Ilustrační foto: Policas

Sluneční záření významně snižuje celoroční ztrátu tepla domu

Dnešní teplovzdušný přístup k měření a výpočtu tepelné ztráty budov je navržen do všech detailů, až na ten základní. Příroda u nás významně pracuje i s mohutnými sálavými ději, jejichž původcem je Slunce a jeho záření. Když sluneční záření pomineme, je úřední stavební tepelná technika nesprávná a zcestná.

Energetická náročnost budov se dnes počítá z rozdílu mezi vnitřní návrhovou teplotou vzduchu (20 °C) a venkovní teplotou vzduchu, který se násobí součinitelem prostupu tepla U a (teplosměnnou) plochou obálky budovy. Teplota venkovního vzduchu tak - až na nevýznamnou diferenci - definuje teplotu všech venkovních ploch domu (střechy, stěn a oken), ze kterých skrze jejich součinitele prostupu tepla U určíme okamžitou ztrátu tepla domu. Když tato měření provádíme co hodinu a po celý rok, dobereme se k celoroční ztrátě tepla prostupem pro daný dům.

Prostup tepla

Mějme rodinný dům čtvercového půdorysu 10 x 10 metrů s plochou střechou ve výšce 4 m a stěnami orientovanými k východu, jihu, západu a severu. Jestliže nejvyšší průměrný součinitel prostupu tepla dnešních novostaveb nesmí překročit mez Uem = 0,5 W/(m2.K), potom dům s tímto součinitelem při ploše obálky (obvodové stěny a střecha) 260 m2 spotřebuje k vytápění na teplotu 20 °C energii o velikosti 11,802 MWh tepla za rok. Při ceně elektřiny 10 Kč/kWh to dělá 118 020 Kč/rok (viz Tab. 1).

Tab. 1: Průměrná kvartální teplota vzduchu za uvedená čtvrtletí a celkový „teplovzdušný“ prostup tepla popisovaného domu včetně oken (zdroj dat: referenční klimatický rok)
K vysoké až úplné energetické soběstačnosti budovy se lze dopracovat s pomocí pasivních a aktivních prvků. Mezi ty pasivní řadíme mimo jiné orientaci stavby vůči světovým stranám. Foto: Mike Higginson

Sluneční záření

Jenže na energetické bilanci domu se podílí i sluneční záření, které má v pozemských podmínkách za jasné oblohy intenzitu až 1100 W/m2 při kolmém dopadu na osluněnou plochu. Tab. 2 ukazuje skutečná, tedy v hodinových intervalech měřená množství energie slunečního záření, které dopadá na venkovní nadzemní plochy domu. Hodinové údaje jsme pro názornost sdružili do čtvrtletních období v podání tab. 2.

Tab. 2: Čtvrtletní energie slunečního záření v kWh/m2 dopadající na rovinnou plochu (včetně vodorovné střechy) a svislé stěny domu orientované k východu, severu, západu a jihu. Zdroj dat: Referenční klimatický rok pro Hradec Králové.

Aplikujme čísla z tab. 2 na řečený dům a zaměřme se jen na sdílení tepla nadzemními obálkovými konstrukcemi (vodorovná střecha bez oken a čtyři stěny s okny o ploše 14 m2, z toho 2 x 4 m2 s orientací na jih a západ a 2 x 3 m2 s orientací na sever a východ). Sdílení tepla mezi podlahou a zemí neuvažujeme.

Co se týče oken, zhruba polovina slunečního záření (až 500 W/m2 při kolmém oslunění), které na ně dopadne, projde přímo do interiéru a ohřívá ho. Asi desetina (až ca 100 W/m2) se od okna odrazí zpět do venkovního ovzduší. Zbytek absorbují skleněné tabule a rámy okna, které se tím významně ohřejí. Sluncem ohřáté venkovní sklo sníží tepelnou ztrátu okna nebo ji změní v zisk! Sluncem ohřáté vnitřní zasklení okna pak sálavě ohřívá interiér. Osluněná okna tak - za nezájmu stavebního inženýrství - změní energetiku domu, a to až podstatně.

Poznámka: Přímé sluneční záření ohřívá nejen okenní skla a rámy domu, ale i jeho neprůsvitné střešní a fasádní plochy. Dvojnásob to platí pro černé střechy a fasády. Ty se na letním slunci ohřejí až k 80 °C a zimním ke 40 °C. To opět a podstatně mění úřední teplovzdušnou výpočtovou okrajovou podmínku, která přehání zimní tepelné ztráty domu a nevidí silné a nepříjemné letní tepelné zisky domu.

