Střecha, střešní okna a architektura z pohledu energie

Byt, ateliér či pracoviště v podkroví přitahují zájem stavebníků při nové výstavbě i modernizacích. Nabízejí jedinečný styl života, pocit volnosti, klidu, bezpečí, krásy a pohodlí. Aby se všechna očekávání naplnila, je při návrhu i výstavbě obývaného podkroví potřebná aktivní účast budoucího majitele. Výsledkem by měl být hodnotný prostor k bydlení v souladu s obecnými požadavky a zejména s nízkou spotřebou kupované energie.

Zmínka o kupované energii neznamená, že by stavba měla být energeticky podvyživená. Víme, že šetrnost při spotřebě energie dnes nařizuje zákon a vynucuje si ji také daňová politika nebo monopolní chování výrobců energie. Ale úspory, které jsou zaplaceny ztrátou užitné hodnoty stavby, nízkým komfortem ne-bo dokonce zdravotními riziky, nedávají smysl. Při dnešní úrovni lze levněji či zdarma čerpat energii ze slunce nebo rostlin a nahrazovat tak energii, za kterou se nám už nechce platit. Můžeme tak začít cíleně pracovat na své energetické nezávislosti.

Sluneční energie pro bydlení

Slunce je mohutným zdrojem zářivé energie. Za 53 minut jí dopadne na celou Zemi tolik, kolik lidstvo spotřebuje za celý rok, tj. ca 4,1·10²⁰ J. Z toho téměř 95 % lze – aspoň teoreticky podle Carnotova pravidla – efektivně využít pro pohon strojů [1] a pro ohřev prakticky 100 %. Než vstoupí sluneční záření do zemské atmosféry, je jeho intenzita, tzn. tok zářivé energie procházející plochou 1 m², kolmou na směr paprsků, 1 366 W/m². Tomuto číslu se říká sluneční, někdy solární konstanta. Novější pozorování pomocí družic ukázaly na malé změny hodnoty sluneční konstanty v závislosti na sluneční aktivitě, a to o 0,1 %, viz obr. 1. Tyto změny nemají vliv na mo-mentální počasí, ale ovlivňují dlouhodobé změny klimatu (zdroj Wikipedia).

Obr. 1: Výkyvy intenzity slunečného záření ve střední vzdálenosti Země od Slunce měřené mimo zemskou atmosféru. Žluté křivky ukazují družicové měření intenzity slunečního záření nad atmosférou (solární konstanty) ve W/m², zelená křivka je index slunečních protuberancí, modrá křivka vyjadřuje četnost pozorovaných slunečních skvrn, fialová křivka vyjadřuje změny intenzity radiofrekvenční složky slunečního záření s vlnovou délkou 10,7 cm. Zdroj: Wikipedia.

Po průchodu atmosférou v blízkosti zemského povrchu dopadá na jeden metr čtvereční plochy, která je kolmo orientovaná ke směru slunečních paprsků, přibližně 1000 W zářivé sluneční energie. Pokud je Slunce velmi nízko nad obzorem, např. ráno nebo večer, je tento tok menší v důsledku silnějšího pohlcování slunečních paprsků v atmosféře.

Na vodorovnou pozemskou plochu v našich podmínkách, tzn. na 50° severní šířky, nedopadají sluneční paprsky nikdy kolmo. V létě v pravé poledne je odchylka slunečních paprsků od kolmice 26,6°, v zimě v pravé poledne pak 73,3°, tzn., že je slunce asi 16° nad obzorem.

Z uvedeného se nabízí nová funkce střechy. Vhodným sklonem střešních ploch a jejich orientací vůči světovým stranám lze docílit vyšší nebo nižší expozice slunečním zářením, než u vodorovné popř. svislé (fasádní) plochy. Nebo, což je nejlepší, docílíme optimálního sklonu s ohledem na žádané a jindy nežádoucí tepelné zisky během roku.

Nepřímé využití sluneční energie

Část sluneční energie zpracuje příroda pomocí fotosyntézy, díky níž rostou rostliny. Příroda tak dokáže dosud nepřekonaným způsobem dlouhodobě akumulovat sluneční energii do podoby dřeva, sena atp.

