Jak izolují okna, když jim rozumíte

Většina výrobců oken se věnuje zlepšování konstrukčního řešení oken, zvyšování jejich tepělněizolační účinnosti, snazšímu ovládání či vyšší životnosti a poslední době i chytrému ovládání či řízení. Výjimkou je společnost VELUX, která se vedle toho již delší dobu zabývá i soustředěným výzkumem, jak okna fakticky izolují teplo a proč. Stále nápadněji vychází najevo, že okna (ale i střecha a fasáda) účinkují významně odlišně od výpočtů, které pracují jen s teplotami vzduchu.

Mnoha lidem se zdá, že o oknech v dnešní „vyspělé” době už víme všechno. Okna mají přibližně o řád větší součinitel prostupu tepla, tudíž jimi uniká mnohem více tepla, než obvodovými zdmi: Například okno se součinitelem U_w = 1,1 W/(m²K), které doporučuje norma, izolují teplo až 10× hůře, než kvalitní obvodová stěna s U = 0,11 W/(m²K).

Omyl tohoto myšlení je v tom, že okna, střechy a fasádní zdi nepracují jen se vzduchem a jeho teplotami, ale hlavně se silnými zářivými ději, které jsou vydatným zdrojem tepla. Jde o:

1. přímé a rozptýlené sluneční záření,
2. chladné sálavé působení zejména jasné oblohy.

Zastavme se u pojmu „chladné sálaní” či „chladné záření” oblohy, které je pro pochopení tepelné bilance okna zásadní.

Chladné či chladivé sálání

Pocit chladu, nebo tepla vzniká na základě energetické bilance: Má-li naše oblečení povrchovou teplotu 20 °C, vyzařuje (podle Stefanova-Boltzmannova zákona I = σT⁴) do okolí tepelné záření o intenzitě necelých 420 W/m² (z každého m² povrchu oblečení).

Stojíme-li uprostřed místnosti, jejíž stěny mají teplotu 0 °C, sálají k nám stěny záření o intenzitě 315 W/m² a my vlastně přicházíme o 420 W/m² – 315 W/m² = 105 W/m². Tuto ztrátu vnímáme jako chlad, které vyvolalo chladné sálání, v tomto případě od stěn. Rovnicí to lze vyjádřit takto:

I = σ((273,15+20)⁴ – (273,15+0)⁴) = = 105; W/m²

kde I je výsledná intenzita sdílení tepla mezi osobou a stěnami místnosti a σ = 5,67·10^–8 W/(m²K⁴) je Stefanova - Boltzmannova konstanta.

Plastová okna. Průvodce výběrem, profily a zasklením

Plastová okna jsou díky nenáročné údržbě, dobrým vlastnostem a příznivé ceně stále vyhledávanější. Velké množsví okenních profilů a zasklení nám umožňuje vybrat si okno na míru…

Sluneční záření

Povrch Slunce má teplotu 5 778 K (zdroj: Wikipedia), tj. 5 505 °C, a opouští ho sálaní o stejné teplotě, avšak s intenzitou 63,2 MW/m². Ve vzdálenosti Země je jeho intenzita už jen 1300 W/m², a ta se průchodem bezoblačnou atmosférou sníží na ca 1000 W/m². Pro srovnání: energii 1000 W/m² vyzařuje také těleso rozpálené na 91,3 °C.

V následujících příkladech si ukážeme, jak počítá tepelnou ztrátu střešního okna norma a jak ji řeší příroda.

Parametry okna

Pro účely tohoto příspěvku budeme uvažovat okno s těmito vlastnostmi:

• U_W = 1,1 W/(m²K),
• odraz slun. záření: 20 %,
• g = 0,5 (propouštěný podíl energie dopadajícího slunečního záření),
• zbytek, 30 %, okno pohltí,
• 100% pohltivost chladného sálání oblohy.

Zatažený letní den

Zvolme šikmou střechu typu A o sklonu 60 °, jejíž plochy míří k jihu a k severu.

V neděli 17. července 2016 byl (podle Referenčního klimatického roku 2016 v Hradci Králové) letní zatažený den s venkovními teplotami od 12,9 °C do 16,3 °C. Podle normy a na základě hodinových teplot venkovního vzduchu, návrhové vnitřní teploty 20 °C a pro součinitel prostupu tepla U = 1,1 W/(m²K) spočítáme celodenní tepelnou ztrátu okna –158 W/(m²den).

