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

Rodinný dům, který čerpá energii ze slunce

Bydlet v domě, jehož vytápění, chlazení a větrání se obejde bez energetické přípojky, láká snad každého. Avšak návrh a provedení takového řešení dnešní praxe neumí uchopit, protože zná jen teploty vnitřního a venkovního vzduchu. Když zohledníme sluneční záření, přiblížíme se pravdě, která nám otevře 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 přehlížejí; výjimkou jsou snad jen zimní sluneční tepelné zisky okny, jejichž započtení snižuje přehnané zimní tepelné ztráty. V létě pak oficiální tepelná technika budov doslova selhává, když "nevidí" 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 (ilustrační foto). Foto: fokke baarssen, shutterstock

Testovací dům

Uvažujme 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 1 100 W/m2. Toto záření zahrnuje přímou složku a dále všesměrovou rozptýlenou složku o intenzitě asi 100 W/m2. 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 (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 2 000  kWh/den sluneční zářivé energie; 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. Foto ALDECA studio, shutterstock

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 v lavině slunečního záření často přehřívá mnohem víc, 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 oslunění 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 ne všechno sluneční záření, které dopadne na dům (střechu a obvodové stěny) ať už v přímé, nebo rozptýlené podobě, bude vytápět 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 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 stínícími 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. Foto: Lawrence Baker, shutterstock

Závěr

Chce-li architekt a projektant řešit skutečnou energetiku budov, musí nutně pracovat se Sluncem, které je nevydatnějším zdrojem energie je na Zemi. Přímé sluneční záření má energetickou intenzitu až 1 100 W/m2. To platí v tropech, v ČR, ale i za polárními kruhy v době léta. Teplota vzduchu je jen odvozeninou. Práce se slunečním zářením je přitom zajímavá a otevírá nové možnosti práce s energií a architektonickým řešením staveb včetně barevných řešení.

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

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Shutterstock