Podle [5] je přibližný energetický výnos rychle rostoucích dřevin (RRD – příkladem je známý japonský topol) 156 GJ/(rok·ha), což je v jiných jednotkách 43 MWh/(rok·ha), v ceně přibližně 120 Kč/GJ, tedy 432 Kč/(MWh). Plocha jednoho hektaru vystačí na vytápění menšího rodinného domu se spotřebou tepla 30 MWh/rok. Cena za teplo při účinnosti kotle 80 % je pak 12 960 Kč. Instalací lepších oken a zateplením domu lze z jednoho hektaru vytápět dva takové domky.

Přímé využití sluneční energie

Sluneční energii lze sbírat a využívat přímo v místě, kde lidé žijí. Sluneční kolektory, které se používají pro sběr tepla, tedy pro ohřev vody anebo pro vytápění, dosahují běžně optické účinnosti nad 80 %. Jejich pokročilejší modely, vakuované trubicové kolektory, účinně využívají i energie rozptýleného slunečního záření a také jejich účinnost pro přímé sluneční záření je vyšší.

Účinnosti fotovoltaických (PV) článků, které přeměňují sluneční záření přímo v elektrickou energii, ukazuje tab. 1.

Sluneční kolektory a fotovoltaické panely se běžně instalují na nehybné plochy střech tak, aby posbíraly co nejvíce energie v době kdy ji potřebujeme a dokážeme využít.

Např. kolektory, které jsou dimenzovány pro vytápění a ohřev vody, by měly sbírat co nejvíce sluneční energie v zimě, na jaře a na podzim. V létě je využijeme jen k ohřevu vody, letní přebytky získaného tepla lze využít např. pro ohřev vody v bazénu.

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

Střešní okno

Z pohledu energie musí okno zastat mnoho, často protichůdných požadavků, které se navíc mění během dne a roku. Kromě výborné propustnosti okna pro denní světlo požadujeme od něho tyto vlastnosti:

• V zimě velmi nízkou propustnost tepla zevnitř ven a zároveň vysokou propustnost slunečního tepla dovnitř.
• V létě naopak velmi nízkou propustnost slunečního tepla dovnitř.

Abychom tento problém úspěšně řešili, je vhodné si přiblížit složení slunečního záření a také složení tepelného záření, které vyzařují tělesa v bytě při obvyklé teplotě. Graficky je to znázorněno na obr. 2. V jeho levé části je spektrální složení slunečního záření a v pravé spektrální složení záření černého tělesa při teplotách 24 a (-15) °C. Protože záření pozemských těles je slabé, je měřítko svislé osy 24 × zvětšeno. Slunce vydává polychromatické elektromagnetické záření, jež u zemského povrchu obsahuje (podle obecně přijatého členění) tyto složky:

• Nejvíce obsahuje viditelnou složku (VIS) o vlnových délkách v úzké oblasti od 0,28 do 0,78 mikrometrů, která ale nese téměř 50 % veškeré energie záření [2].
• Druhou významnou složkou, obsahující 45 % energie [2], je tzv. krátkovlnné a středovlnné infračervené záření (K-IČ), pokrývající oblast od 0,78 do 2,4 mikrometrů. Tuto složku, stejně jako viditelné světlo, dobře propouští sklo, což je v okenní technice důležité. Lidské tělo a většina předmětů toto záření absorbují a v důsledku toho se ohřívají.
• Zbytek slunečního záření s obsahem ca 5 % energie tvoří hlavně ultrafialové záření a dále dlouhovlnné infračervené záření (D-IČ) o délce vln od 2,4 mikrometrů do 0,3 milimetrů, kde začínají tzv. mikrovlny. V technice oken je důležité, že sklo nepropouští a téměř ani neodráží D-IČ záření (odrazivost je cca 10 %), ale pohlcuje jej a tím se zahřívá. Neméně důležité je, že D-IČ z fyzikálního principu vyzařují tělesa o běžných pokojových teplotách.

