„Pri stavbe domu by bola škoda nedotiahnuť projekt do konca kvôli zlému či nedomyslenému výberu tieniacej techniky a ďalších ochranných prvkov,” dočítame sa na internete. Toto zdanlivo reklamné tvrdenie si teraz doložíme tvrdými faktami.
Slnečná energetika domov
Pre energetickú spotrebu domu je kľúčová tzv. obálka domu, a špeciálne jeho strecha, fasáda a okná (vrátane vchodových dverí). Čiže plochy, ktoré susedia s atmosférou a mieria do Vesmíru, sú počas dňa priamo oslňované a či už horúcim priamym slnečným žiarením s intenzitou až 1100 W/m², alebo rozptýleným slnečným žiarením prenikajúcim spoza oblačnej oblohy. V noci je potom povrch domu sálavo exponovaný chladným Vesmírom s teplotou -270 °C, ktorý atmosféru a zemské tepelné žiarenie prehreje na "prízemnú" sálavú teplotu od cca -60 °C vyššie.
Ďalším teplosmenným médiom je vzduch (atmosféra), ktorý tiež ovplyvňuje energetickú bilanciu domu a s ktorým (a iba s ním) pracujú oficiálne stavebné teplovzdušné výpočty.
Referenčný klimatický rok. Jedná sa o hodinové klimatické dáta pre zvolenú lokalitu podľa požiadavky normy STN EN ISO 15927-4. Stavebníctvo z nich využíva hlavne údaje o hodinových teplotách vzduchu, z ktorých odvádza prestupy tepla oknami, múrmi a strechou.
Dôležitejšie sú hodinové dáta o slnečnej aktivite, ktoré zaujmú svojou nápadnou mohutnosťou. Energia priameho a difúzneho (rozptýleného) slnečného žiarenia, ktorá celoročne zaplavuje naše domy, nápadne prevyšuje to, čo stavebná tepelná technika nazýva stratami tepla prestupom.
Poznámka. Keď si slnečnú energiu správne uvedomíme a začneme s ňou pracovať, otvoria sa nové možnosti na ceste k energeticky sebestačnému domu, navyše bez zbytočného letného prehrievania. Vyžaduje to ale viac zapojiť do hry tieniacu techniku a taktiež architektúru, tzn. pracovať s povrchovými farbami, tvarom domu a orientáciou stien a okien voči svetovým stranám.
Užitočné slnečné výpočty
1. Celodenná slnečná energia dopadajúca na sklonitú plochu
Na účely tohto príspevku bol zvolený referenčný klimatický rok 2016 v lokalite Hradec Králové (kde sídlila redakcia nášho časopisu Stavebnictví a interiér) so zemepisnými súradnicami 50.178185N a 15.8401175E.
Spracovanie klimatických dát. Na základe geometrie tejto úlohy sme prepočítali intenzity priameho slnečného žiarenia, ktoré dopadá na vodorovnú plochu, na intenzity dopadajúce na zvislú či šikmú plochu s rôznou orientáciou na svetové strany. Podobne sme upravili aj „smerové” intenzity rozptýleného žiarenia, a to na základe toho, že difúzne žiarenie, hoci je všesmerové, vykazuje najvyššiu intenzitu práve zo strany, odkiaľ svieti slnko.
Testované obvodové konštrukcie. Predmetom nášho záujmu sú okná, vodorovná strecha, obvodová stena a ich energetické správanie. V prípade okien sme vybrali troch zástupcov so súčiniteľom prestupu tepla na úrovni UW1 = 1,2 W/(m2K), Uw2 = 0,9 W/(m2K), čo predstavuje odporučenie pre pasívny dom, a konečne energeticky luxusné okno s Uw3 = 0,6 W/(m2K). Solárny faktor všetkých okien je g = 0,5. To znamená, že polovica energie slnečného žiarenia, ktoré dopadá na okno, ním prejde do interiéru. Stenu a vodorovnú strechu sme pre jednoduchosť zvolili na jednotnej úrovni U = 0,15 W/(m2K), tzn. na úrovni odporúčaní pre pasívny dom.
Celoročná energetická bilancia
Tabuľka nižšie popisuje ročnú a mesačnú energetickú bilanciu vybraných okien, stien a vodorovnej strechy, zakomponovaných do skutočných podmienok roku 2016 v meste Hradec Králové, ktoré popisuje vyššie citovaný klimatický rok. Bilanciou tu myslíme rozdiel medzi slnečnou energiou, ktorú dom pohltí a energiou, ktorú dom stráca prestupom tepla (počítaným z rozdielu teplôt vzduchu vonku a vo vnútri), to všetko za uvedený časový úsek.
Okná. Všetky okná, ktoré boli zvolené, nech už smerujú kamkoľvek, vrátane vodorovného strešného okna, majú vďaka expozícii slnkom vysoko kladnú celoročnú energetickú bilanciu. Najslabšie okno UW1 = 1,2 W/(m2K) vykazuje pre severnú orientáciu najnižší celoročný energetický zisk 229 kWh/(m2•rok) po odpočítaní celoročnej straty tepla prestupom 114 kWh/(m2•rok). Najväčší zisk z tejto trojice dáva okno UW3 = 0,6 W/(m2K) pri azimutu 185° (5° na západ od juhu) s celoročným ziskom 576 kWh/(m2•rok) po odpočítaní 57 kWh/(m2•rok) straty tepla prestupom. Zdôraznime, že celoročné slnečné energetické zisky mnohonásobne prevyšujú tepelné straty.
