Stínicí technika a budoucnost bydlení

Dnešní výstavba míří až k nulové energetické spotřebě, ale téměř přehlíží sluneční energii. Ukážeme si, že sluneční energie, kterou dům absorbuje, řádově převyšuje jeho celoroční tepelné ztráty. V energetice budovy je proto vedle dobré architektury velmi důležitá stínicí technika. Ta chrání v létě dům před přehříváním a v zimě maximalizuje sluneční energetické zisky, abychom vytápěli minimálně nebo vůbec.

„Při stavbě domu by byla škoda nedotáhnout projekt do konce kvůli špatnému či nedomyšlenému výběru stínicí techniky a dalších ochranných prvků,” dočítáme se na internetu. Toto zdánlivě reklamní tvrzení si nyní doložíme tvrdými fakty.

Sluneční energetika domů

Pro energetickou spotřebu domu je klíčová tzv. obálka domu, a speciálně pak jeho střecha, fasáda a okna (včetně vchodových dveří). Čili plochy, které sousedí s atmosférou a míří do Vesmíru, jsouce za dne přímo osluňovány a) horkým přímým slunečním zářením o intenzitě až 1100 W/m2, nebo rozptýleným slunečním zářením pronikajícím zpoza oblačné oblohy. V noci je pak povrch domu sálavě exponován chladným Vesmírem o teplotě -270 °C, který atmosféra a zemské tepelné záření prohřeje na "přízemní" sálavou teplotu od cca -60 °C výše.

Dalším teplosměnným médiem je vzduch (atmosféra), který také ovlivňuje energetickou bilanci domu a se kterým (a pouze s ním) pracují oficiální stavební teplovzdušné výpočty.

Referenční klimatický rok. Jde o hodinová klimatická data pro zvolenou lokalitu podle požadavku normy ČSN EN ISO 15927-4. Stavebnictví z nich využívá hlavně údaje o hodinových teplotách vzduchu, z nichž odvozuje prostupy tepla okny, zdmi a střechou.

Důležitější jsou hodinová data o sluneční aktivitě, která zaujmou svou nápadnou mohutností. Energie přímého a difuzního (rozptýleného) slunečního záření, která celoročně zaplavuje naše domy, nápadně převyšuje to, co stavební tepelná technika nazývá ztrátami tepla prostupem.

Poznámka. Když si sluneční energii správně uvědomíme a začneme s ní pracovat, otevřou se nové možnosti na cestě k energeticky soběstačnému domu, navíc bez zbytečného letního přehřívání. Vyžaduje to ale víc zapojit do hry stínicí techniku a také architekturu, tzn. pracovat s povrchovými barvami, tvarem domu a orientací stěn a oken vůči světovým stranám.

Téma: sluneční architektura

Užitečné sluneční výpočty

1. Celodenní sluneční energie dopadající na sklonitou plochu
2. Intenzita a úhel dopadu slunečního záření, které dopadá na vodorovnou rovinu, střechu nebo fasádu

Pro účely tohoto příspěvku byl zvolen referenční klimatický rok 2016 v lokalitě Hradec Králové-Kluky se zeměpisnými souřadnicemi 50.178185N a 15.8401175E.

Zpracování klimatických dat. Na základě geometrie této úlohy jsme přepočítali intenzity přímého sluneční záření, které dopadá na vodorovnou plochu, na intenzity dopadající na svislou či šikmou plochu s různou orientací ke světovým stranám. Podobně jsme upravili i „směrové” intenzity rozptýleného záření, a to na základě toho, že difúzní záření, přestože je všesměrové, vykazuje nejvyšší intenzity právě ze strany, odkud svítí slunce.

Testované obvodové konstrukce. Předmětem našeho zájmu jsou okna, vodorovná střecha, obvodová stěna a jejich energetické chování. V případě oken jsme vybrali tři zástupce se součiniteli prostupu tepla na úrovni U_W1 = 1,2 W/(m²K), U_W2 = 0,9 W/(m²K), což představuje doporučení pro pasivní dům, a konečně energeticky luxusní okno s U_W3 = 0,6 W/(m²K). Solární faktor všech oken je g = 0,5. To znamená, že polovina energie slunečního zážení, které dopadá na okno, jím projde do interiéru.

