Slunce je vydatným zdrojem energie, který má zásadní vliv i na energetiku budov. Oficiální teplovzdušné stavební výpočty ale sluneční záření ignorují.

Rodinný dům, který čerpá energii ze slunce

Bydlet v domě, jehož běžný provoz, tedy vytápění, chlazení a větrání, se zčásti či úplně obejde bez energetické přípojky, přitahuje snad každého. Avšak návrh a realizaci takového domu současná česká stavební fyzika neumí uchopit, protože počítá jen s teplotami vzduchu. Když ale začneme pracovat se slunečním zářením, ocitneme se blíž pravdě, která otevírá i nové možnosti.

Slunce je vydatným zdrojem energie, který má zásadní vliv na celou naši planetu včetně energetiky budov. Jenže oficiální teplovzdušné stavební výpočty sluneční záření téměř ignorují. Výjimkou jsou snad jen zimní sluneční tepelné zisky okny, jejichž započtení sníží přehnané zimní tepelné ztráty. V létě oficiální tepelná technika budov zcela selhává, když přehlíží letní přehřívání budov, vyvolané slunečním zářením. Přibližme si to na modelu jednoduchého rodinného domu.

Sluneční architektura zahrnuje práci s orientací domů, s barvami střech a fasád, se stínicími předměty na oknech i fasádách či s okolím domu.

Testovací dům

Jde o jednoduchý patrový rodinný dům ve tvaru hranolu o základně 10 × 10 metrů a výšce sedm metrů s plochou střechou. Každá ze čtyř stěn domu má plochu 70 m2, střecha má plochu 100 m2, takže celková plocha domu, která sousedí s atmosférou, je 380 m2.

Sálavé zdroje tepla

Jde o to, že na budovu nepůsobí jen venkovní vzduch a jeho teplota, ale hlavně sluneční záření, které má teplotu 5 500 °C a v pozemských podmínkách energetickou intenzitu až 1100 W/m2. Toto záření zahrnuje přímou složku a dále všesměrovou rozptýlenou složku o intenzitě asi 100 W/m2. A rozhodně nejde o zanedbatelnou energii.

Vyzkoušejte si vypočítat průměrnou celodenní hodnotu energie dopadajícího přímého slunečního záření na různě skloněnou a orientovanou plochu

Za slunného dne v době zimního slunovratu a za jasného počasí (tab. 1) dopadne na stěny a střechu uvedeného testovacího domu až 850 kWh energie slunečního záření. To při průměrné aktuální ceně elektřiny 4,83 Kč/kWh (zdroj: [1] ke dni 11. 11. 2021) představuje energii za 4 106 Kč/den.

Tab. 1: Celodenní dopad sluneční energie na obálku popisovaného domu (pro obě jeho uvedené orientace) v den zimního slunovratu za jasného počasí.

V den letního slunovratu (tab. 2), je-li jasno, dopadne v našem podnebním pásmu na fasádní stěny a střechu téhož domu až 2002 kWh sluneční zářivé energie za jediný den; v ceně elektřiny to představuje položku za 9 670 Kč.

Tab. 3 pak shrnuje sluneční impakt za letního a zimního jasného dne a celkový prostup tepla pro popisovaný dům v provedení „úsporný dům” a „nehospodárný dům” ve smyslu normové terminologie.

Tab. 2: Celodenní dopad sluneční energie na obálku popisovaného domu (pro obě uvedené orientace) v den letního slunovratu za jasného počasí.
Tab. 3: Celodenní impakt slunečního záření na obálku domu ve srovnání celodenním prostupem tepla touto obálkou (pro obě uvedené orientace) v den zimního a letního slunovratu.

Vidíme, že kdybychom uměli se sluncem lépe pracovat, dům bychom vytápěli jen výjimečně a to i přes to, že zdaleka ne každý den v roce nabízí jasnou oblohu.

Zeleň, ať už na střeše, či v jeho okolí, pozvolně odpařuje vodní srážky a tím ochlazuje své okolí včetně staveb.

Zimní a letní realita

Zatímco při plném využití energie slunečního záření by se dům v zimě téměř či zcela obešel bez vytápění, v létě se tentýž dům naopak v lavině slunečního záření často přehřívá mnohem více, než napovídá teplota venkovního vzduchu.

