Nezvyklá rekonstrukce: Překvapí okna jako zdroj energie a stropní vytápění

Jsou domy různých přívlastků, které často ukonejší jen systém tím, že plní předpisy. Dům, o kterém bude řeč, slouží hlavně svým uživatelům a šetří jejich peníze tak, že skutečně. Chrání je před zimou i vedrem, nabízí rychlé a účinné vytápění a větrání a značnou část energie si pro tyto účely sám vyrobí.

Dům pochází ze 70. let minulého století, stojí v Hradci Králové, a když ho dnešní majitelé po předchůdcích získali, uvědomili si nutnost jeho opravy. Ta nakonec vyústila v podstatnou přestavbu, kdy celé 2. nadzemní podlaží původní stavby bylo odstraněno a postaveno nově.

Tento dům ve tvaru hranolu o čtvercovém půdorysu 10 × 10 m a výšce 8 m míří svými rohy k severu, východu, jihu a západu a za jasného dne na něho dopadne pozoruhodné množství sluneční energie:

• 875 kWh/den (zimní slunovrat) a
• 4 080 kWh/den (letní slunovrat).

V dnešní ceně elektřiny ≈ 2.40 Kč/kWh (6. srpen 2024) to v prvním případě a za jasného počasí dělá 2 100 Kč/den a druhém pak 9 792 Kč/den. Pro srovnání: tento dům se střední hodnotou součinitele prostupu tepla 0,25 W/(m²K) – nízkoenergetický standard – ztratí při celodenním mrazivém počasí s průměrnou venkovní teplotou vzduchu –15 °C dle výpočtu 88 kWh/den, což představuje 211,2 Kč/den.

V praxi, až na několik málo nejmrazivějších dní, stačí k pokrytí skutečné ztráty tepla tohoto domu topná spirála o příkonu 6 kW běžící 8 hodin denně (nízký tarif), tedy 48 kWh/den, resp. 115,2 Kč/den. Jen málokdo skutečně a správně vnímá, jak vydatným zdrojem energie je Slunce!

Téma: slunce

Slunce dává všechno

Nový majitel si ještě před pořízením této nemovitosti energii Slunce uvědomoval a byl připraven ji co nejvíc čerpat i pro provoz domu. Vždyť je zdarma. Uvědomoval si i protiklad, který spolu se Sluncem udržuje na Zemi rovnováhu v dynamicky pulsujícím režimu: Tím je ledový Vesmír o teplotě –270 °C, v absolutní teplotní stupnici 3 K. Tyto okrajové podmínky spoluvytvářejí prostor pro život na Zemi.

Spočítejte si energii ze Slunce

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

Stropní vytápění

Zanechme obecných úvah a pusťme se do nejzajímavějších řešení na tomto domě po rekonstrukci. Vůbec nejvíc dohadů vyvolává stropní vytápění, které tak sklízí „plody” teplovzdušné stavební fyziky „made in Czech Republic”. „ Teplo přece vždy stoupá vzhůru,” učí se od základní školy až po stavební fakulty.

Ve skutečnosti vzhůru stoupá jen teplý vzduch v gravitačním poli. Záření se to netýká, bez ohledu na to, jde-li o záření tepelné (z povrchu Slunce, pozemských ploch atp.) nebo umělé (telekomunikační vysílání). Buďme konkrétní:

Stropní vytápění v tomto domě tvoří stropní podhled z hliníkových plechů tl. 3 mm, zavěšený na sádrokartonářské nosné profilové konstrukci. "Otopný podhled" zabírá celou plochu stropu. Ze spodní, pohledové strany jsou Al-plochy opatřeny tenkovrstvou omítkou, shora jsou ke stropnímu plechu kontaktně připevněny hustě vinuté měděné trubice pro otopnou vodu. Hliník je zvolen pro svou vysokou tepelnou vodivost, nízkou hmotnost a příznivou cenu.

Příklad: V jedno únorové dopoledne roku 2020 byla venkovní teplota 6 °C. Teplotu vytápěného stropu ukázal kontaktní teploměr na úrovni 25,5 °C, teplota podlahy byla 23 °C. Teplota vzduchu, kterou ukazoval nástěnný teploměr, byla cca uprostřed (24 °C). Avšak co vlastně tento teploměr ukazoval?
Jen naivka by si myslel, že teplotu vzduchu. Strop, podlaha a stěny v místnosti totiž sálají podle své teploty do prostoru tepelné záření, jehož teplota je váženým průměrem sálavých teplot všech povrchů, které ohraničují místnost. A to byla s největší pravděpodobností teplota, kterou teploměr měřil a ke které se přiblížila i teplota vzduchu v místnosti.

