Okna a jejich energetická bilance v ČR a na Slovensku

Je-li řeč o budovách s minimální spotřebou energie (a nejen na papíře), je dobré vědět, že fasádní a střešní okna sice "pracují" s teplotami vzduchu, ale především mají co do činění se sálavými ději, zejména pak s horkým slunečním zářením v přímé i rozptýlené podobě.

Oficiální stavební tepelná technika s razítkem však tvrdošíjně řeší jen zimy a do omrzení piluje teplovzdušné teorie se součiniteli U_W. Avšak realita ale před nás staví i horká léta a důkazy, že energetiku budov řídí hlavně silné sálavé děje. Ty nejenže významně zlepšují zimní energetiku budov (což je připsáno k dobru tepelné izolaci), ale vyvolávají i nepříjemná letní horka v interiéru. A před těmi neutečeme, ty musíme účinně řešit.

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

Sluneční záření: Jde o záření o teplotě 5 500 °C, které v pozemských podmínkách sálá s intenzitou 1 000 až 1 100 W/m².

Chladivé působení oblohy: jde o sálání oblohy o teplotě ca –60 °C; této teplotě zhruba odpovídá teplota vzduchu na dolním okraji troposféry, tj. v „letových” výškách 10 až 12 km. Tato teplota je dlouhodobě stabilní, neroste, což je mimo jiné nejsilnějším argumentem proti existenci globálního oteplování. Chladná obloha zajišťuje, že sluncem rozpálené povrchy nepřekročí teplotu cca 80 °C. Chladnou oblohu lze přitom odstínit roletou či žaluzií, zejména světlé barvy.

Střešní okna mají ve většině případů větší sluneční zisky než okna fasádní (autor: Antona713, Shutterstock

Okno jako tepelná ochrana i zdroj energie

V zahraničí se objevují studie, které říkají, že okna vpouštějí do budov více energie, než počítají stavební výpočty. Dokazují, že i v zimě mají často okna lepší tepelnou bilanci,…

Okno jako zdroj energie

Způsob, jak okno pracuje s energií, lze shrnout do následujících bodů, které uvádějí jen průměrná čísla; přesné hodnoty závisejí na konkrétním zasklení oken:

Vnitřní a venkovní vzduch sdílí (tj. předává si) energii tím, že ohřívá, respektive ochlazuje vnitřní a venkovní plochu okna. To vede k prostupu tepla oknem z jeho teplé strany ke chladné.

Sluneční záření, nositel energie o intenzitě přes 1000 W/m², dopadá na plochu okna, což zakládá následující děje:

Zhruba polovina, tj. cca 500 W/m² slunečního záření, prochází přímo do interiéru a ohřívá ho. Asi desetina slunečního záření (ca 100 W/m²) se od okna odrazí zpět do venkovního ovzduší. Zbytek slunečního záření absorbují skleněné tabule okna, které se tak ohřejí: sluncem se významně ohřívá i vnitřní tabule okenního zasklení, která pak sálavě a tudíž velmi účinně ohřívá interiér.

Příklad: V lednu 2019 při venkovní teplotě –6 °C a vnitřní 21 °C slunce ohřálo venkovní plochu okenního zasklení na –3 °C a vnitřní na 26 °C. Podle Stefanova – Boltzmannova zákona tak Slunce skrze ohřáté povrchy okna sálavě ohřívalo jak exteriér, tak interiér: první s intenzitou přes 13 W/m², druhý necelých 30 W/m² při započtení jen sálavé složky sdílení tepla. Přestože Slunce přímo i nepřímo (skrze ohřáté povrchy okenního zasklení) vydatně ohřívalo interiér, podle úředního předpisu oknem naopak unikalo ven 19 W/m².

Funkce a vlastnosti oken napříč časem

Nároky uživatelů na vlastnosti oken se v průběhu času proměňují. Vývoj nových technologií, stále dokonalejší materiálová základna a doplňky posouvají stavebnictví včetně výroby…

