Stínicí technika a budoucnost bydlení
Dnešní výstavba míří až k nulové energetické spotřebě, ale téměř přehlíží sluneční energii. Ukážeme si, že sluneční energie, kterou dům absorbuje, řádově převyšuje jeho celoroční tepelné ztráty. V energetice budovy je proto vedle dobré architektury velmi důležitá stínicí technika. Ta chrání v létě dům před přehříváním a v zimě maximalizuje sluneční energetické zisky, abychom vytápěli minimálně nebo vůbec.
„Při stavbě domu by byla škoda nedotáhnout projekt do konce kvůli špatnému či nedomyšlenému výběru stínicí techniky a dalších ochranných prvků,” dočítáme se na internetu. Toto zdánlivě reklamní tvrzení si nyní doložíme tvrdými fakty.
Sluneční energetika domů
Pro energetickou spotřebu domu je klíčová tzv. obálka domu, a speciálně pak jeho střecha, fasáda a okna (včetně vchodových dveří). Čili plochy, které sousedí s atmosférou a míří do Vesmíru, jsouce za dne přímo osluňovány a) horkým přímým slunečním zářením o intenzitě až 1100 W/m2, nebo rozptýleným slunečním zářením pronikajícím zpoza oblačné oblohy. V noci je pak povrch domu sálavě exponován chladným Vesmírem o teplotě -270 °C, který atmosféra a zemské tepelné záření prohřeje na "přízemní" sálavou teplotu od cca -60 °C výše.
Dalším teplosměnným médiem je vzduch (atmosféra), který také ovlivňuje energetickou bilanci domu a se kterým (a pouze s ním) pracují oficiální stavební teplovzdušné výpočty.
Referenční klimatický rok. Jde o hodinová klimatická data pro zvolenou lokalitu podle požadavku normy ČSN EN ISO 15927-4. Stavebnictví z nich využívá hlavně údaje o hodinových teplotách vzduchu, z nichž odvozuje prostupy tepla okny, zdmi a střechou.
Důležitější jsou hodinová data o sluneční aktivitě, která zaujmou svou nápadnou mohutností. Energie přímého a difuzního (rozptýleného) slunečního záření, která celoročně zaplavuje naše domy, nápadně převyšuje to, co stavební tepelná technika nazývá ztrátami tepla prostupem.
Poznámka. Když si sluneční energii správně uvědomíme a začneme s ní pracovat, otevřou se nové možnosti na cestě k energeticky soběstačnému domu, navíc bez zbytečného letního přehřívání. Vyžaduje to ale víc zapojit do hry stínicí techniku a také architekturu, tzn. pracovat s povrchovými barvami, tvarem domu a orientací stěn a oken vůči světovým stranám.
Téma: sluneční architektura
Užitečné sluneční výpočty
1. Celodenní sluneční energie dopadající na sklonitou plochu
2. Intenzita a úhel dopadu slunečního záření, které dopadá na vodorovnou rovinu, střechu nebo fasádu
Pro účely tohoto příspěvku byl zvolen referenční klimatický rok 2016 v lokalitě Hradec Králové-Kluky se zeměpisnými souřadnicemi 50.178185N a 15.8401175E.
Zpracování klimatických dat. Na základě geometrie této úlohy jsme přepočítali intenzity přímého sluneční záření, které dopadá na vodorovnou plochu, na intenzity dopadající na svislou či šikmou plochu s různou orientací ke světovým stranám. Podobně jsme upravili i „směrové” intenzity rozptýleného záření, a to na základě toho, že difúzní záření, přestože je všesměrové, vykazuje nejvyšší intenzity právě ze strany, odkud svítí slunce.
Testované obvodové konstrukce. Předmětem našeho zájmu jsou okna, vodorovná střecha, obvodová stěna a jejich energetické chování. V případě oken jsme vybrali tři zástupce se součiniteli prostupu tepla na úrovni UW1 = 1,2 W/(m2K), UW2 = 0,9 W/(m2K), což představuje doporučení pro pasivní dům, a konečně energeticky luxusní okno s UW3 = 0,6 W/(m2K). Solární faktor všech oken je g = 0,5. To znamená, že polovina energie slunečního zážení, které dopadá na okno, jím projde do interiéru.
Stěnu a vodorovnou střechu jsme pro jednoduchost zvolili na jednotné úrovni U = 0,15 W/(m2K), tzn. na úrovni doporučení pro pasivní dům.
