Ochrana domů nejen před horkem a funkce venkovních rolet
Ve dne letní teploty dosahují více než 35 °C, v noci neklesnou pod dvacet. Češi, čelící tropickým létům, se proto snaží ochlazovat svá obydlí. V tomto úsilí nelze vynechat venkovní stínicí předměty. Ty účinně chrání interiér před intenzivním letním slunečním zářením, a brání tak nechtěnému, ale častému letnímu přehřívání.
Stát definoval povinnost řešit zimní tepelnou ochranu budov, ale letní energetika šla stranou – a to i přesto, že chlazení domu během léta vyžaduje často více energie, než kolik je potřeba na jeho vytápění. Protože elektřiny je v létě dost, nabízí se nerudovská otázka: „Kam s ní?” Co ji tedy využít k pohonu klimatizací, byť chladí sotva s 30% účinností? I tomu se dá říkat „ekologie”.
Úvod do problematiky
I dobře zateplená střecha, zeď nebo špičková izolační okna fungují v létě jinak než v zimě. Dům se v létě obtížně zbavuje tepla: to vniká dovnitř se slunečním zářením buď přímo okny, nebo skrze střechu a fasádu domu, které se na slunci mohou rozpálit až na 80 °C! To je teplota asi o 50 °C vyšší, než jaká se dosazuje do oficiálního vzorce, podle něhož se počítají tepelné ztráty nebo zisky. Skutečný tepelný zisk se tak lehce vyšplhá i na násobek oficiálního výpočtu, kam se dosazují jen teploty vzduchu.
Slunce navíc ohřívá i plochy oken, i když o poznání méně: vnitřní skla osluněného okna se běžně ohřejí na více než 40 °C, a v létě jsou tak pro interiér dalším nechtěným sálavým zdrojem tepla.
Poznámka 1: Nejznámější tepelná izolace, pěnový polystyren (EPS), má při teplotě 70 °C součinitel tepelné vodivosti λ = 0,052 W/(mK), zatímco do výpočtů se dosazuje λ = 0,04 W/(mK). Skutečné hodnoty tohoto součinitele v závislosti na okrajových teplotách ukazuje Tabulka 1.
Poznámka 2: Venkovní povrchové teploty tmavých až černých střech a fasád lze vydatně snížit jejich světlým až bílým provedením.
Poznámka 3: Pokud jde o okna, na přímém slunci se ohřívá jak venkovní, tak vnitřní strana zasklení, běžně na 40 °C; vnitřní strana zasklení bývá chladnější. Vedle toho, že okna propouštějí asi 50 % energie dopadajícího slunečního záření rovnou dovnitř, je dům neplánovitě ohříván i interiérovou plochou okna. Problém nejlépe řeší venkovní stínicí předměty – rolety a žaluzie.
Tepelná izolace v zimě a v létě
Uvedli jsme, že běžné izolace izolují v létě hůře, což platí hlavně pro izolační vrstvy pod rozpálenou střechou. Na příkladu pěnového polystyrenu (EPS) to ukazuje Tabulka 1. Co se týče minerální vaty (MW), její izolační vlastnosti jsou ještě horší. Vata při teplotních a z nich plynoucích tlakových změnách „dýchá”, tzn. provětrává se, což sníží, oproti EPS, její izolační schopnost.
Sluneční výpočty
1. Intenzita a úhel dopadu slunečního záření, které dopadá na vodorovnou rovinu, střechu nebo fasádu
2. Celodenní sluneční energie dopadající na sklonitou plochu
Letní tepelná ochrana okna
(1) Kvalitní návrh domu chrání obyvatele před intenzivním slunečním zářením v létě, které může ohřát střechu a fasádu domu i na teplotu přesahující 70 °C.
(2) Co se týče oken, zhruba polovina energie slunečního záření, která dopadá na okno, projde rovnou dovnitř, kde se přímo změní v teplo.
(3) Asi 40 % dopadajícího slunečního záření pohltí rám okna se zasklením. Výsledkem je zvýšení povrchové teploty (jak na venkovní osluněné, tak na vnitřní straně okna) nad teplotu okolního vzduchu. Takové okno především sálavě, ale i prostupem a prouděním tepla ohřívá interiér.
