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, protože zná jen teploty vnitřního a venkovního vzduchu. Když zohledníme sluneční záření, přiblížíme se pravdě, která nám otevře i nové možnosti.
Slunce je vydatným zdrojem energie, který má zásadní vliv na celou naši planetu včetně energetiky budov. Jenže oficiální teplovzdušné stavební výpočty sluneční záření přehlížejí; výjimkou jsou snad jen zimní sluneční tepelné zisky okny, jejichž započtení snižuje přehnané zimní tepelné ztráty. V létě pak oficiální tepelná technika budov doslova selhává, když "nevidí" přehřívání budov, vyvolané slunečním zářením. Přibližme si to na modelu jednoduchého rodinného domu.
Testovací dům
Uvažujme jednoduchý patrový rodinný dům ve tvaru hranolu o základně 10 × 10 metrů a výšce sedm metrů s plochou střechou. Každá ze čtyř stěn domu má plochu 70 m2, střecha má plochu 100 m2, takže celková plocha domu, která sousedí s atmosférou, je 380 m2.
Sálavé zdroje tepla
Jde o to, že na budovu nepůsobí jen venkovní vzduch a jeho teplota, ale hlavně sluneční záření, které má teplotu 5 500 °C a v pozemských podmínkách energetickou intenzitu až 1 100 W/m2. Toto záření zahrnuje přímou složku a dále všesměrovou rozptýlenou složku o intenzitě asi 100 W/m2. Rozhodně nejde o zanedbatelnou energii.
Vyzkoušejte si vypočítat průměrnou celodenní hodnotu energie dopadajícího přímého slunečního záření na různě skloněnou a orientovanou plochu
Za slunného dne v době zimního slunovratu (tab. 1) dopadne na stěny a střechu uvedeného testovacího domu až 850 kWh energie slunečního záření. To při průměrné aktuální ceně elektřiny 4,83 Kč/kWh (zdroj: [1] ke dni 11. 11. 2021) představuje energii za 4 106 Kč/den.
V den letního slunovratu (tab. 2), je-li jasno, dopadne v našem podnebním pásmu na fasádní stěny a střechu téhož domu až 2 000 kWh/den sluneční zářivé energie; v ceně elektřiny to představuje položku za 9 670 Kč.
Tab. 3 pak shrnuje sluneční impakt za letního a zimního jasného dne a celkový prostup tepla pro popisovaný dům v provedení úsporný dům a nehospodárný dům ve smyslu normové terminologie.
Tab. 3: Celodenní impakt slunečního záření na obálku domu ve srovnání celodenním prostupem tepla touto obálkou (pro obě uvedené orientace) v den zimního a letního slunovratu.
Vidíme, že kdybychom uměli se sluncem lépe pracovat, dům bychom vytápěli jen výjimečně a to i přes to, že zdaleka ne každý den v roce nabízí jasnou oblohu.
Zimní a letní realita
Zatímco při plném využití energie slunečního záření by se dům v zimě téměř či zcela obešel bez vytápění, v létě se tentýž dům v lavině slunečního záření často přehřívá mnohem víc, než napovídá teplota venkovního vzduchu.
Přibližme si toto tvrzení na testovacím domě o průměrném součiniteli prostupu tepla obvodovými konstrukcemi na úrovni Uem = 0,5 W/(m2K) který zasadíme do klimatických podmínek z roku 2016 tak, jak je definuje referenční klimatický rok pro lokalitu Hradec Králové. Doplňme, že klimatický rok udává (v hodinových intervalech) měřené teploty vzduchu a spolu s nimi intenzitu přímého a difúzního, čili rozptýleného slunečního záření.
Testovací dům - zimní a letní energetická bilance
Co se týče ztrátového prostupu tepla z našeho modelového bungalovu ven, který by měla vyvážit otopná soustava, lze konstatovat:
1) V prosinci je "úřední" tepelná ztráta domu prostupem 3931 kWh/měsíc (za necelých 19 000 Kč/měsíc).
2) V červnu je "úřední" tepelná ztráta domu prostupem 530 kWh/měsíc (asi za 2 560 Kč/měsíc).
Tatáž budova je současně vystavena přímému i rozptýlenému slunečnímu záření. Za měsíc prosinec jde celkem o energii od 2 784 kWh/měsíc do 2 893 kWh/měsíc (v závislosti na orientaci domu ke světovým stranám).
V červnu na tentýž dům dopadá sluneční záření o velikosti od 36 780 až do 36 890 kWh/měsíc. Čísla zahrnují obě složky slunečního záření.
Vyjádřeno v korunách jde o energii až za 178 tisíc Kč v červnu a za 14 tisíc Kč v zimě, což bohatě stačí na to, abychom se slunečním zářením začali vážně pracovat.
Pro úplnost dodejme, že prosinec je jediný měsíc v tomto referenčním roce, kdy je oslunění budovy přímým i rozptýleným slunečním zářením nižší, než její tepelná ztráta prostupem. Ve zbylých jedenácti měsících dopadne na dům více sluneční energie (v podobě přímého a rozptýleného slunečního záření), než jak "předpovídá" oficiální výpočet tepelných ztrát.
Fakt, že norma nevidí sluneční záření (výjimkou jsou jen sluneční zisky okny), vede nejen k přehnané zimní potřebě tepla k vytápění, ale zároveň zakládá "normovou" potřebu letního vytápění, která je už na první pohled absurdní.
Sluneční architektura
Samozřejmě že ne všechno sluneční záření, které dopadne na dům (střechu a obvodové stěny) ať už v přímé, nebo rozptýlené podobě, bude vytápět interiér. Rozhodně se ale vyplatí s ním pracovat už jen pro jeho výjimečnou energetickou vydatnost. A bez ohledu na to, že je to složitější než „práce se vzduchem”. Teplovzdušný model tepelné techniky budov se totiž míjí s podstatou věci a nereálně přehání tepelné ztráty domů. Pro úplnost dodejme, že v noci jsou budovy navíc exponovány chladným tepelným zářením noční jasné oblohy o teplotě kolem -60 °C. Tento efekt v tomto příspěvku neuvažujeme.
Sluneční energetika z pohledu budov i klimatu byla a je na těchto stránkách a v časopise Stavebnictví a interiér dlouhodobě diskutována a další příspěvky budou následovat. Shrňme si tuto problematiku do několika hlavních bodů, které připomínají jižanskou architekturu:
- Práce s orientací domů
- Práce s barvami střech a fasád
- Práce se stínícími předměty na oknech i fasádách
- Práce s okolím domu (vegetace a opadavé listnaté stromy, které v létě stíní a v zimě zásobují dům slunečním zářením)
Téma: sluneční architektura
Téma: Stavební fyzika
Závěr
Chce-li architekt a projektant řešit skutečnou energetiku budov, musí nutně pracovat se Sluncem, které je nevydatnějším zdrojem energie je na Zemi. Přímé sluneční záření má energetickou intenzitu až 1 100 W/m2. To platí v tropech, v ČR, ale i za polárními kruhy v době léta. Teplota vzduchu je jen odvozeninou. Práce se slunečním zářením je přitom zajímavá a otevírá nové možnosti práce s energií a architektonickým řešením staveb včetně barevných řešení.
Zdroje:
[1] https://www.energie123.cz/elektrina/ceny-elektricke-energie/cena-1-kwh
