Okna jako aktivní součást celoroční energetiky domů

Největší slabostí současné teplovzdušné energetiky budov je trvalé přehlížení sálavých teplosměnných dějů, zejména účinků slunečního záření. To – hlavně přímé, ale i rozptýlené – ohřívá střechy a fasády domů a okny prostupuje do interiéru. Tento děj podstatně mění oficiální energetiku domu, založenou na teplotách vzduchu.

Tepelnětechnickou funkci oken, která se na energetice významně podílejí, lze shrnout do následujících tří bodů:

1. Otevřená okna bez stínění vpouštějí přímo do interiéru sluneční záření o teplotě 5 500 ^°C a energetické intenzitě až 1 100 W/m². To vede ke zvýšení teploty interiéru v důsledku absorpce sluneční energie. Intenzivní výměna vzduchu s tím spojená pak působí buď chladivě (v zimě a přechodném období), nebo naopak hřejivě (v horkém létě).

2. Zavřená a nestíněná okna propouštějí do interiéru necelou polovinu na ně dopadajícího slunečního záření (až 500 W/m²). Zbytek buď odrazí zpět do venkovního prostoru, nebo ho absorbují; absorpce pak vede ke zvýšení teploty oken (zejména okenních skel), což zakládá sálavý přestup tepla do interiéru, často velmi významný.

Rodinný dům, který čerpá energii ze slunce

Bydlet v domě, jehož vytápění, chlazení a větrání se obejde bez energetické přípojky, láká snad každého. Avšak návrh a provedení takového řešení dnešní praxe neumí uchopit,…

3. Diskutujme i okno s venkovním stíněním. To sice dovnitř přímo nepropustí žádné světlo (lidským okem viditelné tepelné záření slunce), avšak sluneční záření, které dopadá na venkovní stínění, ho ohřeje. Ohřátý stínicí předmět pak polovinu pohlcené sluneční energie vyzáří v podobě neviditelného tepelného záření zpět ke slunci a zbytek do interiéru. „Rekordmanem” je v tomto procesu hlavně designová černá venkovní roleta, která se na přímém slunci ohřeje i nad 70 °C, aby pak sálavě vytápěla vnitřek budovy až do nepohodlí...

Důležité upozornění

Všechny číselné hodnoty v níže uvedených tabulkách čerpají z hodinových údajů teplot vzduchu a intenzity přímého a rozptýleného slunečního záření tak, jak je uvádí Referenční klimatický rok pro Hradec Králové. Pro účely tohoto článku byly hodinové údaje za měsíc prosinec a červen převedeny do celoměsíčních průměrů. Průměrná celoměsíční teplota venkovního vzduchu a intenzita slunečního záření sice nezaznamenává hodinové či denní teplotní a zářivé extrémy, ale dobře popisuje celoměsíční potřeby tepla na vytápění či chlazení v rámci celého roku. Ty jsou většinou směrodatné při plánování výkonu otopné či chladicí soustavy domu.

Dobrá rada

Pracujete-li s venkovními stínicími předměty na oknech, pozornost věnujte jejich barevnému zpracování. Bílé a stříbrolesklé povrchy stínicích předmětů působí chladivě, odrážejí sluneční záření zpět ke slunci a zůstávají chladné. Tmavé naopak sluneční záření pohlcují, čímž se zahřívají a sálavým teplem vytápějí interiér...

Téma: sluneční architektura

Skutečná tepelněizolační funkce oken

Okna jsou obecně považována za zdroj tepelných ztrát domu hlavně v přechodných a chladných obdobích. Stavební fyzika to připisuje jejich vysokému součiniteli prostupu tepla U, který je pro dvojsklo na úrovni asi 1,1 W/(m²K). Okno opravdu funguje hůře v noci, která připomíná měřicí podmínky v temné zkušebně, avšak pro osluněná okna to neplatí.

Reálné okno se blíží umělým testovacím podmínkám ve zkušebně jen v noci. Ve dne jsou osluněná okna pro dům naopak velkým zdrojem tepla, což v létě platí i za oblačných dní. Zaprvé proto, že okny prostupuje přímo do interiéru sluneční (přímé i rozptýlené) záření a zadruhé z proto, že okna se za dne tímto zářením významně ohřejí (z obou stran) až vysoko nad teplotu interiéru.

Osluněná a zároveň ohřátá okna pak interiér vytápějí. To platí hlavně v létě, zatímco v zimě osluněná okna přinejmenším významně sníží svoji zápornou energetickou bilanci (ve smyslu oficiálního výpočtu).

Den

Prostředkem proti slunečnímu přehřívání interiéru je venkovní roleta či žaluzie, avšak nikoli v „designovém” černém provedení. Normou by měla být zářivě bílá barva venkovních stínicích prvků, která nejlépe odráží horké sluneční záření v přímé i rozptýlené podobě.

Noc

V noci, která připomíná laboratorní měřicí podmínky, se tepelné vlastnosti oken blíží úředně očekávaným ztrátám tepla prostupem. Čtenář už ale tuší, že bílý den tyto podmínky mění nebo obrací naruby.

