Zářivá architektura budov

Oficiální stavební tepelné výpočty stojí na vzduchu a jeho teplotách. Avšak hlavním nositelem energie je horké Slunce a studený vesmír, dva sálavé energetické zdroje působící zpoza skleníkové atmosféry. Když je zahrneme do energetických výpočtů, získáme pravdivější výsledky a otevře se nám nový, pestrý a úžasný svět zářivé architektury budov.

Titulek článku zní možná nesrozumitelně, ne-li dokonce domýšlivě. Avšak popisuje "jen" architekturu, která promyšleně pracuje ze zářením, konkrétně s tepelným zářením od zemských povrchů (včetně fasád a střech domů), dále se slunečním zářením a do třetice i s denním a nočním tepelným zářením oblohy, která působí chladivě díky Vesmíru o teplotě -273°C na jejím pozadí. Záření řídí tepelnou bilanci budov.

Tepelné záření, neboli sálání. Je všude, každá plocha ho sálá do svého okolí a zároveň přijímá sálání od ploch z okolí. Intenzita, se kterou plocha sálá, závisí na její okamžité povrchové teplotě podle známého Stefanova – Boltzmannova zákona:

kde σ = 5,67·10^–8 je Stefan-Boltzmannova konstanta a θ je povrchová teplota ve °C.

Záření není jen neviditelná a nehmotná energie, přeskakující ve formě jakýchsi paprsků mezi tělesy, jak učí hloupé učebnice. Tepelné záření hlavně vyplňuje prostor, podobně jako vzduch. Navíc je i pod povrchem a uvnitř těles, což se projevuje při sálaní z jejich povrchu. Když mají stěny, strop a podlaha povrchovou teplotu 25 °C, je místnost automaticky vyplněna tepelným zářením o teplotě 25 °C.

Problém kulatého razítka

Chasníka s razítkem tepelného auditora ale žádné záření nezajímá. Úřední předpis, založený na rovnicích (2) a (3) níže v článku jasně říká, že ztráty tepla řídí venkovní vzduch. Ten v zimě ochlazuje venkovní povrchy střechy, fasády a oken pod bod mrazu, což odebírá teplo z interiéru, kde by měla být teplota minimálně 20 °C.

Léto pak hodí za hlavu: Letní venkovní vzduch vystoupá jen výjimečně a krátce nad 30 °C, což každý hravě přežije...

Realita

Skutečnost je jiná. Venkovní povrchy mají teplotu okolního vzduchu jen výjimečně. Povrchové teploty na budovách totiž řídí hlavně horké Slunce a ledový vesmír, stíněný skleníkovou atmosférou o sálavé teplotě až −60 °C. Vzduch tyto zdroje tepla či chladu jen koriguje. Následující příklady se vztahují k našemu vydavatelskému domu:

Dne 3. ledna 2019 v 9 hodin ráno hlásil venkovní teploměr teplotu vzduchu –0,7 °C. Přitom byla povrchová teplota na fasádě domu –6,5 °C, povrchová teplota na venkovní straně okna –10,5 °C. Všechny povrchové teploty přitom měly být (ve smyslu "normové logiky") těsně pod 0 °C. Sálavá teplota oblačné oblohy přitom byla –21,5 °C.

Dne 13. srpna 2018 krátce po poledni hlásil venkovní teploměr teplotu 35 °C. Byl horký letní den. Na osluněné jihozápadní fasádě byly povrchové teploty od +50 °C (světlá fasáda) až +76,2 °C (tmavý sokl). Jen neosluněné plochy se v tento okamžik blížily k teplotě vzduchu.

Podobných měření je mnoho a všechny říkají, že venkovní povrchové teploty vzduch neřídí a tím ani energetiku budov.

Vegetace a vodní plochy – přírodní stabilizátor teploty

Hloupá stavební fyzika přehlíží nejen záření, ale i výparné či kondenzační teplo. Při tvorbě rosy a jinovatky se uvolňuje velké množství tepla, které před rozbřeskem brzdí pokles venkovní teploty. Naopak denní odpařování vody z vodních ploch nebo vegetace spolyká hodně tepla a brzdí tak růst venkovní teploty.