Tabuľka: Priemerné ročné a mesačné hodnoty priameho oslnenia (INSO), globálneho žiarenia (GLO), ďalej mesačné tepelné straty prestupom zvoleným oknom a obálkovou konštrukciou (KCE) s rôznymi orientáciami k svetovým stranám a z toho odvodené výsledné energetické mesačné a ročné bilancie pre okno, stenu a vodorovnú strechu. Vnútorná teplota bola zvolená 20 °C, v lete 25 °C. Všetky číselné údaje sú v kWh/m². Autor využil dát z referenčného klimatického roku 2016 v lokalite Hradec Králové-Kluky.
Mesačná energetická bilancia
Okná. Do energetickej bilancie okien je započítaná dopadajúca slnečná energia, ktorá oknom prejde do budovy (tá je daná slnečným faktorom, napr. g = 0,5) alebo je oknom pohltená. Odrazené žiarenie, ktoré sme zvolili na úrovni 30 % celkovej dopadajúcej energie, neuvažujeme. Absorbovaná slnečná energia v lete radovo prerastá straty tepla prestupom aj pre tie najchladnejšie mesiace. Absorpcia vždy a nutne zvýši vonkajšiu povrchovú teplotu okna. Na to sa zníži prestup tepla von, alebo, hlavne v lete, sa tok tepla otočí a okno začne vykurovať.
Steny a strecha. Energetická bilancia stien a strechy je stanovená obdobne; tu predpokladáme, že všetko dopadajúce slnečné žiarenie je nimi pohltené, žiadne sa neodráža, ani neprechádza dovnútra. Pohltené žiarenie sa tým stáva súčasťou energetiky budovy. Ohreje exponovaný povrch a tzv. otepľuje celú konštrukciu; následne sa zníži (ako pri okne) tok tepla von alebo sa otočí jeho smer a stena (strecha) vykuruje.
Základy letnej tepelnej ochrany budov
Tabuľka hovorí, že vysoká tepelnoizolačná schopnosť obvodových stien, strechy a okien nás síce chráni pred zimou, ale nie pred letnou horúčavou. Horko totiž neprináša teplý vzduch, ale výdatný slnečný svit s energetickou intenzitou až 1 000 W/m2, ku ktorému sa pridáva difúzne žiarenie. Nebyť akumulácie, slnko by rozpálilo povrchy až na 91 °C! Intenzívne letné žiarenie nevyrieši akokoľvek mohutná tepelná izolácia, ale len tieniaca technika.
Tieniaca technika v lete účinne chladí priestor
Slnečné žiarenie v intenzite až 1100 W/m2, ktoré dopadá na dom. odcloníme na oknách vonkajšími tieniacimi predmetmi, ideálne s bielym alebo reflexným povrchom, ktoré odrážajú slnečné žiarenia a teda sa ním neohrievajú. Fasádu aj strechu je z rovnakého dôvodu vhodné natrieť odrazivým, iskrivo bielym náterom. Dobre účinkujú tiež široké strešné presahy, inde vonkajšie markízy. Potom aj v najteplejších letných dňoch vonkajšie povrchy domu chladia: napr. južné okno uvedené v tabuľke zaznamená miesto májového tepelného zisku 103,4 kWh/m2 stratu 2,5 kWh/m2. Základom je stav myslenia, kedy všetci účastníci výstavby chápu tieniacu techniku ako nezvyčajnú súčasť tepelnej ochrany budov.
Architekti, projektanti, stavitelia aj užívatelia by mali od výrobcov roliet, žalúzií a ďalšej tieniacej techniky požadovať riešenie, ktorým účinne predídu letným horúčavám v interiéri.
Tieniaca technika v zime prispieva k tepelnej ochrane
Tieniaca technika dobre funguje aj v zime, kedy znižuje tepelné straty spôsobené sálaním a prispieva tak k zimnej tepelnej ochrane. V noci, kedy je vonkajšia roleta, žalúzie ap. stiahnutá, zlepšuje o triedu tepelnoizolačnú schopnosť okna. A cez deň, keď je vytiahnutá, nechá vyššie popísaným spôsobom vykurovať interiér priamym a difúznym slnečným žiarením. Prevádzku tieniacej techniky je možné pritom plne automatizovať.
Vonkajšie tienenie obsluhuje ešte jeden chladivý tepelný zdroj, ktorý stavebná tepelná technika ešte nezaznamenala, totiž sálanie chladnej nočnej oblohy. Ide o chladné žiarenie, ktoré v zime vykazuje teplotu až do -60 ° C, v lete cca -20 ° C a ktoré najviac ochladzuje najmä strechu a následne priestor pod ňou. Vhodné tienenie nechá v lete tento chladný zdroj pracovať, v zime ho významne odtieni.
Na záver
Slnečné žiarenie je či už na Slovensku, tak v Čechách výdatným energetickým zdrojom. Bez jeho pochopenia, akceptovania a bez účinného zapojenia tieniacej techniky nie je možné dobre vysvetľovať tepelnú ochranu budov a následne ju teda prevádzkovať k spokojnosti užívateľov.