Zima

Co se týče ročních období, sluneční energetické zisky nestíněným oknem převyšují za slunného bílého dne v zimě jeho souběžné tepelné ztráty prostupem. Uzavřené a nestíněné okno vykazuje tepelnou ztrátu jen v noci nebo při zatažené obloze.

Léto

Zvláštní pozornost si zaslouží i horké léto. Ostré denní sluneční záření vstupuje okny přímo do vnitřku budovy a zároveň s tím ohřívá střechu, fasádu a všechny povrchy oken, speciálně skel v oknech s dvojsklem i trojsklem, jakož i povrchy okenních rámů.

Technik navrhující funkční zimní i letní tepelnou ochranu domu by měl s uvedenými fakty správně pracovat. Speciálně u oken se nelze spokojit jen s teplovzdušnou stavební fyzikou. Bez systematické práce nejen s teplotami vzduchu, ale zejména se slunečním zářením v přímé i rozptýlené podobě a dále se skutečnými teplotami venkovních, ale i vnitřních povrchů domu nelze správně navrhnout energetiku okna ani celé stavby. Investor by měl vždy vyhledat technika, který rozumí nejen teplovzdušné fyzice, ale i fyzice zimního i letního tepelného záření.

Vztažný dům

Zaměřme se na vliv slunečního záření na energetiku domu. Uvažujeme jednoduchý dům typu bungalov čtvercového půdorysu se čtyřmi stěnami o výšce čtyři metry a vodorovnou čtvercovou střechou 10 ×10 metrů, která bez přesahu zastřešuje obvodové stěny. Střecha a podlaha domu (na dotyku se zeminou) má tak plochu 100 m², zatímco čtyři obvodové stěny dohromady zaujímají plochu 160 m². Zvolme následující hodnoty součinitelů prostupu tepla skrze obálkové konstrukce:

stěna vnější 0,20 W/(m²K)

střecha 0,16 W/(m²K)

okno/dveře vnější 1,10 W/(m²K)

podlaha 0,60 W/(m²K)

Prostup tepla vedením skrze obálkové konstrukce tohoto vztažného domu je shrnut v tab. 1 a tab. 2. První tabulka se týká celého domu včetně oken, přičemž – tak jako v celém tomto textu – neuvažujeme (pro zjednodušení) ztráty tepla do podloží domu. Druhá pak popisuje jen prostup tepla okny.

V tab. 1 vidíme, že celoměsíční prosincový dopad slunečního záření na celou nadzemní plochu domu (při započítání i všech oken a dveří) je v běžných případech energeticky významně větší, než je celoměsíční ztráta tepla domu prostupem. To je doslova zásadní informace.

Z toho vyplývá, že kdybychom sluneční záření, které na dům dopadá, dobře uchopili, obešli bychom se bez vytápění. Tvrzení platí i pro zeměpisnou šířku České republiky během nejméně slunného měsíce (prosinec) a fasádní okna a dveře v kvalitě U = 1,1 W/(m²K).

Tab. 2 zároveň říká, že okny o uvedené kvalitě uniká prostupem v prosinci více tepla, než je energie slunečního záření, která zavřenými a nestíněnými okny vniká do interiéru. Celkovou kladnou prosincovou bilanci fasády i s okny to ale nezmění. K tomu dodejme, že výběrem fasádních oken s trojsklem, doplněných o venkovní stínicí předměty (aktivované jen v noci), ještě významně zvýšíme účinky zimního „pasivního” slunečního vytápění okny.

Struktura celoměsíčního oslunění venkovních ploch domu

Pozornosti čtenáře by neměla uniknout ani struktura oslunění domu ve smyslu celkového oslunění přímou a rozptýlenou složkou slunečního záření na straně jedné a osluněním jen přímým slunečním zářením na straně druhé.

Základy rodinného domu, který si sám vyrábí energii

Ve volném pokračování článku Hrubá stavba a solární energetika pro rodinný dům z dubna 2022 se zaměřme na dům s „téměř nulovou spotřebou energie“, respektive na koncept domu,…

Závěr

V článku říkáme, že na dům a jeho energetiku působí nejen teplota venkovního vzduchu, ale významně také denní sluneční záření v přímé a rozptýlené podobě.

Zářivá sluneční energie je v létě dominantní a při špatném návrhu včetně jeho barev způsobuje až intenzivní přehřívání interiéru. Nejúčinnější obranou proti tomu (a zároveň i nejsnazší) jsou bílé povrchy fasády a střechy.

V zimě pak energie dopadajícího slunečního zmírní nebo dokonce až zvrátí tepelné ztráty prostupem. Chce-li naše stavitelství a zejména pak architektura opravdově řešit vnitřní prostředí budov, měla by začít od barev.

Téma: sluneční architektura

Zdroje:

[1] https://stavba.tzb-info.cz/okna-dvere/8098-vliv-oken-a-jejich-stineni-na-tepelnou-bilanci-domu-s-odlisnymi-parametry