Téma: sluneční architektura

Elementy výpočtů se sáláním

• Strop při již uvedené teplotě 25,5 °C sálal do prostoru pod ním tepelné záření o intenzitě 451 W/m². Toto číslo snadno spočítáme podle Stefanova - Boltzmannova zákona z roku 1879. Toto číslo se zdá děsivé, avšak buďme v klidu.
• Podlaha, ohřátá stropem na 23 °C, sálá teplo samozřejmě také, a to vzhůru a sice intenzitou 436 W/m² podle stejného zákona. Rozdíl je nějakých 15 W/m². To je vlastně okamžitá výkonová intenzita stropního vytápění. Tím jsme ještě neskončili:
• Už z časů Ludwiga Boltzmanna a jeho učitele Jožefa Stefana je známo, že fotony tepelného záření, o kterém je teď řeč, nepřeskakují jen mezi plochami jako míčky, ale že vyplňují prostor. Tato fotonová výplň prostoru závisí jen na teplotě a nelze ji za žádných okolností z prostoru vyhnat.
• Sdílení tepla stropem a podlahou pak zprostředkovává řečená fotonová výplň. Jinými slovy, strop si prostorem pod ním vyměňuje právě tolik energie (=tepla) jako prostor s podlahou. Směna se děje pomocí tepelných fotonů mezi podlahou a prostorem a mezi prostorem a vytápěným stropem. V našem případě to je při prostorové teplotě 24,26 °C.
• S jistým zjednodušením lze říct, že tepelné fotony vyplňují prostor bez ohledu na to, je-li vyplněn zdí, kovem, vzduchem nebo „vakuem”. Vzduch mezi stropem a podlahou nakonec ustálí i svou teplotu na 24,26 °C, ale jen tehdy, nebudou-li se měnit teploty podlahy či stropu, nebude-li se větrat ap.

Kanadský vizionář si postavil dům v zemi. Má celoročně stálou teplotu i optimální prosvětlení

Podzemní stavba na „větrné hůrce“, jejíž interiérová teplota se celoročně drží na úrovni 15 °C – to je dům kanadského vizionáře a amatérského stavitele Williama Lishmana.…

Okna

Investor vybral plastová okna s trojskly, která v 1. podlaží vybavil kvůli ochraně před slunečním impaktem venkovními žaluziemi. V přízemí domu, kde byly zachovány původní obvodové zdi i s nadokenními překlady, investor na ochranu žaluziemi rezignoval pro složitou proveditelnost.

Okno jako celoroční zdroj tepla

Popisovaná okna, až na prosincové výjimky, jsou na tomto domě celoročním dodavatelem tepla. Speciálně za prosinec vykazovala okna (v podmínkách referenčního roku pro Hradec Králové) ztrátu prostupem na úrovni 10,19 kWh/(m².prosinec).

Po započtení slunečních zisků se jihovýchodně orientovaná svislá okna stala mírně zisková (+0,18 kWh/m²), ve zbývajících případech se ztráta snížila na –4,03 kWh/m² (SV), –0,61 kWh/m² (JZ) a –3,62 kWh/m² (SZ). Z těchto čísel plyne, že po započítání přímých slunečních zisků klesla prosincová ztrátová bilance oken na pouhých 20 %.

Vliv oslunění na tepelnou bilanci oken

Uživatel si všiml ještě jedné důležité věci. Přímé sluneční záření, jakož i jeho rozptýlená složka, ohřívá nejen venkovní povrchy okna, ale zejména vnitřní povrch zasklívacího panelu. Přestože ještě nejsou dostupná data ze systematického měření vnitřních povrchových teplot oken, dílčí měření ukazují, že osluněné okno se z vnitřní strany rychle a významně zahřeje nad úroveň vnitřní prostorové teploty a následně ohřívá interiér, ať už sálavě nebo v kontaktu s vnitřním vzduchem. Efekt účinkuje, i když je Slunce pod mrakem a na okno působí jen difúzní sluneční záření.

Výše uvedené zjištění by investora dnes pravděpodobně vedlo k jinému rozhodnutí při volbě zasklení oken. Na JV a JZ straně domu by volil okna s izolačním dvojsklem a s co nejvyšším solárním faktorem. Vedle nižších pořizovacích nákladů a menší hmotnosti by to přineslo ještě o něco lepší zimní energetickou bilanci; venkovní stínicí předměty by zůstaly zachovány.

Závěr

Hlavním sdělením tohoto článku je, aby investor při stavbě nebo rekonstrukci svého domů pamatoval i na sluneční záření. To je nejen hlavním zdrojem energie pro naší planetu, ale i ukazatelem správné cesty ke skutečně kvalitním domům s nízkou energetickou náročností a vysokou celoroční pobytovou kvalitou.

Související články

• Desatero pasivního domu
• Nízkoenergetický dům postavíte z cihel bez nutnosti dodatečného zateplení