Příklad – zima: Při vnitřní teplotě 20 °C a venkovní –10 °C je součinitel tepelné vodivosti λ izolace EPS na úrovni 0,033 W/(mK). Při tloušťce vrstvy 250 mm to znamená součinitel prostupu tepla U = 0,014 W/(m2K) a tepelnou ztrátu –4,3 W/m2.
Příklad – léto: Při vnitřní teplotě 27 °C a venkovní 35 °C je součinitel λ stejné izolace na úrovni 0,042 W/(mK), součinitel U = 0,016 W/(m2K) a tepelný zisk je +1,3 W/m2.
Příklad – rozpálená krytina: Při vnitřní teplotě 27 °C a venkovní povrchové teplotě krytiny 70 °C je součinitel λ na úrovni 0,047 W/(mK), U = 0,018 W/(m2K) a tepelný zisk +7,8 W/m2.
Pod rozpálenou letní střechou je interiér zásoben teplem podstatně více než tam, kde je střecha ve stínu. A představa, že proud vzduchu ve větrané mezeře odvede veškeré teplo od rozpálené krytiny kamsi ven, je špatná.
Mezera neobsahuje jen teplý vzduch, ale také sálavou složku tepla. Ta je mnohem silnějším nosičem energie než vzduch. Jestliže vzduch odvádí teplo z mezery ven tak, že je teplota krytiny 70 °C (což je příliš; správně by teplota krytiny měla odpovídat teplotě vzduchu), pak povrch pojistné hydroizolace má teplotu téměř stejnou.
Jinými slovy: Kdyby větraná mezera opravdu vyvětrala všechnu sluneční energii z mezery ven, musela by i krytina zůstat chladná.
Pasivní ochrana před horkem
Dům by měl stát uprostřed vegetace. Listy stromů brání letnímu slunci v jeho pronikání do interiéru a ohřívání fasády a střechy domu. Díky odparu navíc rostlinstvo udržuje podstatně nižší teplotu, než měříme na osluněné dlažbě, asfaltu nebo pískovišti. V zimě, kdy listoví opadá, sluneční paprsky pronikají okny do interiéru nebo ohřívají fasádu a střechu, což sníží ztráty tepla.
Barvy: Intervenci letního horka do rodinného domu nebo jiné budovy vydatně posílíme tmavým odstínem fasády a designově černou střechou. Pokud požadujeme i užitné hodnoty domu, volíme spíše světlé nebo bílé jižanské barvy fasád i střech.
Tvrzení, že je to nevkusné, je relativní. Vkus často vychází hlavně ze zvyků; z oblíbené „pruské” kombinace černá–bílá tedy doporučujeme (na základě poznatků ze stavební fyziky) odebrat černou a nahradit ji bílou nebo jinou světlou barvou.
V oblastech s tropickým podnebím bílá barva v architektuře očividně funguje. Světlé a zejména zářivě bílé venkovní povrchy střech a stěn vydatně odrážejí sluneční a tepelné záření, což je nejúčinnějším řešením proti přehřívání.
Vedle toho jsou vyvíjeny barvy, jež odrážejí celou tepelnou složku dopadajícího slunečního záření a až na jednu barvu i celou její viditelnou složku. Když například onou barvou, kterou povrch neodráží, je modrá, naše oko zaznamená žlutou. Nátěr tak odráží asi 80 % dopadající sluneční energie. Této problematice se intenzivně věnují v USA, u nás je zatím ticho po pěšině.
V kombinaci s vegetací v okolí domu, jež udržuje chlad, dokážeme dům v létě účinně ochlazovat.
Tropy v ČR: Média nás vytrvale straší nástupem tropických teplot. Něco na tom je. Tabulka 2 ukazuje, že denní osluněnost severního pólu je v létě až 9,48 kWh/(m2·den), zatímco na rovníku jen 7,02 kWh/(m2·den). Severní i jižní točna jsou ale specifické tím, že sluneční záření je tu odráženo sněhem a ještě více oblačností. Proteplování zemských pólů je tak podstatně slabší než na rovníku. Obě točny navíc vždy půl roku dlejí ve tmě a během toho dokonale promrznou.