Příroda nám vedle tepla vzduchu nabízí i energii chladivého tepelného záření oblohy a dále přímého a difúzního sluneční záření. Když to vezmeme v úvahu, je výsledkem nikoliv ztráta, ale tepelný zisk +411 W/(m²den). Týkalo se to severního i jižního střešního okna, neboť tento den zůstalo slunce za mraky a účinkovalo jen difúzní záření stejné pro obě střechy. Venkovní povrchové teploty okna se přitom v obou případech pohybovaly od 11,6 do 16,3 °C a byly tedy významně nižší, než teploty vzduchu. To zhoršilo ztrátu tepla prostupem a součinitel U_w, do kterého se dosazují jen teploty vzduchu, na 1,37 W/(m²K).

Nejteplejší den

V roce 2016 to byl 20. červen. Bylo jasno teploty vzduchu byly od 18,9 °C do 34,5 °C. Sálavá teplota oblohy byla –20 °C.

Vzhledem k „letní” vnitřní teplotě 25 °C zaznamenal 1 m² okenní plochy celodenní energetický zisk 70 Wh/m², počítaný podle normy. Skutečný prostup tepla, odvozený z venkovních povrchových teplot okna, však zaznamenal celodenní ztrátu –59 Wh/m² u jižního a –90,7 Wh/m² u severního okna. Na venkovní plochu okna totiž nepůsobí jen teplý vzduch, ale i horké slunce a chladivá obloha. Venkovní povrch jižního okna měnil během dne teplotu mezi 13,4 až 33,4 °C a severního okna mezi 13,4 °C a 27,4 °C. Odtud uvedené celodenní ztráty. Připočteme-li k tomu také energii přímého a rozptýleného slunečního záření, které vstupuje do interiéru jižním oknem, je celodenní bilance tohoto okna +3 144 Wh/m². Tentýž postup pro severní okno dává kladnou celodenní bilanci +1 608 Wh/m².

Součinitel U_w, do kterého dosazujeme teploty vzduchu, nabýval absurdních hodnot od –4,4 Wh/m² do 7,6 Wh/m² s průměrem 1,35 Wh/m².

Nejchladnější den

Připadl na Štědrý den. Bylo slunečno a venkovní teploty se pohybovaly od –13,5 °C do –4,7 °C.

Podle normy v hodinostupňové reprezentaci zaznamenala obě střešní okna celodenní ztrátu –778 W/m², vztaženo k vnitřní teplotě 20 °C. Skutečný prostup tepla, odvozený z venkovních povrchových teplot, zaznamenal celodenní ztrátu –805 Wh/m² u jižního okna a –849 Wh/m² u severního okna. Připočteme-li k tomu přímé sluneční zisky, celková energetická bilance jižního okna byla +1 548 Wh/m², zatímco severní okno zaznamenalo celkově –463 Wh/m², tzn. ztrátu. Stalo se tak v důsledku působení chladivé oblohy, a hřejivých slunečních paprsků. Ty byly vydatné na jižním okně, ale na severním minimální (difúzní). Venkovní povrch u jižního okna měnil během tohoto dne teplotu mezi –14,2 °C až +2,9 °C, u severního pak mezi –14,2 °C až –6,4 °C.

Průměrný celodenní součinitel U_w, který pracuje jen s teplotami vzduchu, byl 1,15 Wh/m² pro severní okno a 1,08 Wh/m² pro jižní. Zimní tepelné výpočty oken zde více korespondují s realitou, než letní.

Zatažený zimní den

Jeho představitelem je 20. prosinec 2016. Slunce bylo po celý den za mraky, pod nimi bylo přítomné jen slabé difúzní sluneční záření.

Podle normy v hodinostupňové reprezentaci vykázala obě okna celodenní ztrátu –502 W/m², vztažené k vnitřní teplotě 20 °C. Prostupem na základě povrchových teplot uniklo –528 W/m² a se započtením zisků od difúzního záření byla ztráta jen –460 W/m².

Průměrný celodenní součinitel U_w, který pracuje jen s teplotami vzduchu, byl 1,1 Wh/m² pro obě okna. To opět potvrzuje dobrou vypovídající schopnost „zimní” stavební tepelné techniky v podmínkách ČR.

Závěr

Tato studie ukazuje na obrovský vliv slunečního záření a chladného sálání oblohy, ať už jasné nebo zatažené, na energetickou bilanci okna. Okna sama vesměs působí na interiér chladivě, a to i v létě za tropických dní. Jsou také vydatným zdrojem tepla tím, že propouštějí do interiéru horké přímé a rozptýlené sluneční záření, v létě až v enormním množství.

Vzhledem k intenzitě slunečních zisků mohou za celý zimní den a při jasném počasí dobře navržená okna víc energie do domu dodat, než kolik z celé budovy uniká ven. Naopak v létě se před slunečními zisky chráníme předokenním stíněním.