Přibližme si toto tvrzení na testovacím domě o průměrném součiniteli prostupu tepla obvodovými konstrukcemi na úrovni Uem = 0,5 W/(m2K) který zasadíme do klimatických podmínek z roku 2016 tak, jak je definuje referenční klimatický rok pro lokalitu Hradec Králové. Doplňme, že klimatický rok udává (v hodinových intervalech) měřené teploty vzduchu a spolu s nimi intenzitu přímého a difúzního, čili rozptýleného slunečního záření.

Testovací dům - zimní a letní energetická bilance

Co se týče ztrátového prostupu tepla z našeho modelového bungalovu ven, který by měla vyvážit otopná soustava, lze konstatovat:

1) V prosinci je "úřední" tepelná ztráta domu prostupem 3931 kWh/měsíc (za necelých 19 000 Kč/měsíc).

2) V červnu je "úřední" tepelná ztráta domu prostupem 530 kWh/měsíc (asi za 2 560 Kč/měsíc).

Tatáž budova je současně vystavena přímému i rozptýlenému slunečnímu záření. Za měsíc prosinec jde celkem o energii od 2 784 kWh/měsíc do 2 893 kWh/měsíc (v závislosti na orientaci domu ke světovým stranám).

V červnu na tentýž dům dopadá sluneční záření o velikosti od 36 780 až do 36 890 kWh/měsíc. Čísla zahrnují obě složky slunečního záření.

Vyjádřeno v korunách jde o energii až za 178 tisíc Kč v červnu a za 14 tisíc Kč v zimě, což bohatě stačí na to, abychom se slunečním zářením začali vážně pracovat.

Pro úplnost dodejme, že prosinec je jediný měsíc v tomto referenčním roce, kdy je osluněnost budovy přímým i rozptýleným slunečním zářením nižší, než její tepelná ztráta prostupem. Ve zbylých jedenácti měsících dopadne na dům více sluneční energie (v podobě přímého a rozptýleného slunečního záření), než jak "předpovídá" oficiální výpočet tepelných ztrát.

Fakt, že norma nevidí sluneční záření (výjimkou jsou jen sluneční zisky okny), vede nejen k přehnané zimní potřebě tepla k vytápění, ale zároveň zakládá "normovou" potřebu letního vytápění, která je už na první pohled absurdní.

Sluneční architektura

Samozřejmě že zdaleka ne všechno sluneční záření, které dopadne na dům (střechu a obvodové stěny) ať už v přímé, nebo rozptýlené podobě, bude vytápět jeho interiér. Rozhodně se ale vyplatí s ním pracovat už jen pro jeho výjimečnou energetickou vydatnost. A bez ohledu na to, že je to složitější než „práce se vzduchem”. Teplovzdušný model tepelné techniky budov se totiž míjí s podstatou věci a nereálně přehání tepelné ztráty domů. Pro úplnost dodejme, že v noci jsou budovy navíc exponovány chladným tepelným zářením noční jasné oblohy o teplotě kolem -60°C. Tento efekt ale v tomto příspěvku neuvažujeme.

Sluneční energetika z pohledu budov i klimatu byla a je na těchto stránkách a v časopise Stavebnictví a interiér dlouhodobě diskutována a další příspěvky budou následovat. Shrňme si tuto problematiku do několika hlavních bodů, které připomínají jižanskou architekturu:

  • Práce s orientací domů
  • Práce s barvami střech a fasád
  • Práce se stínicími předměty na oknech i fasádách
  • Práce s okolím domu (vegetace a opadavé listnaté stromy, které v létě stíní a v zimě zásobují dům slunečním zářením)

Pro města jsou typické tmavé plochy střech a dlažeb, které pohlcují teplo ve formě slunečního záření, čímž vzniká efekt tepelných ostrovů. Bílé střechy záření naopak odrážejí zpět k obloze a ochlazují tak okolní prostředí.

Závěr

Má-li architekt a projektant řešit skutečnou tepelnou ochranu budov, musí pracovat s fakty. A mezi ně patří vedle teploty vzduchu hlavně sluneční záření, které je na Zemi primárním, a nikoli jen odvozeným (tak jako vzduch) zdrojem energie. Jinak projekt žádné úspory tepla nenabízí, ani k nim nedává návod. Práce se slunečním zářením je navíc zajímavá a otevírá nové možnosti práce s energií.

Zdroje:
[1] https://www.energie123.cz/elektrina/ceny-elektricke-energie/cena-1-kwh

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Shutterstock