup slunečního a záření a s ním spojenou energii do budovy. V noci, zejména u střešních oken, odcloní působení chladného sálání noční oblohy.

Z jiného pohledu zvýší roleta nebo žaluzie tepelnětechnickou kvalitu okna o stupeň. Z okna s izolačním dvojsklem učiní sestavu, která odpovídá termoizolační kvalitě okna s trojsklem.

S ohledem na letní clonění slunečního světla by výrobci měli nabídnout reflexní rolety, žaluzie apod., které odrážejí celé spektrum slunečního záření tak, aby nejen nepronikalo do budovy, ale ani neohřívalo povrch okna.

Závěr

Energie slunečního záření, o které byla řeč, je zdarma a ekologicky zcela čistá. Neekologické jsou spíše předpisy, které s ní nepočítají nebo jen částečně. Cílevědomá práce se slunečním záření nabízí nový koncept tepelné ochrany budov a také pestřejší architekturu a vyšší energetickou účinnost staveb při menším nebo nulovém čerpání fosilních paliv.