Mnohým ľuďom sa zdá, že o oknách v dnešnej „vyspelej” dobe už vieme všetko. Okná majú približne o jednu radu väčší súčiniteľ prechodu tepla, teda nimi uniká oveľa viac tepla, než obvodovými múrmi: Napríklad okno so súčiniteľom Uw = 1,1 W/(m2K), ktoré odporúča norma, izolujú teplo až 10× horšie, než kvalitná obvodová stena s U = 0,11 W/(m2K). Omyl tohto myslenia je v tom, že okná, strechy a fasádne múry nepracujú len so vzduchom a jeho teplotami, ale hlavne so silnými žiarivými dejmi, ktoré sú výdatným zdrojom tepla. Jedná sa o: priame a rozptýlené slnečné žiarenie, chladné sálavé pôsobenie hlavne jasnej oblohy Pozastavme sa pri pojme „chladné sálanie” či „chladné žiarenie” oblohy, ktoré je pre pochopenie tepelnej bilancie okna zásadné.
Chladné či chladivé sálanie
Pocit chladu, alebo tepla vzniká na základe energetickej bilancie: Ak má naše oblečenie povrchovú teplotu 20 °C, vyžaruje (podľa Stefanovho - Boltzmannovho zákona I = σT4) do okolia tepelné žiarenie v intenzite necelých 420 W/m2 (z každého m2 povrchu oblečenia). Ak stojíme uprostred miestnosti, ktorej steny majú tepotu 0 °C, sálajú k nám steny žiarenie v intenzite 315 W/m2 a my vlastne prichádzame o 420 W/m2 – 315 W/m2 = 105 W/m2. Túto stratu vnímame ako chlad, ktorý vyvolal chladné sálanie, v tomto prípade od stien. Rovnicou je to možné vyjadriť takto:
I = σ((273,15+20)4 – (273,15+0)4) = = 105; W/m2
kde I je výsledná intenzita zdieľania tepla medzi osobou a stenami miestnosti a σ = 5,67•10–8 W/(m2K4) je Stefanova - Boltzmannova konštanta.
Slnečné žiarenie
Povrch Slnka má teplotu 5 778 K (zdroj: Wikipedia), tj. 5 505 °C a opúšťa ho sálanie v rovnakej teplote, avšak s intenzitou 63,2 MW/m2. Vo vzdialenosti Zeme je jeho intenzita už len 1300 W/m2 a tá sa priechodom bezoblačnou atmosférou zníži na cca 1000 W/m2. Na porovnanie: energiu 1000 W/m2 vyžaruje tiež teleso rozpálené na 91,3 °C. V nasledujúcich príkladoch si ukážeme, ako počíta tepelnú stratu strešného okna norma a ako ju rieši príroda.
Parametre okna
Na účely tohto príspevku budeme počítať s oknom s týmito vlastnosťami:
• UW = 1,1 W/(m2K),
• odraz slnečného žiarenia: 20 %,
• g = 0,5 (prepúšťaný podiel energie dopadajúceho slnečného žiarenia);
• zvyšok - 30 %, okno pohltí,
• 100% pohltivosť chladného sálania oblohy.
Zamračený letný deň
Zvoľme šikmú strechu typu A sklonu 60 °, ktorej plochy mieria na juh a na sever. V nedeľu 17. júla 2016 bol (podľa Referenčného klimatického roku 2016 v Hradci Královom - ČR) letný zamračený deň s vonkajšími teplotami od 12,9 °C do 16,3 °C. Podľa normy a na základe hodinových teplôt vonkajšieho vzduchu, navrhovanej vnútornej teploty 20 °C a pre súčiniteľ prechodu tepla U = 1,1 W/(m2K) spočítame celodennú tepelnú stratu okna –158 W/(m2deň). Príroda nám popri teplote vzduchu ponúka aj energiu chladného tepelného žiarenia oblohy a ďalej priameho a difúzneho slnečného žiarenia. Keď do vezmeme do úvahy, je výsledkom nie strata, ale tepelný +411 W/(m2deň). Týkalo sa to severného aj južného strešného okna, pretože v tento deň slnko zostalo za mrakmi a účinkovalo len difúzne žiarenie rovnaké pre obidve strechy. Vonkajšie povrchové teploty okna sa pritom v obidvoch prípadoch pohybovali od 11,6 do 16,3 °C a boli teda významne nižšie, než teploty vzduchu. To zhoršilo stratu tepla prechodom a súčiniteľ Uw, do ktorého sa dosádzajú len teploty vzduchu, na 1,37 W/(m2K).
