Zatímco slunce přímo či nepřímo ohřívá interiér, chladná obloha ho jen nepřímo chladí (autor: Sergey Parantaev, Shutterstock)

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 i střešní okna "pracují" nejen s teplotami vzduchu, ale hlavně se sálavými ději, zejména pak horkým slunečním zářením v přímé i rozptýlené podobě.

Zatímco vrcholová stavební tepelná technika řeší jen zimy a piluje teplovzdušné teorie se součiniteli UW, realita před nás staví horká léta a důkazy, že energetiku budov řídí hlavně silné sálavé děje. Ty nejenže podstatně zlepšují zimní energetiku budov, nýbrž také vyvolávají nepříjemná letní horka v interiéru budov. Před těmi nelze utéct, ty musíme opravdu řešit. Přibližme si je:

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 konci 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 přitom lze odstínit roletou či žaluzií, zejména světlé barvy.

Známým subjektem, který systematicky zkoumá sálavé děje v ovzduší a jejich vliv nejen na letní, ale i zimní energetiku budov, je dánský výrobce oken VELUX. Ten je znám i v ČR jako výrobce a dodavatel střešních oken.

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

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:

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, silný nosič energie o intenzitě přes 1000 W/m2, dopadá na plochu okna. To pak zakládá následující děje: Zhruba polovina, cca 500 W/m2, 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 ohřejí: sluncem se významně ohřívá i vnitřní tabule, která pak sálavě 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. Přestože Slunce přímo i nepřímo ohřívalo interiér, podle úředního výpočtu jím unikalo ven 19 W/m2.

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 tEP. A ta pod jasnou noční oblohou často výrazně klesne pod teplotu vzduchu. Doplňme, že tI je teplota vnitřního vzduchu a rE = 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

Dále se zaměřme jen na prostup tepla okny se součinitelem prostupu UW = 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 zanedbáme. Na pomoc si vezmeme průměrné údaje o venkovní teplotě z Českého hydrometeorologického ústavu a měsíční oslunění pro lokalitu Hradec Králové.

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

Započítáme-li do tepelné bilance i sluneční záření, které nezastíněnými 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 jsou 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 příznicé 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 tomto článku jsme ukázali, že okna (střešní a fasádní) „pracují” s mohutnými sálavými zdroji tepla, s horkým slunečním zářením a oblohou, která působí naopak chladivě. Správná práce s těmito zdroji podstatně zlepší energetickou náročnost staveb a zejména kvalitu vnitřního prostředí.

Související články

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Shutterstock