Zhruba polovina slunečního záření dopadajícího na okna projde přímo do interiéru a ohřívá ho. Asi desetina se od něj odrazí zpět do venkovního ovzduší, zbytek absorbují skleněné tabule a okenní rámy, které s ohřejí a sálavě vytápí interiér. Foto: volkanozgumus

Výsledky slunečního působení v reálných podmínkách Referenčního klimatického roku shrnují tab. 3 a tab. 4:

Tab. 3: Čtvrtletní energie slunečního záření v kWh dopadající na vodorovnou střechu a obvodové svislé stěny domu orientované k severu, východu, jihu a západu pro Hradec Králové. V závorkách je přímý sluneční zisk okny. Zdroj: Referenční klimatický rok.
Tab. 4: Čtvrtletní a roční energie slunečního záření v kWh dopadající na dům (sluneční impakt) s vodorovnou plochou střechou a obvodovými zdmi orientovanými k severu, východu, jihu a západu pro Hradec Králové a tomu odpovídající tepelný zisk okny. Zdroj dat: Referenční klimatický rok.

Tab. 4 popisuje hlavní energetické vlivy na dům. Zatímco jeho celoroční ztráta tepla prostupem je 11,8 MWh, celoroční sluneční impakt na stejný dům představuje lavinu energie o velikosti 221,6 MWh, což je skoro 19x více (!). A v nejstudenějším kvartálu v roce (prosinec, leden, únor) je sluneční impakt energie na venkovní plochy tohoto domu víc než 3x větší (16 534÷5 335)! Práce se sluncem – a tedy bez tzv. „uhlíkové stopy“ – tak řeší i fikci o globálním oteplování, z něhož jsou obžalováni hlavně řadoví občané a jejich obydlí.

Základy slunečního stavitelství

Už víme, že energie slunečního záření, které v našem podnebním pásmu dopadá na budovu, převyšuje její potřebu tepla na vytápění, a to dokonce a často i v zimě (prosinec, leden, únor). Nabízejí se tak tři otázky:

  1. Jaká je skutečná celoroční energetická náročnost budovy?
  2. Jak pracovat se Sluncem a docílit až plné energetické svobody budovy?
  3. Jak předejít letnímu přehříváním budov?

Sluneční dům čerpá trvale a tam, kde stojí, energii slunečního záření. To je běžné, avšak sluneční dům je cíleně navržen, umístěn a orientován tak, že se ideálně obejde i bez systémového vytápění. A obstojí i před lavinou letního horka a bez systémového chlazení.

Z tepelně energetického pohledu je v našem podnebním pásmu ideální barvou střechy a fasády jiskrně bílá barva minimalizující ztráty a zisky tepla sáláním až k nule. Foto: Veroniksha

1) Barvy

Teplovzdušná stavební fyzika systémově ignoruje barvy venkovních povrchů domu (střechy a fasády). Přesněji řečeno volí nejen pro exponovanou střechu, ale i pro fasádu domu často tmavé až černé barvy. A jak to funguje?

Léto:

  • Tmavé venkovní povrchy domu absorbují tepelné záření zemského původu a hlavně pak sluneční záření, čímž jejich povrchová teplota vystoupá až k 80 °C. Tato teplota ale podstatně převyšuje teplotu venkovního vzduchu, která se dosazuje do výpočtů!
  • Tvrzení, že teplo od sluncem rozpálené střešní krytiny odvětrá vzduchová mezera pod krytinou, je nepodložené a mylné. A to už jen proto, že sálání (tj. tepelné záření, které vysílá rozpálená krytina) nelze odvětrávat jako horký vzduch!
  • Fasády většinou vzduchovou mezeru neobsahují. Avšak i ony, jsou-li tmavé až černé, se na přímém slunci zahřejí až na 80 °C, což opět mění teplovzdušnou okrajovou podmínku a nutně se podepisuje na přehřívání interiéru.

Zima:

  • Tmavé a neosluněné venkovní povrchy domu (střechy i fasády ) intenzivně vyzařují teplo do venkovního prostředí, čímž se významně ochlazují pod teplotu venkovního vzduchu. To se ještě zvýrazní v noci, kdy místo slunce působí ledový Vesmír schovaný za atmosférou, jejíž sálavá teplota je až desítky °C pod teplotou vzduchu.
  • Tmavé a osluněné plochy domu (stále jsme v zimě) jsou sluncem naopak nejvíce ohřívány, což vylepšuje zimní tepelné ztráty. Noční tepelné sálání černé střechy tento efekt oslabí až (a spíš) převáží.

Na střechách tuto nepříznivou situaci zčásti řeší bílá (= tepelně nesálavá) sněhová pokrývka, která nevyzařuje tepelné záření, čili neprochládá pod teplotu vzduchu. Za jasného dne bílá sněhová pokrývka střechy naopak odráží sluneční paprsky, které pak nemohou přispět jako tepelný zisk domu.