Stěnu a vodorovnou střechu jsme pro jednoduchost zvolili na jednotné úrovni U = 0,15 W/(m²K), tzn. na úrovni doporučení pro pasivní dům.

Celoroční energetická bilance

Tabulka níže popisuje roční a měsíční energetické bilance vybraných oken, stěn a vodorovné střechy, zakomponovaných do skutečných podmínek roku 2016 v Hradci Králové, které popisuje výše citovaný klimatický rok. Bilancí zde myslíme rozdíl mezi sluneční energii, kterou dům pohltí, a energií, kterou dům ztrácí prostupem tepla (počítaným z rozdílu teplot vzduchu venku a uvnitř), to vše za uvedený časový úsek.

Okna. Všechna zvolená okna, ať míří kamkoliv, včetně vodorovného střešního okna, mají díky expozici sluncem vysoce kladnou celoroční energetickou bilanci. Nejslabší okno U_W1 = 1,2 W/(m²K) vykazuje pro severní orientaci nejnižší celoroční energetický zisk 229 kWh/(m²·rok) po odečtení celoroční ztráty tepla prostupem 114 kWh/(m²·rok). Největší zisk z této trojice dává okno U_W3 = 0,6 W/(m²K) při azimutu 185° (5° na západ od jihu) s celoročním ziskem 576 kWh/(m²·rok) po odečtení 57 kWh/(m²·rok) ztráty tepla prostupem. Zdůrazněme, že celoroční sluneční energetické zisky mnohonásobně převyšují tepelné ztráty.

Tabulka: Průměrné roční a měsíční hodnoty přímého oslunění (INSO), globálního záření (GLO), dále měsíční tepelné ztráty prostupem zvoleným oknem a obálkovou konstrukcí (KCE) s různými orientacemi ke světovým stranám a z toho odvozené výsledné energetické měsíční a roční bilance pro okno, stěnu a vodorovnou střechu. Vnitřní teplota byla zvolena 20 °C, v létě 25 °C. Všechny číselné údaje jsou ve kWh/m² . Autor využil dat z referenčního klimatického roku 2016 v lokalitě Hradec Králové-Kluky.

Bilance kWh/m2	INSO	GLO	tep. ztráty		BILANCE: Okno UW = 0,6 W/(m2K)					BILANCE Zeď/Střecha U = 0,15 W/(m2 K)
			Okno	KCE	S	V	J	Z	střecha	S	V	J	Z	střecha
leden	5,7	12,2	–10,2	–2,6	–5,6	0,7	–1,5	2,2	7,4	4,0	13,0	9,9	15,2	22,6
únor	11,1	25,2	–7,2	–1,8	–2,7	10,4	10,6	12,6	20,3	12,4	23,5	23,7	26,4	37,5
březen	25,6	59,5	–7,1	–1,8	16,9	25,8	34,6	28,2	41,3	32,4	45,1	57,8	48,6	67,4
duben	55,4	107,5	–4,5	–1,1	33,0	41,7	71,3	44,1	63,9	52,5	64,8	107,2	68,3	96,6
květen	84,3	154,1	–2,5	–0,6	53,2	58,7	103,4	62,0	81,8	78,9	86,8	150,7	91,5	119,8
červen	82,9	154,6	–1,1	–0,3	60,9	61,6	102,8	64,6	80,2	88,2	89,3	148,0	93,6	115,8
červenec	67,2	137,4	–0,9	–0,2	56,2	57,0	92,5	59,0	72,8	81,4	82,4	133,1	85,3	105,0
srpen	63,6	125,6	–0,7	–0,2	44,7	52,3	87,7	56,1	75,2	64,7	75,5	126,2	81,0	108,2
září	39,3	76,5	–2,8	–0,7	8,6	33,1	50,9	37,6	54,5	37,1	50,6	75,9	57,0	81,1
říjen	15,7	34,7	–4,8	–1,2	23,7	17,4	19,7	19,9	30,0	17,9	30,4	33,8	34,1	48,4
listopad	4,0	12,0	–6,7	–1,7	–1,0	4,5	1,9	6,0	9,4	6,4	14,3	10,5	16,4	21,3
prosinec	2,2	5,0	–8,9	–2,2	–6,9	–3,8	–5,3	–3,1	–1,0	0,6	5,1	2,9	6,1	9,0
rok 2016	430	847	–57	–14	286	359	569	389	536	476	581	880	624	833

