Základy rodinného domu, který si sám vyrábí energii

Ve volném pokračování článku Hrubá stavba a solární energetika pro rodinný dům z dubna 2022 se zaměřme na dům s „téměř nulovou spotřebou energie“, respektive na koncept domu, který pro svůj provoz energii sám vyrábí. A to nejlépe tak, že se obejde bez elektřiny, plynu, uhlí a jiných kupovaných zdrojů energie.

Dne 11. května 2022 za celodenního jasného počasí v čase 15 hod. 30 min. ukazoval venkovní teploměr teplotu vzduchu 30 °C ve stínu. Na venkovní straně jihozápadně orientované obvodové stěny domu, v němž sídlí naše redakce, pak byly ve stejný čas naměřeny tyto povrchové teploty:

tmavý sokl domu 76 °C

stěna v bronzové barvě (CA RAL 2000) 56 °C

světlá stěna krémová (CA RAL 9001) 47 °C

Nicméně "odborník" přes stavební energetiku dosadí do výpočtů ve všech případech povrchovou teplotu 30 °C, čili teplotu venkovního vzduchu. Vzhledem k tomu, že osluněné plochy se nejvíce ohřejí při kolmém dopadu slunečního záření, zatímco se v uvedeném příkladu slunce "opíralo" do obvodové stěny pod úhlem jen nějakých 75°; musíme počítat s tím, že při kolmém oslunění stoupne venkovní povrchová teplota ještě výš.

Buďme konkrétní. Při průměrné celodenní venkovní teplotě vzduchu 20 °C a požadované vnitřní teplotě také 20 °C je celodenní energetická bilance celého domu na (oficiální) úrovni 0 kWh/den. Když ale zohledníme sluncem rozpálené fasádní a střešní povrchy domu, jsme konfrontováni s čísly, z nichž se tají dech:

Tabulka 1 říká, že na popisovaný dům v uvedený den (11. května) za celodenního jasného počasí dopadne sluneční záření o celkové energii necelých 1,871 MWh energie. Vyjádřeno v penězích (ČEZ vysoký tarif ke dni 16. května 2022) jde o částku 9 746 Kč/den. Jde doslova o lavinu energie! A i když tato lavina neskončí rovnou v interiéru, vydatně mění venkovní okrajové podmínky z 20 °C (teplota vzduchu). V našem případě to byly teploty (76, 56 a 47 °C), které v žádném případě neodpovídají teplotě venkovního vzduchu 20 °C.

Jinými slovy: oficiální energetika domů, která pracuje s teplotami vnitřního a venkovního vzduchu, nepopisuje skutečnost. Nepopisuje ji takřka nikdy. V zimě předpovídá vyšší tepelnou ztrátu domu, než jaká fakticky je, a v létě nevidí (a proto ignoruje) přehřívání interiéru budov.

Téma: Rodinné domy

Sluneční energetika z vesmírného nadhledu

S jakou sluneční energií vlastně pracuje naše planeta? Uvažujeme-li, že v místech oběžné dráhy Země je intenzita slunečného záření 1 100 W/m², je při poloměru Země 6 371 km přímý impakt slunečního záření, které dopadá na zemský terč, celkem 3 366 426 515 GWh za jeden den. Za měsíc je to v průměru 102 675 978 195 GWh a celoloročně pak 1 228 745 312 831 GWh.

Na stránkách [1] píše autor, vystupující jako ks, že "svět vyrobí a spotřebuje (podle Mezinárodní energetické agentury IEA) za jeden rok 5 700 exajoulů energie všeho možného původu (od pálení uhlí přes jádro až po větrníky)", což je v přepočtu 1 583 334 600 GWh/rok. Z toho vyplývá že Slunce dodává na naší planetu asi 770× více energie, než lidstvo za stejný čas vyrobí a spotřebuje.

Poučení?: Moudří lidé se sluneční energií pracují, hloupí o ní jen blouzní.

Planetární teplota

Současná průměrná zemská planetární teplota je výslednicí energie slunečního záření, které dopadá na zemský terč, od něhož odečteme energii slunečního záření,

A) které se od Země a její atmosféry odrazí zpět do vesmíru

B) a které Země ohřátá Sluncem (včetně atmosféry) vyzařuje jako neviditelné tepelné záření do vesmíru.

Pálení uhlí přispívá k „oteplení” Země jen mizivým příspěvkem necelých cca 1,3 promile. A to přehlížíme, že zvýšení pozemské teploty vyvolá vyšší odpar vody (z pevniny i oceánů), a s tím i vznik mraků, které sníží oslunění Země, a tedy i její průměrnou teplotu. A nejen to: s odpařovanou párou uniká z povrchu planety obrovské množství výparného tepla, což její povrch významně chladí!

Domněnku o globálním oteplování emisemi CO₂ se trvale nedaří vědecky prokázat. V tomto časopise se klimatu věnujeme a bereme ho vážně, pokud se jeho výzkum ubírá cestami vědy. To znamená mimo politiku, která tuto agendu ovládla a dosazuje si vlastní potřebné "výsledky".

