Nezvyčajná rekonštrukcia: Prekvapujú okná ako zdroj energie aj stropné vykurovanie

Dom pochádza zo 70. rokov minulého storočia, stojí v Hradci Králové (ČR) a keď ho dnešný majitelia po predchodcoch získali, uvedomili si nutnosť jeho opravy. Tá nakoniec vyústila v podstatnú prestavbu, kedy celé 2. nadzemné podlažie pôvodnej stavby bolo odstránené a postavené nanovo. Tento dom v tvare hranola štvorcového pôdorysu 10 × 10 m a výškou 8 m mieri svojimi rohmi k severu, východu, juhu a západu a za jasného dňa na neho dopadne pozoruhodné množstvo slnečnej energie:

• 875 kWh/deň (zimný slnovrat) a • 4 080 kWh/deň (letný slnovrat).

V cene elektriny ≈ 0,20 Eur/kWh to v prvom prípade a počas jasného počasia robí 175 Eur/deň a v druhom potom 816 Eur/deň. Pre porovnanie: tento dom so strednou hodnotou súčiniteľa prechodu tepla 0,25 W / (m2K) - nízkoenergetický štandard - stratí pri celodennom mrazivom počasí s priemernou vonkajšou teplotou vzduchu -15 ° C podľa výpočtu 88 kWh / deň (za 17,60 Eur). V praxi - až na niekoľko málo najmrazivejších dní - ale stačí na pokrytie skutočných strát vykurovacia špirála s príkonom 6 kW bežiaca 8 hodín denne (nízky tarif), teda 48 kWh / deň. Málokto vníma, akým výdatným zdrojom energie je Slnko!

Pre porovnanie: tento dom so strednou hodnotou súčiniteľa prechodu tepla 0,25 W / (m2K) - nízkoenergetický štandard - stratí pri celodennom mrazivom počasí s priemernou vonkajšou teplotou vzduchu -15 ° C podľa výpočtu 88 kWh / deň (za 17,60 Eur). V praxi - až na niekoľko málo najmrazivejších dní - ale stačí na pokrytie skutočných strát vykurovacia špirála s príkonom 6 kW bežiaca 8 hodín denne (nízky tarif), teda 48 kWh / deň. Málokto vníma, akým výdatným zdrojom energie je Slnko!

Slnko poskytuje všetko

Nový majiteľ si ešte pred zaobstaraním tejto nehnuteľnosti energiu Slnka uvedomoval a bol pripravený jeho energiu čo najviac čerpať aj pri prevádzke domu. Veď je zadarmo. Uvedomoval si aj protiklad, ktorý spolu so Slnkom udržuje na Zemi rovnováhu v dynamicky pulzujúcom režime: Tým je ľadový Vesmír s teplotou -270 ° C (3 K), v absolútnej teplotnej stupnici 3 K. Tieto entity pospolu vytvárajú priestor pre život na Zemi.

Okná na SZ strane sú z energetického hľadiska mierne stratové. Tu sa oplatí trojsklo

Stropné vykurovanie

Zanechajme všeobecných úvah a pusťme sa do najzaujímavejších riešení na tomto dome po rekonštrukcii. Vôbec najviac dohadov vyvoláva stropné vykurovanie, ktoré tak žne "plody" teplovzdušnej stavebnej fyziky "made in Czech Republic". “Teplo predsa vždy stúpa hore," učia sa od základnej školy až po stavebné fakulty.

Hore stúpa len teplý vzduch v gravitačnom poli. Žiarenia sa to ale netýka, bez ohľadu na to, či ide o žiarenie tepelné (z povrchu Slnka, pozemských plôch atď.) alebo umelé (telekomunikačné vysielanie).

Konkrétne:

Stropné vykurovanie v tomto dome tvorí stropný podhľad z hliníkových plechov hr. 3 mm, zavesený na sadrokartónovej nosnej profilovej konštrukcii. Ten zaberá celú plochu stropu. Zo spodnej, podhľadovej strany sú Al-plochy vybavené tenkovrstvou pohľadovou omietkou, zhora sú k stropnému plechu kontaktne pripevnené husto točené medené trubice pre vykurovaciu vodu. Hliník je zvolený pre svoju vysokú tepelnú vodivosť, nízku hmotnosť a priaznivú cenu.

Príklad: V jedno februárové dopoludnie roku 2020 bola vonkajšia teplota 6 ° C. Teplotu vykurovaného stropu ukázal kontaktný teplomer na úrovni 25,5 ° C, teplota podlahy bola 23 ° C. Teplota vzduchu, ktorú ukazoval nástenný teplomer, bola cca uprostred (24 ° C). Avšak čo vlastne tento teplomer ukazoval? Len naivný človek by si myslel, že teplotu vzduchu. Strop, podlaha a steny v miestnosti totiž sálajú podľa svojej teploty do priestoru tepelné žiarenie, ktorého teplota je váženým priemerom sálavých teplôt všetkých povrchov, ktoré ohraničujú miestnosť. A to bola s najväčšou pravdepodobnosťou teplota, ktorú teplomer meral a ku ktorej sa priblížila aj teplota vzduchu v miestnosti.