Téma: Energetika staveb

Měsíční energetická bilance

Okna. Do energetické bilance oken je započtena dopadající sluneční energie, která oknem projde do budovy (ta je dána slunečním faktorem, např. g = 0,5) nebo je oknem pohlcena. Odražené záření, které jsme zvolili na úrovni 30 % celkové dopadající energie, neuvažujeme. Absorbovaná sluneční energie v létě řádově přerůstá ztráty tepla prostupem i pro ty nejchladnější měsíce. Absorpce vždy a nutně zvýší venkovní povrchovou teplotu okna. Na to se sníží prostup tepla ven, nebo, hlavně v létě, se tok tepla otočí a okno začne vytápět.

Stěny a střecha. Energetická bilance stěn a střechy je stanovena obdobně; zde předpokládáme, že veškeré dopadající sluneční záření je jimi pohlceno, žádné se neodráží, ani neprochází dovnitř. Pohlcené záření se tím stává součástí energetiky budovy. Ohřeje exponovaný povrch a protepluje celou konstrukci; následně se sníží (jako u okna) tok tepla ven nebo se otočí jeho směr a stěna (střecha) vytápí.

Základy letní tepelné ochrany budov

Tabulka říká, že vysoká tepelněizolační schopnost obvodových stěn, střechy a oken nás sice chrání před zimou, ale nikoliv před letním horkem. Horko totiž nepřináší teplý vzduch, ale vydatný sluneční svit s energetickou intenzitou až 1 000 W/m², k němuž se přidává difúzní záření. Nebýt akumulace, slunce by rozpálilo povrchy až na 91 °C! Intenzivní letní záření nevyřeší jakkoliv mohutná tepelná izolace, ale pouze stínicí technika.

Stínicí technika v létě účinně chladí

Sluneční záření o intenzitě až 1100 W/m², které dopadá na dům. odcloníme na oknech venkovními stínicími předměty, ideálně s bílým nebo reflexním povrchem, které odrážejí sluneční záření a tudíž se jím neohřívají. Fasádu i střechu je ze stejného důvodu vhodné natřít odrazivým, jiskřivě bílým nátěrem. Dobře účinkují také široké střešní přesahy, jinde venkovní markýzy. Pak i v nejteplejších letních dnech venkovní povrchy domu chladí: např. jižní okno uvedené v tabulce zaznamená místo květnového tepelného zisku 103,4 kWh/m² ztrátu 2,5 kWh/m². Základem je stav myšlení, kdy všichni účastníci výstavby chápou stínicí techniku jako nezbytnou součást tepelné ochrany budov.

Architekti, projektanti, stavitelé i uživatelé by měli od výrobců rolet, žaluzií a další stínicí techniky požadovat řešení, kterým účinně předejdou letním horkům v interiéru.

Téma: stínicí technika

Stínicí technika v zimě

Stínicí technika dobře funguje i v zimě, kdy snižuje tepelné ztráty způsobené sáláním a přispívá tak k zimní tepelné ochraně. V noci, kdy je venkovní roleta, žaluzie ap. stažená, o třídu zlepšuje tepelněizolační schopnost okna. A ve dne, když je vytažená, nechá výše popsaným způsobem vytápět interiér přímým a difúzním slunečním zářením. Provoz stínicí techniky lze přitom plně automatizovat.

Venkovní stínění obsluhuje ještě jeden chladivý tepelný zdroj, který stavební tepelná technika ještě nezaznamenala, totiž sálání chladné noční oblohy. Jde o chladné záření, které v zimě vykazuje teplotu až do –60 °C, v létě cca –20 °C a které nejvíce ochlazuje zejména střechu a následně prostor pod ní. Vhodné stínění nechá v létě tento chladný zdroj pracovat, v zimě ho významně odstíní.

Závěr

Sluneční záření je v ČR vydatným energetickým zdrojem. Bez jeho pochopení, akceptování a bez účinného zapojení stínicí techniky nelze dobře vykládat tepelnou ochranu budov, natož ji provádět ke spokojenosti uživatelů.