Dům jako sběrnice sluneční energie

Ptejme se, jak Slunce ovlivňuje energetiku budov, dejme tomu rodinného domu. Uvažujme přízemní dům o vnitřním čtvercovém půdorysu 12 x 12 metrů s plochou střechou ve výšce 2,7 metru; venkovní rozměry domu nechť jsou 13 x 13 x 3,2 metru. Průměrný součinitel prostupu tepla U celé venkovní obálky budiž dosahuje úrovně normového doporučení 0,7 W/(m²K). Sdílení tepla mezi domem a zemí neuvažujeme.

Téma: sluneční architektura

Referenční klimatický rok

Na tento dům nechme působit venkovní vzduch o reálné okamžité teplotě a sluneční záření o reálné energetické intenzitě tak, jak nabízí referenční klimatický rok pro lokalitu Hradec Králové. Řeč je o databázi teplot vzduchu (ve ^°C) a intenzity přímé a rozptýlené složky slunečního záření (ve W/m²) v hodinových intervalech, jež zahrnuje celý rok od 1. lednové hodiny až po poslední hodinu v prosinci. Z těchto údajů lze v hodinových intervalech určit nejen tepelné ztráty prostupem, ale i energetickou intenzitu oslunění fasádních i střešních ploch domu v lokalitě, kterou referenční klimatický rok reprezentuje.

A jak vypadá energetická bilance tohoto domu v měsíci červnu a prosinci, kdy dochází ke slunovratu?

Červen

Sluneční impakt:
plochá střecha: 141,83 × 13 × 13 kWh = 23,969 MWh
stěna SV: 102,68 × 13 × 3,2 Wh = 4,271 MWh
stěna SZ: 108,52 × 13 × 3,2 Wh = 4,514 MWh
stěna JZ: 136,18 × 13 × 3,2 Wh = 5,665 MWh
stěna JV: 128,63 × 13 × 3,2 Wh = 5,351 MWh

celkem: 43,77 MWh

Prostup tepla
dům celkem:–0,92 × [(13 × 13) + 4 × 13 × 3,2] = –0,161 MWh/měs.

Prosinec

Sluneční impakt:
plochá střecha:11,52 × 13 × 13 Wh = 1,946 MWh
stěna SV:6,46 × 13 × 3,2 Wh = 0,269 MWh
stěna SZ:6,57 × 13 × 3,2 Wh = 0,273 MWh
stěna JZ:9,60 × 13 × 3,2 Wh = 0,399 MWh
stěna JV:10,38 × 13 × 3,2 Wh = 0,431 MWh

celkem: 3,318 MWh

Prostup tepla
dům celkem:–1,229 MWh/měs.

Výsledky lze shrnout takto:

Červen: Za tento měsíc doručí Slunce na venkovní nadzemní plochy domu 43,77 MWh energie, zatímco tepelná ztráta domu činí za stejný měsíc jen –0,161 MWh.

Prosinec: Za tento měsíc doručí Slunce na venkovní nadzemní plochy domu 3,318 MWh energie, zatímco tepelná ztráta domu činí za stejný měsíc –1,229 MWh.

Tato čísla říkají, že Slunce celoročně a speciálně i v prosinci doručí našemu vzorovému domu významně více energie, než dům potřebuje k vytápění. Naším cílem by tak mělo být s pomocí sluneční energie v zimě bezplatně vytápět, v létě ji nevpouštět do interiéru nebo s její pomocí chladit, celoročně ohřívat vodu a ideálně pokrýt během celého roku veškeré ostatní domovní aktivity (dílna, zahradní technika apod.).

Chybná okrajová podmínka

Současná stavební tepelná technika se opírá o pruskou fyziku z Königsbergu, kterou definovaly osobnosti jako Nusselt, Prandtl a další na základě teorie podobnosti. Toto město, dnes nazývané jako Kaliningrad, založil pod jménem Královec český král Přemysl Otakar II. Hlavní problém ale není ve „špatné” fyzice, ale v tom, že stavitelé dosazují do vzorců špatnou okrajovou podmínku. Místo skutečných a naměřených povrchových teplot na fasádě domu (např. 76 ^°C, 56 ^°C a 47 ^°C) dosazují jen teplotu venkovního vzduchu, v našem případě 30 ^°C. A netřeba dokazovat, že černá fasáda, sluncem rozpálená na 76 ^°C, bude zásobovat interiér teplem více než bílé povrchy ohřáté na teplotu vzduchu 30 ^°C.

Sluneční záření - energie pro zimní vytápění i letní chlazení

Následující studie ukazuje, že sluneční záření podstatně snižuje zimní spotřebu energie na vytápění budov a naopak v létě vyvolává přehřívání, před kterým se musíme bránit. Má-li…

Fasádní barvy

Jiným problémem české stavební tepelné techniky je (vedle její neochoty pracovat se slunečním zářením) její „barvoslepost”. Tato slepota neumožňuje čelit intenzivnímu přehřívání osluněných střešních a fasádních povrchů domu vhodnými světlými barvami, které toto záření (většinou difúzně) odrážejí a zůstávají tak relativně chladné.