Obr. 2: Spektrální hustota toku slunečního záření ve W·m^-2·nm^-1, který dopadá v poledne na 1 m² vodorovné plochy na 50° severní šířky v době rovnodennosti, vyjádřený jako funkce vlnové délky záření (oranžový pás vlevo). Nepravidelný tvar křivky je způsoben pohlcováním slunečního záření vodní párou v atmosféře. Uprostřed pásu je žlutě podbarvena oblast slunečního záření, které lidské oko vnímá jako viditelné světlo – zdroj [3]. Na pravé straně grafu jsou křivky spektrální hustoty záření pro dvě tělesa o teplotě 20 °C a (-15) °C v měřítku, které je ve svislé ose 24× zvětšeno (montáž redakce).

Tepelná izolace střešních oken

Tepelná izolace okna brání tomu, aby přes zasklení unikalo D-IČ záření, a zajišťuje minimální prostup tepla oknem v důsledku vedení a proudění vzduchu.

Volný průchod tepelného, tedy D-IČ záření, je znemožněn tím, že skleněné tabule izolačního dvojskla nebo trojskla toto záření pohlcují. Protože se přitom ale ohřívají a následně teplo vyzařují (sálají) směrem ven, upravuje se povrch jedné skleněné tabule vysoce odrazivou vrstvou nebo se do mezery dvojskla vloží fólie s takovou vrstvou (tepelné zrcadlo). Odrazivá vrstva běžně odráží podle údajů výrobců stavebního skla 97 % D-IČ záření, které na ní dopadne. Pilkington a Saint Gobain, viz [4], uvádějí dokonce 99 %. Fyzikálním důsledkem vysoké odrazivosti je, že taková vrstva velmi málo sálá (emituje) tepelné záření (v posledně jmenovaném příkladu jen na úrovni 100 - 99 = 1 % ve srovnání s černým tělesem). Výsledné zasklení, říká se mu nízkoemisivní, téměř úplně eliminuje nejen volný průchod D-IČ záření, ale i přestupy tepla při sálání.

Další ztrátové mechanismy, tedy proudění vzduchu skrze spáry a prostup tepla vedením a prouděním meziskelní mezerou, se řeší zvýšenou těsností oken resp. inertní výplní (argon, krypton) meziskelní mezery. Budoucí technický vývoj v této věci směřuje k vakuované meziskelní mezeře.

Umístění okna ve střeše

Vzhledem k šikmé pozici dokáže střešní okno prostoupit ve srovnání se svislým oknem větší množství světelné, ale současně také tepelné energie. Toho můžeme využít v promyšleném návrhu domu a hospodaření s energií. Grafy na obr. 3 až 4, které znázorňují úhel dopadu slunečních paprsků na rovinu střech o sklonu 30°, 60° a 90° (což je svislá plocha) v závislosti na denním čase, orientaci střechy (východ a jih) a roční době (letní slunovrat, jarní rovnodennost, zimní slunovrat). Je známo, že v létě je oslunění střechy mnohem delší než v zimě, a že sluneční paprsky dopadají v létě na střechu většinou pod vyšším úhlem (90° je kolmý dopad). Ukazují to také zmíněné grafy. K tomu několik poznámek:

Chceme-li v zimě čerpat okny sluneční tepelné zisky, pak má smysl pouze jižní orientace střechy, v níž je okno umístěno. Východní orientace, jak plyne z obr. 3, má malou účinnost, totéž platí o západní orientaci. Do okna orientovaného na sever přímý sluneční svit nezamíří v zimě vůbec. V létě, kdy je slunečního záření mnoho a kdy se potřebujeme chránit před poledním slunečním sáláním, které vniká okny dovnitř, si zaslouží pozornost jižní orientace a vysoký, nejlépe svislý sklon okna. Sluneční paprsky na toto okno dopadají nejvýše pod úhlem 27° měřeným od roviny skel. To je mnohem méně, než u sklonů 60° a 30° nebo u vodorovného okna. Ale nejen to, je to dokonce ještě výrazněji méně než u všech diskutovaných sklonů oken orientovaných na východ nebo západ. Dobře to znázorňuje obr. 5.