Architektura: Komplikovanější, avšak i tvořivější než práce s barvami, je architektura. Tvar domu, orientace vůči světovým stranám, střešní přesahy, rozmístění oken, využití stínicích předmětů apod., to všechno má vliv na energetickou náročnost stavby i vnitřní pobytové klima. Častý vítěz architektonických soutěží, tmavá stavba obalená do černého plechu bez střešních přesahů s okny v rovině fasády, která osamoceně trčí na holém kopci, si říká o celoroční problémy.
Pasivní ochrana před chladem
Bílé a světlé povrchy neslouží jen v létě, kdy brání přehřívání, ale dobře poslouží i v zimě, kdy chrání dům před promrzáním. Díky své nízké emisivitě (sálavosti) totiž vyzařují jen část zářivého tepla ve srovnání s černými a tmavými povrchy o stejné povrchové teplotě.
Tato fyzika vedla k tomu, že také arktické či subarktické stavby (například na Aljašce nebo Špicberkách, kterých se týká obrazová dokumentace v tomto článku) se svojí barevností nápadně podobají tropům. Věcně jde o to, že světlé povrchy se podstatně méně zbavují tepla než ty tmavé.
Barvy v zimě: Bílá a světlé barvy venkovních povrchů budov skvěle slouží i v zimě. Mají totiž v porovnání s tmavými barvami nižší emisivitu (ε <<<< 1), takže v zimě tolik nesálají teplo z domu do okolí. Bílou barvu tak můžeme směle nazvat sálavou tepelnou izolací. Tento fakt někdy nechápou ani „odborníci”, kteří navrhují černé střechy i fasády. Příroda si s tím ale umí poradit a i černý povrch, který zchladne pod bod mrazu, obalí bílou jinovatkou...
Aktivní tepelná ochrana
Dostali jsme se k venkovní stínicí technice, zejména na střešních oknech, která jsou v létě vystavena nejvyššímu celodennímu působení přímého slunce. Následující tabulky ukazují, o jaké výkony jde:
Tabulka 3a ukazuje celodenní impakt slunečního záření v kWh/(m2·den), které v první letní den (21/6) a za jasného počasí dopadá na vodorovnou, svislou a sklonité plochy domu. To se týká nejen střechy a fasády, ale i okenních ploch. Tabulka 3b ukazuje stejné veličiny, avšak vztažené k prvému dni zimního slunovratu (21/12) za jasného počasí.
Za jasného počasí jde i v zimě o stovky kWh celodenní sluneční energie, která dopadá na dům; v létě může zářivý impakt přesáhnout i MWh (v ceně elektřiny ≈ 5 000 Kč/den)! Řeč je přitom o běžných rodinných domech. Co se s dopadající sluneční energií stane, není jen věcí tepelné izolace, ale – a často hlavně – i barev, stínění, architektury a rostlinstva.
Poznámka
Skutečnost, že jsme se v tomto článku zabývali hlavně jasnou oblohou, má důvod ten, že jsme popisovali především teplotní extrémy a cesty, jak jim čelit. A ty jsou vždy spojovány s jasnou letní, zimní a také denní a noční oblohou.
Téma: Letní přehřívání budov
Závěr
Energetickou náročnost a pobytovou pohodu či nepohodu domu neformulují jen teploty vzduchu a tloušťka tepelné izolace ve střeše, fasádě a podlaze.
(1) Velký vliv mají silné venkovní zářivé děje (sluneční záření, chladné záření oblohy), které pronikají okny dovnitř nebo ohřívají/ochlazují povrchy domů (střecha, fasáda, okna) výrazně jinak, než co ukazuje teplota vzduchu.
(2) Bílé a světlé barvy fasád, střech a stínicích sestav dokážou i velmi silné zářivé děje odstínit téměř až k nule; jen s nimi se definice domu blíží podmínkám úřední stavební fyziky, která zná jen teploty vzduchu.
(3) Bílé a světlé barvy obálkových ploch se dobře uplatní i v zimě, protože sálají do okolí jen zlomek tepla, než kdyby byly černé. Světlé barvy přímo chrání před prochladnutím.
Téma: Bílá a světlá architektura
Související články