Celoroční energetická bilance
Tabulka níže popisuje roční a měsíční energetické bilance vybraných oken, stěn a vodorovné střechy, zakomponovaných do skutečných podmínek roku 2016 v Hradci Králové, které popisuje výše citovaný klimatický rok. Bilancí zde myslíme rozdíl mezi sluneční energii, kterou dům pohltí, a energií, kterou dům ztrácí prostupem tepla (počítaným z rozdílu teplot vzduchu venku a uvnitř), to vše za uvedený časový úsek.
Okna. Všechna zvolená okna, ať míří kamkoliv, včetně vodorovného střešního okna, mají díky expozici sluncem vysoce kladnou celoroční energetickou bilanci. Nejslabší okno UW1 = 1,2 W/(m2K) vykazuje pro severní orientaci nejnižší celoroční energetický zisk 229 kWh/(m2·rok) po odečtení celoroční ztráty tepla prostupem 114 kWh/(m2·rok). Největší zisk z této trojice dává okno UW3 = 0,6 W/(m2K) při azimutu 185° (5° na západ od jihu) s celoročním ziskem 576 kWh/(m2·rok) po odečtení 57 kWh/(m2·rok) ztráty tepla prostupem. Zdůrazněme, že celoroční sluneční energetické zisky mnohonásobně převyšují tepelné ztráty.
Tabulka: Průměrné roční a měsíční hodnoty přímého oslunění (INSO), globálního záření (GLO), dále měsíční tepelné ztráty prostupem zvoleným oknem a obálkovou konstrukcí (KCE) s různými orientacemi ke světovým stranám a z toho odvozené výsledné energetické měsíční a roční bilance pro okno, stěnu a vodorovnou střechu. Vnitřní teplota byla zvolena 20 °C, v létě 25 °C. Všechny číselné údaje jsou ve kWh/m2 . Autor využil dat z referenčního klimatického roku 2016 v lokalitě Hradec Králové-Kluky.
| Bilance kWh/m2 | INSO | GLO | tep. ztráty | BILANCE: Okno UW = 0,6 W/(m2K) | BILANCE Zeď/Střecha U = 0,15 W/(m2 K) | |||||||||
| Okno | KCE | S | V | J | Z | střecha | S | V | J | Z | střecha | |||
| leden | 5,7 | 12,2 | –10,2 | –2,6 | –5,6 | 0,7 | –1,5 | 2,2 | 7,4 | 4,0 | 13,0 | 9,9 | 15,2 | 22,6 |
| únor | 11,1 | 25,2 | –7,2 | –1,8 | –2,7 | 10,4 | 10,6 | 12,6 | 20,3 | 12,4 | 23,5 | 23,7 | 26,4 | 37,5 |
| březen | 25,6 | 59,5 | –7,1 | –1,8 | 16,9 | 25,8 | 34,6 | 28,2 | 41,3 | 32,4 | 45,1 | 57,8 | 48,6 | 67,4 |
| duben | 55,4 | 107,5 | –4,5 | –1,1 | 33,0 | 41,7 | 71,3 | 44,1 | 63,9 | 52,5 | 64,8 | 107,2 | 68,3 | 96,6 |
| květen | 84,3 | 154,1 | –2,5 | –0,6 | 53,2 | 58,7 | 103,4 | 62,0 | 81,8 | 78,9 | 86,8 | 150,7 | 91,5 | 119,8 |
| červen | 82,9 | 154,6 | –1,1 | –0,3 | 60,9 | 61,6 | 102,8 | 64,6 | 80,2 | 88,2 | 89,3 | 148,0 | 93,6 | 115,8 |
| červenec | 67,2 | 137,4 | –0,9 | –0,2 | 56,2 | 57,0 | 92,5 | 59,0 | 72,8 | 81,4 | 82,4 | 133,1 | 85,3 | 105,0 |
| srpen | 63,6 | 125,6 | –0,7 | –0,2 | 44,7 | 52,3 | 87,7 | 56,1 | 75,2 | 64,7 | 75,5 | 126,2 | 81,0 | 108,2 |
| září | 39,3 | 76,5 | –2,8 | –0,7 | 8,6 | 33,1 | 50,9 | 37,6 | 54,5 | 37,1 | 50,6 | 75,9 | 57,0 | 81,1 |
| říjen | 15,7 | 34,7 | –4,8 | –1,2 | 23,7 | 17,4 | 19,7 | 19,9 | 30,0 | 17,9 | 30,4 | 33,8 | 34,1 | 48,4 |
| listopad | 4,0 | 12,0 | –6,7 | –1,7 | –1,0 | 4,5 | 1,9 | 6,0 | 9,4 | 6,4 | 14,3 | 10,5 | 16,4 | 21,3 |
| prosinec | 2,2 | 5,0 | –8,9 | –2,2 | –6,9 | –3,8 | –5,3 | –3,1 | –1,0 | 0,6 | 5,1 | 2,9 | 6,1 | 9,0 |
| rok 2016 | 430 | 847 | –57 | –14 | 286 | 359 | 569 | 389 | 536 | 476 | 581 | 880 | 624 | 833 |
Téma: Energetika staveb
Měsíční energetická bilance
Okna. Do energetické bilance oken je započtena dopadající sluneční energie, která oknem projde do budovy (ta je dána slunečním faktorem, např. g = 0,5) nebo je oknem pohlcena. Odražené záření, které jsme zvolili na úrovni 30 % celkové dopadající energie, neuvažujeme. Absorbovaná sluneční energie v létě řádově přerůstá ztráty tepla prostupem i pro ty nejchladnější měsíce. Absorpce vždy a nutně zvýší venkovní povrchovou teplotu okna. Na to se sníží prostup tepla ven, nebo, hlavně v létě, se tok tepla otočí a okno začne vytápět.