Najteplejší deň
V roku 2016 to bol 20. jún. Bolo jasno, teploty vzduchu boli od 18,9 °C do 34,5 °C. Sálavá teplota oblohy bola –20 °C. Vzhľadom k „letnej” vnútornej teplote 25 °C zaznamenal 1 m2 okennej plochy celodenný energetický zisk 70 Wh/m2, počítaný podľa normy. Skutočný prechod tepla, odvodený z vonkajších povrchových teplôt okna, však zaznamenal celodennú stratu –59 Wh/m2 u južného a –90,7 Wh/m2 u severného okna. Na vonkajšiu plochu okna totiž nepôsobí len teplý vzduch, ale aj horúce slnko a chladivá obloha. Vonkajší povrch južného okna menil počas dňa teplotu medzi 13,4 až 33,4 °C a severného okna medzi 13,4 °C a 27,4 °C. Odtiaľto uvedené celodenné straty. Ak k tomu pripočítame tiež energiu priameho a rozptýleného slnečného žiarenia, ktoré vstupuje do interiéru južným oknom, je celodenná bilancia tohto okna +3 144 Wh/m2. Taký istý postup pre severné okno dáva kladnú celodennú bilanciu +1 608 Wh/m2. Súčiniteľ Uw, do ktorého dosádzame teploty vzduchu, nadobúdal absurdných hodnôt od –4,4 Wh/m2 do 7,6 Wh/m2 s priemerom 1,35 Wh/m2.
Najchladnejší deň
Najchladnejší deň pripadol na Štedrý deň. Bolo slnečno a vonkajšie teploty sa pohybovali od –13,5 °C do –4,7 °C. Podľa normy v hodinostupňovej reprezentácií zaznamenali obidve strešné okná celodennú stratu –778 W/m2, vzťahujúce sa k vnútornej teplote 20 °C. Skutočný prechod tepla, odvodený z vonkajších povrchových teplôt, zaznamenal celodennú stratu –805 Wh/m2 u južného okna a –849 Wh/m2 u severného okna. Ak k tomu pripočítame priame slnečné zisky, celková energetická bilancia južného okna bola +1 548 Wh/m2, zatiaľ čo severné okno zaznamenalo celkovo –463 Wh/m2, tzn. stratu. Stalo sa tak v dôsledku pôsobenia chladnej oblohy a hrejivých slnečných lúčov. Tie boli výdatné na južnom okne, ale na severnom boli minimálne (difúzne). Vonkajší povrch u južného okna menil počas tohto dňa teplotu medzi –14,2 °C až +2,9 °C, u severného potom medzi –14,2 °C až –6,4 °C. Priemerný celodenný súčiniteľ Uw, ktorý pracuje len s teplotami vzduchu, bol 1,15 Wh/m2 pre severní okno a 1,08 Wh/m2 pre južné. Zimné tepelné výpočty okien tu viac korešpondujú s realitou, než letné.
Zamračený zimný deň
Jeho predstaviteľom je 20. december 2016. Slnko bolo celý deň za mrakmi, pod nimi bolo prítomné len slabé difúzne slnečné žiarenie. Podľa normy v hodinostupňovej reprezentácií vykázali obidve okná celodennú stratu –502 W/m2, vzťahujúce sa k vnútornej teplote 20 °C. Prechodom na základe povrchových teplôt uniklo –528 W/m2 a so započítaním ziskov od difúzneho žiarenia bola strata len –460 W/m2. Priemerný celodenný súčiniteľ Uw, ktorý pracuje len s teplotami vzduchu, bol 1,1 Wh/m2 pre obidve okná. To opäť potvrdzuje dobrú vypovedajúcu schopnosť „zimnej” stavebnej tepelnej techniky v podmienkach ČR a teda aj SR.
Záver
Táto štúdia poukazuje na obrovský vplyv slnečného žiarenia a chladného sálania oblohy, či už jasnej alebo zamračenej, na energetickú bilanciu okna. Okná samé o sebe pôsobia na interiér chladivo a to aj v lete počas tropických dní. Sú tiež výdatným zdrojom tepla tým, že prepúšťajú do interiéru horúce priame a rozptýlené slnečné žiarenie, v lete až v enormnom množstve. Vzhľadom k intenzite slnečných ziskov môžu za celý zimný deň a pri jasnom počasí, okná ktoré sú dobre navrhnuté, do domu dodať viac energie než koľko z celej budovy uniká von. Naopak v lete sa pred slnečnými ziskami chránime predokenným tienením.