Horké slunce a chladivá obloha

Zatímco slunce ohřívá interiér, chladná obloha ho jen nepřímo chladí. Působí-li za jasného dne oba faktory současně, vliv horkého slunce převažuje. V noci a při jasné obloze sníží chladné záření oblohy jen venkovní povrchovou teplotu okna, do interiéru přímo nevstupuje. Zisk nebo ztrátu okna pak popisuje přesný vztah:

který pracuje s venkovní povrchovou teplotou t_EP. A ta pod jasnou noční oblohou často výrazně klesne pod teplotu vzduchu. Doplňme, že t_I je teplota vnitřního vzduchu a r_E = 0,04 m²K/W je normový odpor při přestupu tepla na venkovní straně okna. Jinak řečeno: uzavřené okno nepropustí dovnitř chladivé sálání oblohy, takže tok „chladu” od oblohy (na rozdíl od slunečního záření) je realizován jen nepřímo, tzn. prostupem tepla podle vzorce (1) od podchlazeného venkovního povrchu okna; ten ale může být výrazně chladnější, víc než o desítku °C, než venkovní vzduch. Lze to shrnout tak, že zatímco sluneční záření a s ním i mohutná dávka tepla vstupuje okny přímo, rychle a vydatně, vstup chladného sálaní oblohy do interiéru je nepřímý, ale nikoliv zanedbatelný.

Okno jako zdroj tepla

Zaměřme se nyní jen na prostup tepla okny (se součinitelem prostupu U_W = 0,7 W/(m²K)), odvozeného z teplot vzduchu, kterou porovnáme s intenzitou slunečního záření prostupujícího oknem o solárním faktoru g = 0,5. Vliv ohřívání či chlazení okenních ploch pod účinky slunečního záření, respektive chladného sálání oblohy pro jednoduchost zanedbejme. Na pomoc si vezmeme průměrné údaje o venkovní teplotě a měsíční oslunění pro lokalitu Hradec Králové z Českého hydrometeorologického ústavu.

Z pohledu celoměsíčních průměrných teplot vzduchu a z nich odvozeného prostupu tepla (červená čísla) mají okna i v nejteplejších měsících zápornou energetickou bilanci. To možná vedlo k přehlížení problémů s letním přehříváním a k tvrzení, že se přehřívají jen špatně navržené, postavené nebo užívané stavby.

Když ale započítáme do tepelné bilance i sluneční záření, které nezastíněnými, ale uzavřenými okny proniká dovnitř, dostaneme pozoruhodné výsledky:

Je-li slunný den, je zkoumané okno vždy aktivní, ať už je vodorovné, svislé či šikmé. To znamená, že více tepla v podobě přímého a rozptýleného slunečního záření vpustí dovnitř, než činí ztráty tepla prostupem. Na roční době přitom nezáleží; kladný vliv sluncem ohřáté vnitřní plochy okna přitom nezapočítáváme.

S výjimkou studených měsíců (leden, únor, listopad, prosinec) jsou celoměsíční energetické bilance zkoumaného okna jakéhokoliv sklonu nebo orientace energeticky aktivní. Jižně orientované fasádní (= svislé), nebo střešní okno (45 °) má dokonce po všech 12 měsíců kladnou měsíční energetickou bilanci.

Doplňme, že nejchladnější měsíce roku „vděčí” za méně příznivé výsledky jednak kratším dnům a delším nocím, ale hlavně přemíře zatažených dnů. Přehled zisků a ztrát ukazuje tabulka.

Sluneční energetický impakt

Sluneční záření převrací energetickou bilanci okna naruby, dělá z oken po většinu roku silný zdroj tepla a významně zkracuje topnou sezónu. Toto tvrzení se ještě zesílí, když uvážíme, že sluneční záření, které oknem neprojde a je jím pohlceno, zvedá povrchové teploty okna; okno pak v interiéru účinkuje jako sálavý zdroj tepla. Citelně to funguje v zimních slunných dnech.

Sluneční záření konec konců ohřívá i střechu a fasádu, což dále zlepšuje energetickou bilanci domu. Není problém dům v zimě vytopit, ale v létě uchladit a chlazení ufinancovat.

Závěr

V článku ukazujeme, že okna (střešní a fasádní) dominantně pracují s mohutnými sálavými zdroji tepla, tzn. s horkým slunečním zářením a oblohou, která působí naopak chladivě. Správná práce s oběma sálavými zdroji podstatně zlepší výpočet energetické náročnosti staveb a hlavně teplotní kvalitu vnitřního prostředí.

Výběr skla a jeho tepelná bilance

Sklo, přesněji křemenné sklo, zná lidstvo už od doby kamenné v podobě různých korálků a ozdob, později skleněných či glazovaných lahví či pohárů. V 10. století n. l. proniká sklo…

Související články

• Elektricky ovládané střešní okno
• Dřevo a střešní okna
• Je zapotřebí změnit přístup k modernímu stavitelství
• Způsoby prosvětlení bungalovů