Obr. 3: Denní průběhy úhlu dopadu slunečního záření na sklonitou plochu střešního okna orientovaného na jih a východ v době zimního slunovratu. Azurová křivka: sklon 90°, orientace na východ, fialová křivka: sklon 60°, orientace na východ, modrá křivka: sklon 30°, orientace na východ, žlutá křivka: sklon 90°, orientace na jih, červená křivky: sklon 60°, orientace na jih, oranžová křivka: sklon 30°, orientace na jih.

Obr. 4: Denní průběhy úhlu dopadu slunečního záření na sklonitou plochu střešního okna orientovaného na jih a východ v době jarní rovnodennosti. Azurová křivka: sklon 90°, orientace na východ, fialová křivka: sklon 60°, orientace na východ, modrá křivka: sklon 30°, orientace na východ, žlutá křivka: sklon 90°, orientace na jih, červená křivky: sklon 60°, orientace na jih, oranžová křivka: sklon 30°, orientace na jih.

Obr. 5: Denní průběhy úhlu dopadu slunečního záření na sklonitou plochu střešního okna orientovaného na jih a východ v době letního slunovratu. Azurová křivka: sklon 90°, orientace na východ, fialová křivka: sklon 60°, orientace na východ, modrá křivka: sklon 30°, orientace na východ, žlutá křivka: sklon 90°, orientace na jih, červená křivky: sklon 60°, orientace na jih, oranžová křivka: sklon 30°, orientace na jih.

Tepelný zisk střešního okna

Sluneční záření o intenzitě 1000 W/m², kolmo dopadající na okno, může zásobovat vnitřek okamžitým tepelným příkonem přes 450 W/m² prostřednictvím K-IČ složky slunečního záření (viz text výše), kterou neupravené nebo nízkoemisivní sklo dobře propouští. Během dne (24 hodin) je však kolmého dopadu dosaženo jen krátce nebo vůbec.

Proto pokud se ptáme, jaký bude sluneční tepelný zisk oknem za jasného dne a za celý den, musíme „peakovou” intenzitu 1000 W/m² vynásobit kosinem úhlu dopadu slunečních paprsků na okno v daném okamžiku a tuto hodnotu integrovat přes celý den, tj. od 0 do 24 hodin. V noci, kdy je slunce za obzorem, uvažujeme, že je tento kosinus roven nule. Výsledek integrace pak vynásobíme 0,45, což je podíl krátkovlnné infračervené složky ve slunečním záření, která se projevuje jako sálavé teplo. (Ve skutečnosti se také část světelné složky promění v teplo, což nebudeme započítávat). Takto spočítané hodnoty slunečních tepelných zisků v kWh/(m²·den), které jsou vztaženy na 1 m² průhledné okenní plochy a jasný sluneční den s předpokládanou sluneční intenzitou 1000 W/m², jsou uvedeny v tab. 2.

Z tabulky 2 lze odvodit, že tepelné zisky v zimě, na jaře a na podzim jsou při správném sklonu a orientaci ke světovým stranám významné. Pro představu: střešní okna se sklonem 60 ° o celkové průhledné ploše 20 m², orientovaná na jih, získají za 20 slunečních zimních dnů přes 1,2 MWh tepla. To představuje při současných cenách plynu 1100 Kč/MWh úsporu 1320 Kč a při současných cenách elektřiny v nízkém tarifu 1600 Kč/MWh úsporu 1920 Kč. Tepelné zisky, které jsou v zimě vítány, jsou v létě naopak často nežádoucí. Výrobci stavebních skel proto vyvinuli izolační zasklení, které vedle nízkoemisivní vrstvy obsahuje někdy další vrstvu, která nepropouští K-IČ (zasklení označované jako sol-stop). Jeho aplikací se ale odřízne cesta ke zmíněným tepelným ziskům v zimě. Je předmětem diskusí, nakolik a kdy je řešení se skly sol-stop vhodné. Ovšem např. koncept pasivních domů se zimními tepelnými zisky okny důsledně počítá. Společnost VELUX, jež nabízí řešení, které v následující části tohoto článku popíšeme a která se trvale zabývá vývojem střešních oken a zasklení, doporučuje letní slunce zastínit předokenní roletou nebo venkovní markýzou.

