Sluneční záření - energie pro zimní vytápění i letní chlazení

Následující studie ukazuje, že sluneční záření podstatně snižuje zimní spotřebu energie na vytápění budov a naopak v létě vyvolává přehřívání, před kterým se musíme bránit. Má-li architektura a stavitelství nabídnout kvalitní celoroční pobyt v budovách bez vysokých poplatků vytápění nebo chlazení, musí správně pracovat se Sluncem.

Dnešní teplovzdušná tepelná ochrana budov řeší jen zimu a vytápění, léto zůstává bez pozornosti. Argumentuje se, že průměrná celodenní teplota jen výjimečně překročí 27 °C, což je příjemná pobytová a zároveň i vnitřní návrhová teplota pro léto. Ostatně pražské Klementinum zaznamenalo historicky nejvyšší celodenní teplotu jen 31,9 °C v červenci roku 1782 a tu přeci každý přežije. Dokonce i na vysokých stavebních školách jsou studentům vštěpovány vzorečky, ze kterých po dosazení vychází, že se „dům prostě nemůže" v létě ohřát na více stupňů, než je teplota venkovního vzduchu... Tak kde je problém?

Problém je v tom, že si příroda dovolila nechovat se podle vzorečků. Zkrátka teorie se nepotkala s praxí.

Využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci v budovách

Potřeba energie pro chlazení a klimatizaci se zvyšuje, zvláště v rozvinutých zemích. Chladicí systémy poháněné teplem z obnovitelných zdrojů nebo odpadních surovin jsou slibnou…

Ze života

Na následujícím příkladu si naznačíme, že za slunných letních dní interiérová teplota – zejména u lehkých staveb – může vystoupat až nepříjemně vysoko. Život zaznamenává mnoho takových případů. Pokud jde o zimu, přímé a rozptýlené sluneční záření, které ohřívá fasády a střechy domů, interiér často a významně proteplí. To umožňuje v zimě ztlumit vytápění. Shrňme si všechny zářivé zdroje tepla!

Zdroje sálavého tepla:

1) přímé sluneční záření,
2) rozptýlené sluneční záření,
3) chladné sálání oblohy.

Přímé a rozptýlené sluneční záření má teplotu 5 500 °C, na Zemi však působí s malou intenzitu nepřesahující 1100 W/m², takže nás „nepálí", při trvalejší expozici jen opaluje dočervena nebo dohněda.

Chladné sálání oblohy je způsobené ledovým vesmírem o průměrné teplotě 3 K, tzn. –270 °C (0 K odpovídá –273,15 °C), který je na Zemi cloněn skleníkovou atmosférou. Ta se z pohledu ze Země jeví jako sálavý tepelný zdroj o teplotě od –60 (při jasné obloze) do 0 °C (při zatažené obloze). Chladné sálání oblohy se nejvíc projeví za jasné noci a to ochlazením povrchu Země pod teplotu vzduchu a ještě významnějším ochlazením střech a fasád budov.

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

Referenční dům

Ten jsme vybrali tak, aby vyváženě reprezentoval teplosměnné děje, které se odehrávají mezi domem a jeho okolím, tedy vzduchem a slunečním zářením. Jde o bungalov čtvercového půdorysu 10 × 10 m s vodorovnou střechou a s výškou stěn 3 m, veškeré povrchy mají emisivitu blízkou jedné; při světlých a bílých bude vliv sálavé složky nižší. Nároží domu míří k severu, východu, jihu a západu, zatímco stěny k SV, JV, JZ a SZ. Dům je hypoteticky umístěn v Hradci Králové o zeměpisných souřadnicích 50°10′33″ s. š. a 15°49′55″ v. d. To je pozice, ke které se vztahují teplotní a zářivé údaje zvoleného referenčního klimatického roku.

Na tomto domě - pravděpodobně v tropickém či subtropickém pásmu - a z této pohledové strany je aplikována bílá fasáda a rozlehlá světle šedá střecha. Oba povrchy mají nízkou pohltivost slunečního záření, což dům chrání před přehříváním. Dům je před horkým sluncem dobře chráněn i vegetací. Foto: romakoma

Náš referenční dům nemá okna, těm se budeme věnovat v jiném příspěvku. K bydlení je tedy tento dům nevhodný, avšak ukáže na čisté teplosměnné chování obálkových konstrukcí bez vlivu oken. Svislé obvodové stěny domu mají součinitel prostupu tepla U_Wall = 0,18 W/(m²K), střecha pak U_Roof = 0,15 W/(m²K).

Přímá osluněnost svislých stěn této budovy byla odvozena z okamžité geometrické situace v daném čase. Z orientace a úhlu, pod kterými přímé Slunce ozařovalo zemský povrch, byl odvozen úhel, pod kterým sluneční tok ozařoval danou svislou stěnu a s tím i okamžitý sluneční impakt.

Difúzní sluneční záření považujeme za všesměrové.

Tepelné ztráty prostupem

Na základě vnitřní teploty 21 °C a průměrné celoměsíční teploty venkovního vzduchu (spočítané z hodinových teplot v uvedeném referenčním klimatickém roce) stanovíme pro náš dům celoměsíční tepelné ztráty. Výsledky ukazuje tab. 1 v sloupci „Norma”.