Sníh (téměř) nevyzařuje tepelné záření, čili neprochladá pod teplotu vzduchu. Za jasného dne bílá sněhová pokrývka střechy naopak odráží sluneční paprsky, které pak nemohou přispět jako tepelný zisk domu. Foto: sommthink

Dílčí závěr

Z tepelně energetického pohledu je v našem podnebním pásmu a celoročně ideální barvou střechy a fasády jiskrně bílá barva, která minimalizuje ztráty a zisky tepla sáláním až k nule. Bílé střešní a fasádní plochy se na slunci neohřívají. Tímto řešením minimalizujeme sálavou tepelnou ztrátu domu v porovnání s jinými barevnými řešeními téhož domu.

2) Stínění

Dnešní domy – novostavby i starší domy – by měly být vybaveny stínicí technikou, která v létě brání vstupu přímého slunečního záření do interiéru. Barva stínicí techniky by měla být světlá až bílá, aby slunce neohřívalo stínicí prvky, které by pak sálaly teplo až do interiéru.

Barva stínicí techniky by měla být světlá, aby ji slunce neohřívalo a nedocházelo k sálání tepla až do interiéru. Foto: Blue Corner Studio

3) Fotovoltaika a tepelné čerpadlo

Dnešní domy nemusí energii jen spotřebovávat. Mohou ji také vyrábět a to ideálně v takové míře, že po většinu roku a v režimu normálního provozu budou soběstačné, nebo se dokonce úplně obejdou bez veřejné elektrické přípojky.

Poznámka: Když přeměníme sluneční záření za pomoci kvalitní fotovoltaiky v elektřinu, stane se zejména letní chlazení a ohřev vody až hračkou, obzvlášť za pomoci tepelného čerpadla.

Fotovoltaika v létě i v zimě: správně provedená otopně-chladicí soustava, založená na tepelném čerpadle a fotovoltaice, v zimě vytápí a celoročně realizuje příjemné vnitřní prostředí. K vysoké až úplné energetické soběstačnosti budovy se pak lze dopracovat s pomocí tzv. pasivních a aktivních prvků.

  • Mezi ty pasivní řadíme tepelnou izolaci budovy, bílé barvy střechy a fasády, tvar budovy a její orientaci vůči světovým stranám a konečně rozmístění a velikost oken a venkovních dveří.
  • Mezi aktivní řadíme tepelná čerpadla a fotovoltaické panely, které lze kombinovat s panelem pro solární ohřev vody.
S fotovoltaikou si domy mohou energii samy vyrábět a stát se soběstačnými. Foto: AHatmaker

Novostavbu, dejme tomu rodinného domu, lze v ČR a v režimu slunečního stavitelství navrhnout a realizovat tak, aby nabídla dostatečný prostor pro fotovoltaiku (na střeše a obálkových konstrukcích) a čerpání (nikoliv výroby) tepla pomocí tepelných čerpadel.

Jde-li o již stojící a starší budovy, i ty často nabízejí prostor pro fotovoltaiku na střechách i fasádách. Fotovoltaiku lze realizovat i na zahradě; z pochopitelných důvodů je toto řešení spíše výjimečné.

Jiným a zároveň důležitým a charakteristickým jmenovatelem energetické soběstačnosti domu, řekněme rodinného, je správný režim jeho užívání. Tím se nemyslí žádné odříkání; jde hlavně o to, že energeticky náročné domácí činnosti (praní, ohřev vody, žehlení a tak podobně) odložíme do doby, kdy je bateriové úložiště s fotovoltaickou elektřinou plné a kdy ideálně svítí i Slunce.

Závěr

Investor, zejména ten „drobný“, který buduje energetiku opřenou o bezplatnou sluneční zářivou energii, se má na co těšit. Jeho vlastní fotovoltaika na domě, kde žije, ho rychle nadchne. A snad ještě víc bude nadšena jeho rodina. Získaná hodnota – částečná nebo až úplná energetická svoboda při provozu rodinného domu – má ve většině případů vyšší hodnotu, než je její pořizovací cena.

Fakt, že účtenky za elektřinu se budou týkat jen třetiny roku, možná ani to ne, změní chování a postoj rodiny tak, že si v dalším kroku vybuduje možná až úplnou energetickou svobodu. ... a pak se Vám možná stane, že zrána potkáte souseda, který si Vás po otázce „jak se mu líbil včerejší film v televizi“ pozorně prohlídne a řekne: „Ty jó, co blbneš, vždyť včera celej den nešel proud!“ A Vám dojde, co opravdu máte...

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Shutterstock