Světlo a teplo podle potřeby

Společnost VELUX neustále pracuje na inovaci energeticky úsporných zasklení střešních oken. Řešení spočívá v nanesení velmi tenké vrstvy z kovů anebo oxidů kovů na jednu plochu skla, která je průhledná pro světlo a K-IČ složku slunečního záření. Dlouhovlnné IČ záření ale téměř úplně (až 99 %) odráží zpět ke zdroji. Platí to oboustranně, tedy i pro sálání, které uvolňuje sklo ve směru k odrazivé vrstvě.

V současné nabídce firmy VELUX je mj. střešní okno s označením GGL 3064 osazené trojsklem a s hodnotou U_g = 0,7 W/(m².K), které je vhodné pro energeticky úsporné stavby. Dále nový typ zasklení s označením --60, který sdružuje souběžně několik výhod. Vedle zvýšené tepelněizolační schopnosti s U_g = 1,0 W/(m².K) nové zasklení lépe chrání před venkovním hlukem, více odráží dlouhovlnné tepelné záření, což brání ztrátám tepla v zimě i nežádoucím tepelným ziskům v létě. Zasklení má také vyšší mechanickou odolnost a samočisticí efekt. Společnost VELUX také inovovala i stávající typy zasklení na hodnotu U_g = 1,1 W/(m²K).

Střešní okna VELUX jsou navržena pro použití ve střešním sklonu od 15 do 90 stupňů. Pomocí různých typů lemování lze okna osadit do libovolné střešní krytiny. Okna se vyrábějí v mnoha velikostech. Z různých typů a provedení oken lze pro každou střechu vybrat nejvhodnější variantu. Okna lze vybavit některým z široké škály doplňků a vytvořit tak řešení na míru. VELUX má velmi dobře řešen také systém venkovního zastínění, předokenních rolet a protislunečních markýz, které mohou být ovládány automaticky podle světelných a teplotních podmínek.

Při výběru velikosti a umístění okna je důležité vzít v úvahu sklon střechy a ujistit se, že délka střešního okna je optimální pro dobrý výhled z místnosti i snadný přístup k ovládání okna. Celkový počet oken a jejich velikost vychází z požadavku na zajištění dostatečného osvětlení místnosti. Obecně ale platí, že plocha střešních oken (orientovaných k obloze) je pro požadované osvětlení dané plochy menší, než kdyby se osvětlení realizovalo svislými okny.

V tomto časopise jsme se v poslední době oknům VELUX podrobně věnovali např, v článcích [6], [7]. Další zajímavé informace týkající se osvětlení jsou v [8].

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek, J.: Betonová krytina Tegalit, sluneční kolektory a další novinky Bramac 2006, Stavebnictví a interiér č. 2/2006, str. 12
[2] Encyclopaedia Britannica Online
[3] Oficiální internetové strany NASA
[4] Obst Miroslav: Izolační dvojsklo SGG CLIMAPLUS^® ONE – zasklení nové generace, Stavebnictví a interiér č. 11/2007, str. 14
[5] Havlíčková, K.: Biomasa – obnovitelný zdroj energie, Ročenka 2005, Výzkumný ústav Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví
[6] Hejhálek, J.: Nové zasklení a další novinky VELUX pro rok 2007, Stavebnictví a interiér č. 6/2007, str. 58
[7] Hejhálek, J.: Střešní okno VELUX GGL 3064 pro domy s extrémně nízkou spotřebou energie, Stavebnictví a interiér 3/2006, str. 34
[8] Mohelníková, J.: Střešní okno z pohledu požadavků na denní osvětlení budov, Stavebnictví a interiér č. 12/2006, str. 18,