Dnešná teplovzdušná tepelná ochrana budov rieši len zimu a vykurovanie, leto zostáva bez pozornosti. Argumentuje sa, že priemerná celodenná teplota len výnimočne prekročí 27 ° C, čo je príjemná pobytová a zároveň aj vnútorná návrhová teplota pre leto. Napríklad pražské Klementinum zaznamenalo historicky najvyššiu celodenné teplotu len 31,9 ° C v júli 1782 a tú predsa každý prežije. Dokonca aj na vysokých stavebných školách sú študentom vštepované vzorčeky, z ktorých po dosadení vychádza, že sa "dom jednoducho nemôže" v lete ohriať na viac stupňov, ako je teplota vonkajšieho vzduchu ... Tak kde je problém? V tom, že si príroda dovolila nesprávať sa podľa vzorčekov. Skrátka teória sa nestretla s praxou.
Zo života
Na nasledujúcom príklade si naznačíme, že počas slnečných letných dní interiérová teplota - najmä u ľahkých stavieb - často vystúpi až nepríjemne vysoko. Život zaznamenáva veľa takýchto prípadov. Pokiaľ ide o zimu, priame a rozptýlené slnečné žiarenie, ktoré významne ohrieva fasády a strechy domov, interiér významne preteplí. To umožňuje v zime podstatne znížiť intenzitu vykurovania. Zhrňme si všetky zdroje tepla!
Zdroje sálavého tepla:
1) priame slnečné žiarenie,
2) rozptýlené slnečné žiarenie,
3) chladné sálanie oblohy.
Priame a rozptýlené slnečné žiarenie má teplotu 5 500 °C, na Zemi však pôsobí s malou intenzitu nepresahujúcou 1100 W/m2, takže nás „nepáli", pri trvalejšej expozícií len opaľuje dočervena alebo dohneda.
Chladné sálanie oblohy je spôsobené ľadovým vesmírom v priemernej teplote 3 K, tzn. –270 °C (0 K zodpovedá –273,15 °C), ktorý je na Zemi clonený skleníkovou atmosférou. Tá sa z pohľadu zo Zeme javí ako sálavý tepelný zdroj v teplote od –60 (pri jasnej oblohe) do 0 °C (pri zatiahnutej oblohe). Chladné sálanie oblohy sa najviac prejaví počas jasnej noci a to ochladením povrchu Zeme pod teplotu vzduchu a ešte významnejším ochladením striech a fasád budov.
Referenčný dom
Ten sme vybrali tak, aby vyvážene reprezentoval teplozmenné deje, ktoré sa odohrávajú medzi domom a jeho okolím, teda vzduchom a slnečným žiarením. Ide o bungalov štvorcového pôdorysu 10 × 10 m s vodorovnou strechou a s výškou stien 3 m, všetky povrchy majú emisivitu blízku jednej; pri svetlých a bielych bude vplyv sálavej zložky nižší. Nárožie domu mieri k severu, východu, juhu a západu, zatiaľ čo steny k SV, JV, JZ a SZ. Dom je hypoteticky umiestnený v Hradci Královom (ČR) v zemepisných súradniciach 50°10′33″ s. š. a 15°49′55″ v. d. To je pozícia, ku ktorej sa vzťahujú teplotné a žiarivé údaje zvoleného referenčného klimatického roku.
Dom nemá okná, tým sa budeme venovať v inom príspevku. Na bývanie je tento dom nevhodný, avšak poukáže na čisté teplozmenné správanie obálkových konštrukcií bez vplyvu okien. Zvislé obvodové steny domu majú súčiniteľ prechodu tepla UWall = 0,18 W/(m2K), strecha potom URoof = 0,15 W/(m2K).
Priama oslnenosť zvislých stien tejto budovy bola odvodená z okamžitej geometrickej situácie v danom čase. Z orientácie a uhla, pod ktorými priame Slnko ožarovalo zemský povrch, bol odvodený uhol, pod ktorým slnečné tok ožaroval danú zvislú stenu a s tým aj okamžitý slnečné impakt.
Difúzne slnečné žiarenie považujeme za všesmerné.
Tepelné straty prechodom
Na základe vnútornej teploty 21 ° C a priemernej celomesačnej teploty vonkajšieho vzduchu (spočítané z hodinových teplôt v uvedenom referenčnom klimatickom roku) stanovíme pre náš dom celomesačné tepelné straty. Výsledky ukazuje tab. 1 v stĺpci "Norma".
Tabuľka 1 nás na prvý pohľad prekvapí tým, že po celý rok, a to aj v najteplejších mesiacoch, vrátane júla s priemernou teplotou 19,2 ° C, vyžaduje dom vykurovanie (straty sú väčšie ako 0). Pretože pracujeme s priemernou celomesačnou teplotou, mohlo by nás potešiť, že počas niektorých dní v letných mesiacoch môže (štatisticky) vonkajšia teplota stúpnuť nad 21 ° C, čo by umožnilo kúrenie vypnúť.
My ale dobre vieme, že vykurovaciu sústavu vypíname najneskôr v máji a potom ju naštartujeme najskôr v septembri, častejšie až v októbri. Už len z tejto úvahy vyplýva, že teplovzdušný model stavebnej tepelnej techniky neopisuje skutočnosť!