Bílé střechy a fasády domů na jedné straně odrážejí přímé i rozptýlené sluneční záření a dlouhovlnné tepelné záření a na straně druhé teplo nesálají. Představují tak dobrý způsob, jak stabilizovat vnitřní teplotu bílých domu během horkých letních dní a chladných nocí. (Ostrov Lanzarote, foto Helena Hejhálková)

Bílé střechy a architektura

V létě Slunce rozpálí fasádní nebo střešní plochu až k 85 °C. To je úplně jiná okrajová podmínka, než jakou dává teplota venkovního vzduchu, která se dosazuje do normy a která sotvakdy přesáhne 35 °C. Jinými slovy, při návrhové vnitřní teplotě 27 °C propouští sluncem rozpálená střecha do domu (85–27)/(35–27) = 7,25× více tepla, než říká norma!

Řešení nabízí jiskrně bílá střecha nebo fasáda, dobře známá z některých jižních krajin. Bílý nátěr odráží sluneční záření; odraz je spíše difúzní, nikoliv jako od zrcadla, ale do všech stran. Při emisivitě bílého nátěru ε = 0,1 klesne teplota střechy na 54 °C tj. o 31 °C! To je už znát!

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…

Zimní bílé střechy

Bílá povrchová úprava fasád a střech se uplatní i v zimě. Pod chladnou noční oblohou o sálavé teplotě –60 °C, často „posílené” o ledový vzduch, přichází ke slovu další vlastnost bílého povrchu, spřažená s vysokou odrazivostí tepelného záření. A sice že bílé povrchy nesálají teplo. Přesněji: bílý povrch o emisivitě ε = 0,1 sálá jen desetinu toho, co povrch tmavý.

Tento princip mistrně aplikuje příroda v zimě: silná, jiskřivě bílá sněhová pokrývka na střeše domů nabízí totiž vynikající tepelnou izolaci.

Dodatek: hlavní sálavé zdroje

Obloha a vesmír. Díky skleníkové atmosféře a oblačnosti nemáme nad hlavou ledový vesmír o teplotě –270 °C, ale příjemnou, sálavě polopropustnou přikrývku, která vytváří výškový teplotní gradient atmosféry ≈ 5 °C/km a oblohu, jejíž sálavá teplota, pozorovaná ze Země, dosahuje za jasných zimních nocí nejnižších hodnot do cca –60 °C. V létě přibližně –20 °C. Nejvyšší sálavou teplotu, blížící se teplotě vzduchu, má obloha za mlhy.

Letní přehřívání domů. Oficiálně neexistuje, ale ...

Také rok 2019, byť netrhal rekordy, zaznamenal případy, kdy teplota v rodinných a bytových domech vystoupala až příliš. Stále častější stížnosti na letní přehřívání domů nelze…

Slunce. Země by i přes skleníkovou atmosféru rychle chladla až k teplotě vesmíru (–270 °C), nebýt Slunce. To září při jasné obloze na zemský povrch (při kolmém dopadu např. na střechu) s intenzitou až 1100 W/m². Další příspěvek o intenzitě přibližně 100 W/m² má rozptýlené sluneční záření, které má všesměrový charakter a měříme ho pod jasnou i zamračenou denní oblohou.

Úřední předpis

Když je venku teplota vzduchu θ_E, a uvnitř θ_I, pak venkovní povrchová teplota θ_PE podle normy ČSN EN ISO 6946 je

a prostup tepla konstrukcí I je

kde U je součinitel prostupu tepla stěny, střechy ap. a číslo r_E = 0,04 m²K/W je tzv. smluvní odpor při přestupu tepla mezi venkovním vzduchem a přilehlým povrchem. Ten zajišťuje, že θ_PE → θ_E.

Závěr

Chceme-li skutečně řešit tepelnou ochranu budov a jejich energetickou spotřebu, musíme rozumět přírodě a pracovat s ní. K tomu přispívá tento článek. Nejdůležitějším teplosměnným médiem v přírodě je tepelné záření, nikoliv teplý či studený vzduch. Bílou, nízkoemisivní úpravou střech a fasád významně snížíme letní denní přehřívání, jakož i zimní noční prochlazování domů. Bohatá vegetace je pak zdrojem příjemné vlhkosti a stabilizuje teplotu v okolí domu prostřednictvím stínu a výparného/kondenzačního tepla vody.