Dom pracuje s aktívnymi energetickými ziskami

Elementy výpočtov so sálaním

• Strop pri už uvedenej teplote 25,5 °C sálal do priestoru pod ním tepelné žiarenie v intenzite 451 W/m2. Toto číslo ľahko spočítame podľa Stefanovho - Boltzmannovho zákona z roku 1879. Toto číslo sa zdá desivé, avšak buďme pokojní.
• Podlaha, ohriata stropom na 23 °C, sála teplo samozrejme tiež a to nahor a síce intenzitou 436 W/m2 podľa rovnakého zákona. Rozdiel je nejakých 15 W/m2. To je vlastne okamžitá výkonová intenzita stropného vykurovania. Tým sme ešte neskončili:
• • Už z časov Ludwiga Boltzmanna a jeho učiteľa Jozefa Stefana je známe, že fotóny tepelného žiarenia, o ktorom je teraz reč, nepreskakujú len medzi plochami ako loptičky, ale že vypĺňajú priestor. Táto fotónová výplň priestoru závisí len od teploty a nemožno ju za žiadnych okolností z priestoru vyhnať.
• Zdieľanie tepla stropom a podlahou potom sprostredkováva spomínaná fotónová výplň. Inými slovami, strop si priestorom pod ním vymieňa práve toľko energie (= tepla) ako priestor s podlahou. Zmena sa deje pomocou tepelných fotónov medzi podlahou a priestorom a medzi priestorom a vykurovaným stropom. V našom prípade to je pri priestorovej teplote 24,26 °C.
• Z istým zjednodušením je možné povedať, že tepelné fotóny vypĺňajú priestor bez ohľadu na to, či je vyplnený múrom, kovom, vzduchom alebo "vákuom". Vzduch medzi stropom a podlahou nakoniec ustáli aj svoju teplotu na 24,26 ° C, ale to len vtedy, ak sa nebudú meniť teploty podlahy či stropu, ak sa nebude vetrať.

Okná

Investor vybral plastové okná s trojsklami, ktoré v 1. podlaží vybavil, kvôli ochrane pred slnečným impaktom, vonkajšími žalúziami. V prízemí domu, kde boli zachované pôvodné obvodové múry aj s nadokennými prekladmi, investor rezignoval na ochranu žalúziami kvôli zložitosti realizácie.

Okno ako celoročný zdroj tepla

Popisované okná, až na decembrové výnimky, sú na tomto dome celoročným dodávateľom tepla. Špeciálne za spomínaný mesiac vykazovali okná (v podmienkach referenčného roka pre Hradec Králové) stratu prechodom na úrovni 10,19 kWh/m2.

Po započítaní slnečných ziskov sa juhovýchodne orientované zvislé okná stali mierne ziskové (+0,18 kWh/m2), v zvyšných prípadoch sa strata znížila na –4,03 kWh/m2 (SV), –0,61 kWh/m2 (JZ) a –3,62 kWh/m2 (SZ). Z týchto čísiel plynie, že po započítaní priamych slnečných ziskov klesla decembrová stratová bilancia okien iba na 20 %.

Okná sú, až na decembrové výnimky, celoročným dodávateľom tepla

Vplyv oslnenia na tepelnú bilanciu okien

Užívateľ si všimol ešte jednej dôležitej veci. Priame slnečné žiarenie, ako aj jeho rozptýlená zložka, ohrieva nielen vonkajšie povrchy okna, ale najmä vnútorný povrch zasklievacieho panela. Hoci ešte nie sú k dispozícii údaje zo systematického merania vnútorných povrchových teplôt okien, čiastkové merania ukazujú, že oslnené okno sa z vnútornej strany rýchlo a významne zahreje nad úroveň vnútornej priestorovej teploty a následne ohrieva interiér, či už sálavo alebo v kontakte s vnútorným vzduchom. Efekt účinkuje, aj keď je pod mrakom a na okno pôsobí len difúzne slnečné žiarenie.

Vyššie uvedené zistenia by investora dnes pravdepodobne viedli k inému rozhodnutiu pri voľbe zasklenia okien. Na JV a JZ strane domu by volil okná s izolačným dvojsklom a s čo najvyšším solárnym faktorom. Popri nižších obstarávacích nákladoch a menšej hmotnosti, by to prinieslo ešte o niečo lepšiu zimnú energetickú bilanciu; vonkajšie tieniace predmety by zostali zachované.

Plastové okná s trojsklami sú v 1. podlaží vybavené, kvôli ochrane pred slnečným impaktom, vonkajšími žalúziami

Záver

Hlavnou úlohou článku je, aby investor pri stavbe alebo rekonštrukcii svojho domu myslel na slnečné žiarenie. To je nielen hlavným zdrojom energie, ale aj ukazovateľom správnej cesty k skutočne kvalitným domom s malou energetickou náročnosťou a s vysokou pobytovou kvalitou nielen v zime, ale aj v lete.

Nabudúce budeme pokračovať s popisom aktívnych energetických ziskov tohto domu, ktoré okrem iného ozrejmia aj dôvody pre inštaláciu unikátneho teplovodného stropného vykurovania.