Stěny a střecha. Energetická bilance stěn a střechy je stanovena obdobně; zde předpokládáme, že veškeré dopadající sluneční záření je jimi pohlceno, žádné se neodráží, ani neprochází dovnitř. Pohlcené záření se tím stává součástí energetiky budovy. Ohřeje exponovaný povrch a protepluje celou konstrukci; následně se sníží (jako u okna) tok tepla ven nebo se otočí jeho směr a stěna (střecha) vytápí.
Základy letní tepelné ochrany budov
Tabulka říká, že vysoká tepelněizolační schopnost obvodových stěn, střechy a oken nás sice chrání před zimou, ale nikoliv před letním horkem. Horko totiž nepřináší teplý vzduch, ale vydatný sluneční svit s energetickou intenzitou až 1 000 W/m2, k němuž se přidává difúzní záření. Nebýt akumulace, slunce by rozpálilo povrchy až na 91 °C! Intenzivní letní záření nevyřeší jakkoliv mohutná tepelná izolace, ale pouze stínicí technika.
Stínicí technika v létě účinně chladí
Sluneční záření o intenzitě až 1100 W/m2, které dopadá na dům. odcloníme na oknech venkovními stínicími předměty, ideálně s bílým nebo reflexním povrchem, které odrážejí sluneční záření a tudíž se jím neohřívají. Fasádu i střechu je ze stejného důvodu vhodné natřít odrazivým, jiskřivě bílým nátěrem. Dobře účinkují také široké střešní přesahy, jinde venkovní markýzy. Pak i v nejteplejších letních dnech venkovní povrchy domu chladí: např. jižní okno uvedené v tabulce zaznamená místo květnového tepelného zisku 103,4 kWh/m2 ztrátu 2,5 kWh/m2. Základem je stav myšlení, kdy všichni účastníci výstavby chápou stínicí techniku jako nezbytnou součást tepelné ochrany budov.
Architekti, projektanti, stavitelé i uživatelé by měli od výrobců rolet, žaluzií a další stínicí techniky požadovat řešení, kterým účinně předejdou letním horkům v interiéru.
Téma: stínicí technika
Stínicí technika v zimě
Stínicí technika dobře funguje i v zimě, kdy snižuje tepelné ztráty způsobené sáláním a přispívá tak k zimní tepelné ochraně. V noci, kdy je venkovní roleta, žaluzie ap. stažená, o třídu zlepšuje tepelněizolační schopnost okna. A ve dne, když je vytažená, nechá výše popsaným způsobem vytápět interiér přímým a difúzním slunečním zářením. Provoz stínicí techniky lze přitom plně automatizovat.
Venkovní stínění obsluhuje ještě jeden chladivý tepelný zdroj, který stavební tepelná technika ještě nezaznamenala, totiž sálání chladné noční oblohy. Jde o chladné záření, které v zimě vykazuje teplotu až do –60 °C, v létě cca –20 °C a které nejvíce ochlazuje zejména střechu a následně prostor pod ní. Vhodné stínění nechá v létě tento chladný zdroj pracovat, v zimě ho významně odstíní.
Závěr
Sluneční záření je v ČR vydatným energetickým zdrojem. Bez jeho pochopení, akceptování a bez účinného zapojení stínicí techniky nelze dobře vykládat tepelnou ochranu budov, natož ji provádět ke spokojenosti uživatelů.