A) Speciálně bílá a reflexní povrchová řešení střech a fasád vykazují z pohledu tepelných ztrát a zisků v průběhu celoročního provozu budov pozoruhodné vlastnosti. Při dopadu tepelného záření (včetně slunečního) na tento povrch dojde k jeho téměř úplnému odrazu (přímo či difuzně). Jinými slovy, oslnivě bílý nebo reflexní povrch fasády či střechy je dopadajícím zářením téměř neovlivněn, takže si drží teplotu blízkou teplotě vzduchu. Tento režim odpovídá oficiálnímu výpočtu.

B) Tmavá až černá barva fasády či střechy absorbuje až 100 procent dopadajícího tepelného záření (včetně slunečního), v důsledku čehož se tyto konstrukce ohřívají. V našem případě to bylo až k 76 ^°C. Při kolmém dopadu slunečního záření na ideálně černou fasádu se může fasádní povrch ohřát až k 90 ^°C. Takto ohřátý střešní či fasádní povrch představuje zcela jinou okrajovou podmínku, než je teplota venkovního vzduchu.

V případě střechy je (dnes povinná) větraná mezera pod krytinou takřka neúčinná, protože krytina svým sálavým teplem ohřívá pojistnou hydroizolaci a následně i celé střešní souvrství až po interiér. Připomeňme si, že bezpečné řešení je jednoduché a levné: stačí jen bílá střecha a k tomu trocha fyzikální intuice.

Základy domu musejí pamatovat na sluneční energetiku

Rozhodneme-li se vybudovat dům, jenž bude dobře a po celý rok pracovat i se slunečním zářením jako s vydatným energetickým zdrojem, který je ovšem nutné v létě krotit, musíme tomu přizpůsobit už základy domu a jeho hrubou stavbu.

Nový dům musí pracovat se stromy, zejména listnatými: ty si v létě uvnitř své koruny ponechávají příjemný chládek, který mohou vrhat v podobě stínu i na dům. V zimě, když listí opadá, umožní listnatý strom plné a velmi vítané oslunění fasády i oken domu; to se příznivě projeví na energetické bilanci domu.

Dům je vhodné tvarovat a natočit tak, aby ctil nejen úřední požadavky, své sousedy, příjezdové komunikace či výhledy ven, ale také aby umožnil realizaci své vlastní kvalitní energetiky. Tím se dnes už myslí aktivní prvky, zejména fotovoltaické panely (na střeše či fasádě a s možností ostrovního provozu), o něž by měla být dříve či později opřena energetika celého domu.

Okna

Okna budoucího domu musejí umožnit nejen výhledy ven, ale také pracovat s celodenním slunečním zářením. Samozřejmým doplňkem oken jsou dnes venkovní rolety či žaluzie, které ochrání interiér před přebytky slunečního záření.

Téma: Fotovoltaika

Závěr

Článek ukazuje, že primárním médiem v energetice budov není vzduch a jeho teplota, ale sluneční záření o teplotě 5 500 °C, které má v pozemských podmínkách energetickou intenzitu asi 1 000 W/m². Klasická energetika budov, jež se opírá jen o sdílení tepla mezi obálkou domů a venkovním vzduchem, předpovídá nereálně vysokou energetickou potřebu budov v zimě a opomíjí letní přehřívání budov.

Dodejme ještě, že na budovy působí i chladivé tepelné záření jasné oblohy o teplotě až -60 °C, za kterým "stojí" ledový vesmír o teplotě cca -270 °C (3 K). Vesmír podstatně ovlivňuje teploty na Zemi. Jeho vliv je ale setrvalý, takže ho nevnímáme tak, jako proměnlivé sluneční záření, nebo působení teplého nebo chladného vzduchu.

Teplovzdušná tepelná technika se hodí jen pro tradiční jižanské stavby s bílými fasádami a střechami, které odrážejí sluneční záření včetně jeho neviditelné tepelné složky. Ale nehodí se pro tmavé povrchy fasád a střech, které se na slunci a ohřívají až k 80 ^°C. Černé domy snad vykáží nižší, než plánovanou zimní tepelnou ztrátu, ale v létě až nesnesitelné přehřívání interiéru.

Tento letní efekt může být v naší zeměpisné šířce dokonce silnější než v tropech a subtropech. A sice proto, že je u nás delší bílý den: slunce dříve vychází a později zapadá.

Téma: slunce

Zdroje:

[1] https://realisticka.cz/2021/07/13/udaje-o-globalni-spotrebe-energie-v-roce-2020-ukazuji-ze-fosilni-paliva-zcela-dominuji-svetove-spotrebe-energie/