Slnečné žiarenie a chladné sálanie oblohy
Ak chceme byť realistami, musíme popri teplotách vzduchu, pribrať do hry slnečné žiarenie v jeho priamej aj difúznej (rozptýlenej) podobe a takisto aj chladivé sálanie nočné i dennej oblohy. Sálavé, čiže žiarivé deje sú určujúce, teplota vzduchu je ich odvodeninou. Žiarivé deje možno ľahko a presne popísať a práca s nimi je ľahšia a presnejšie, než "práca" s vetrom. S ich pomocou rýchlo postúpime od teórie k praxi.
"Sálavú situáciu," ak je to možné tak nazvať, dobre opisuje súbor dát v rámci referenčného klimatického roka. Ten uvádza hodinové údaje o teplote vzduchu a slnečnej aktivite v podmienkach obvyklej oblačnosti. Pri práci s týmto nástrojom sa hodí aj geometrická predstavivosť a výpočtové zbehlosti v 3D priestore, čo je silnou stránkou architektov.
Chladivé sálavé pôsobenia oblohy sme (v nasledujúcich tabuľkách) prezentovali teplotou -20 ° C; k tomu je dobré dodať túto poznámku: Nebyť skleníkovej atmosféry, bola by teplota neba nad nami veľmi mrazivá (-270 ° C). V prípade nášho zemského vzdušného "skleníku" teplota klesá s nadmorskou výškou. V letových výškach prúdových lietadiel (12 km nad morom) je teplota skleníku už -60 ° C. Skutočnú sálavú teplotu oblohy si každý môže zmerať infračerveným teplomerom.
Reálnu intenzitu slnečného žiarenia (ktorá zahŕňa oblačnosť) sme prevzali z referenčného klimatického roku pre Hradec Králové. Difúzna zložka tohto žiarenia je všesmerná a podľa toho pôsobí na všetky plochy domu rovnako. Priama zložka slnečného žiarenia, ktorá počas dňa dopadá na rovinu pod meniacim sa uhlom, je prepočítaná na intenzitu pôsobenia na danú plochu domu.
Tabuľka 1: Mesačné straty tepla domu v kWh
Tabuľka 2: Priemerné teploty vzduchu a povrchové teploty čiernych povrchov
Slnečná energetika budov
Ak započítame do energetiky našej modelovej stavby bez okien aj slnečné žiarenie a ďalšie sálavé deje v ovzduší, výsledky sa oproti normovému prístupu podstatne zmenia.
Zmenia sa tak, že sa podstatne zvýrazní rozdiel medzi chladným a teplým obdobím: zimy (špeciálne december a január) sú chladivejšie, než hovorí úradný predpis, avšak letá sú naopak ešte teplejšie a to výrazne.
Čo sa týka leta, nespôsobilosť úradného teplovzdušného počítania energetickej hospodárnosti budov je až tragická. S použitím teplôt podľa referenčného klimatického roka (v tomto prípade ide o dáta z roku 2012) by sme museli aj v júni, júli a auguste kúriť, aby sme docielili požadovanej vnútornej teploty 21 ° C.
Keď sa priblížime skutočnosti a priberieme do hry slnečné žiarenie a ostatné sálavé deje v atmosfére, vrátane chladivej oblohy, zimy mierne schladnú, avšak letá sa veľmi nápadne „preteplia“. U nášho vzorového bungalovu bez okien dokonca tak, že júnový výdavok na chladenie na teplotu 27 ° C je 593 kWh, ktorý pri realizácii klimatizačnou jednotkou spotrebuje cca 150 kWh elektriny za takmer 37 Eur. Najchladnejší december so stratou 563 kWh by sme tepelným čerpadlom vyhrali na 21 ° C za podobnú sumu.
V skutočnej zástavbe, kde povrchy nie sú väčšinou realizované čiernymi farbami a kde hrajú úlohu aj dopadajúce tiene z okolitých stavieb či stromov, bude vplyv sálania úmerne znížený. U snehovo bielych povrchov alebo pri celoročne zatienených plochách, budú reálne spotreby zodpovedať normovému teplovzdušnému výpočtu.
Záver
Z vyššie uvedených tabuliek sú zjavné tri veci:
1. Pri započítaní energie slnečného žiarenia do tepelnotechnických výpočtov došlo k výraznému skráteniu vykurovacej sezóny (len na zimné mesiace november až marec). Navyše sa ešte podstatne znížila spotreba tepla na vykurovanie.
2. Pri započítaní energie slnečného žiarenia do tepelnotechnických výpočtov došlo v lete k významnému zásobeniu interiéru teplom (od rozohriatych vonkajších povrchov, ktoré sa v krátkodobých extrémoch ohrievali až nad 70 ° C). Interiér potom musel byť intenzívne chladený, aby vnútorná teplota neprevýšila výpočtovú teplotu 27 ° C. Navyše tu bolo potrebné použiť energiu na chladenie, s ktorou norma vôbec nepočíta!
3. Pri započítaní energie slnečného žiarenia do tepelnotechnických výpočtov došlo k tomu, že sme sa priblížili k realite.