Tabulka 1 nás na první pohled překvapí tím, že po celý rok, a to i v nejteplejších měsících, včetně července s průměrnou teplotou 19,2 °C, vyžaduje dům vytápění (ztráty jsou větší než 0). Protože pracujeme s průměrnou celoměsíční teplotou, mohlo by nás potěšit, že v některé dny letních měsíců může (statisticky) venkovní teplota stoupnout nad 21 °C, což by umožnilo topení vypnout.

My ale dobře víme, že otopnou soustavu vypínáme nejpozději v květnu a potom ji nastartujeme nejdříve v záři, častěji až v říjnu. Už jen z této úvahy plyne, že teplovzdušný model stavební tepelné techniky nepopisuje skutečnost!

Letní horka v ČR překračují i subtropické teploty. Proč?

Hlavní příčinou letních veder je horké sluneční záření a přirozený skleníkový efekt, realizovaný hlavně vlhkostí atmosféry, která brání sálání od sluncem rozpálené země do vesmíru…

Sluneční záření a chladné sálání oblohy

Chceme-li být realisty, musíme vedle teplot vzduchu přibrat do hry sluneční záření v jeho přímé i difúzní (rozptýlené) podobě a konečně i chladivé sálání noční i denní oblohy. Sálavé neboli zářivé děje jsou určující, teplota vzduchu je jejich odvozeninou. Zářivé děje lze snadno a přesně popsat a práce s nimi je snazší a přesnější, než „práce” s větrem. S jejich pomocí rychle postoupíme od teorie k realitě.

„Sálavou situaci,” lze-li to tak říci, dobře popisuje soubor dat v rámci referenčního klimatického roku. Ten uvádí hodinové údaje o teplotě vzduchu a sluneční aktivitě v podmínkách obvyklé oblačnosti. Při práci s tímto nástrojem se hodí i geometrická představivost a výpočetní zběhlost v 3D prostoru, což je silnou stránkou architektů.

Chladivé sálavé působení oblohy jsme (v následujících tabulkách) prezentovali teplotou –20 °C; k tomu je dobré dodat tuto poznámku: Nebýt skleníkové atmosféry, byla by teplota nebe nad námi velice mrazivá (–270 °C). V případě našeho zemského vzdušného „skleníku” teplota klesá s nadmořskou výškou. V letových výškách tryskových letadel (12 km nad mořem) je teplota skleníku už –60 °C. Skutečnou sálavou teplotu oblohy si každý může změřit infračerveným teploměrem.

Reálnou intenzitu slunečního záření (která zahrnuje oblačnost) jsme převzali z referenčního klimatického roku pro Hradec Králové. Difúzní složka tohoto záření je všesměrová a podle toho působí na všechny plochy domu stejně. Přímá složka slunečního záření, která během dne dopadá na rovinu pod měnícím se úhlem, je přepočtena na intenzitu působení na danou plochu domu.

Sluneční energetika budov

Započítáme-li do energetiky naší modelové stavby bez oken i sluneční záření a další sálavé děje v ovzduší, výsledky se oproti normovému přístupu podstatně změní.

Změní se tak, že se podstatně zvýrazní rozdíl mezi chladným a teplým obdobím: zimy (speciálně prosinec a leden) jsou chladivější, než říká úřední předpis, avšak léta jsou naopak ještě teplejší, a to výrazně.

Co se týče léta, nezpůsobilost úředního teplovzdušného počítání energetické náročnosti budov je až tragická. S použitím teplot podle referenčního klimatického roku (v tomto případě jde o data z roku 2012) bychom museli i červnu, červenci a srpnu topit, abychom docílili požadované vnitřní teploty 21 °C.

Když se přiblížíme skutečnosti a přibereme do hry sluneční záření a ostatní sálavé děje v atmosféře, včetně chladivé oblohy, zimy mírně zchladnou, avšak léta se velmi nápadně proteplí. U našeho vzorového bungalovu bez oken dokonce tak, že červnový výdaj na chlazení na teplotu 27 °C je 593 kWh, který při realizaci klimatizační jednotkou spotřebuje cca 150 kWh elektřiny za téměř 1 tis. Kč. Nejchladnější prosinec se ztrátou 563 kWh bychom tepelným čerpadlem vyhřáli na 21 °C za obdobnou částku.

Ve skutečné zástavbě, kde povrchy nejsou většinou realizovány černými barvami a kde hrají roli i dopadající stíny z okolních staveb či stromů, bude vliv sálání úměrně snížený. U sněhově bílých povrchů nebo při celoročně zastíněných plochách budou reálné spotřeby odpovídat normovému teplovzdušnému výpočtu.

Závěr

Z výše uvedených tabulek jsou patrné tři věci.

1. Při započítání energie slunečního záření do tepelně technických výpočtů došlo k výraznému zkrácení topné sezóny (jen na zimní měsíce listopad až březen). Navíc se ještě podstatně snížila spotřeba tepla na vytápění.

2. Při započítání energie slunečního záření do tepelně technických výpočtů došlo v létě k významnému zásobení interiéru teplem (od rozehřátých venkovních povrchů, které se v krátkodobých extrémech ohřívaly až nad 70 °C). Interiér pak musel být intenzivně chlazen, aby vnitřní teplota nepřevýšila návrhovou teplotu 27 °C. Navíc zde bylo nutno použít energii na chlazení, se kterou norma vůbec nepočítá!

3. Při započítání energie slunečního záření do tepelně technických výpočtů došlo k tomu, že jsme se přiblížili k realitě.