Štát definoval povinnosť riešiť zimnú tepelnú ochranu budov, ale letná energetika išla bokom - a to aj napriek tomu, že chladenie domu počas leta vyžaduje často krát viac energie, než koľko je potrebné na jeho vykurovanie. Pretože elektriny je v lete dosť, ponúka sa „nerudovská“ otázka: "Kam s ňou?" Čo keby sme ju teda využili na pohon klimatizácii, hoci chladia sotva s 30% účinnosťou? Aj tomu sa dá hovoriť "ekológia".
Úvod do problematiky
Aj dobre zateplená strecha, múr alebo špičkové izolačné okná fungujú v lete inak ako v zime. Dom sa v lete ťažko zbavuje tepla: to vniká dovnútra so slnečným žiarením buď priamo oknami, alebo skrz strechu a fasádu domu, ktoré sa na slnku môžu rozpáliť až na 80 ° C! To je teplota asi o 50 ° C vyššia, než aká sa dosadzuje do oficiálneho vzorca, podľa ktorého sa počítajú tepelné straty alebo zisky. Skutočný tepelný zisk sa tak ľahko vyšplhá aj na dvojnásobok oficiálneho výpočtu, kam sa dosadzujú len teploty vzduchu.
Slnko navyše ohrieva tiež plochy okien, aj keď o poznanie menej: vnútorné sklá oslneného okna sa bežne ohrejú na viac ako 40 ° C a v lete sú tak pre interiér ďalším nechceným sálavým zdrojom tepla.
Poznámka 1: Najznámejšia tepelná izolácia, penový polystyrén (EPS), má pri teplote 70 °C súčiniteľ tepelnej vodivosti λ = 0,052 W/(mK), zatiaľ, čo do výpočtov sa dosádza λ = 0,04 W/(mK). Skutočné hodnoty tohto súčiniteľa v závislosti na okrajových teplotách ukazuje Tabuľka 1.
Poznámka 2: Vonkajšie povrchové teploty tmavých až čiernych striech a fasád je možné výdatne znížiť ich svetlým až bielym prevedením.
Poznámka 3: Pokiaľ ide o okná, na priamom slnku sa ohrieva či už vonkajšia, tak vnútorná strana zasklenia, bežne na 40 ° C; vnútorná strana zasklenia býva chladnejšia. Popri tom, že okná prepúšťajú asi 50% energie dopadajúceho slnečného žiarenia rovno dovnútra, je dom neplánovane ohrievaný aj interiérovou plochou okna. Problém najlepšie riešia vonkajšie tieniace predmety - rolety a žalúzie.
Tepelná izolácia v zime a v lete
Uviedli sme, že bežné izolácie izolujú v lete horšie, čo platí hlavne pre izolačné vrstvy pod rozpálenou strechou. Na príklade penového polystyrénu (EPS) to ukazuje Tabuľka 1. Čo sa týka minerálnej vaty (MW), jej izolačné vlastnosti sú ešte horšie. Vata pri teplotných a z nich plynúcich tlakových zmenách "dýcha", tzn. prevetráva sa, čo zníži, oproti EPS, jej izolačnú schopnosť.
Letná tepelná ochrana okna
(1) Kvalitný návrh domu chráni obyvateľov pred intenzívnym slnečným žiarením v lete, ktoré môže ohriať strechu a fasádu domu aj na teplotu presahujúcu 70 °C.
(2) Čo sa týka okien, zhruba polovica energie slnečného žiarenia, ktorá dopadá na okno, prejde rovno dovnútra, kde sa priamo zmení na teplo.
(3) Asi 40 % dopadajúceho slnečného žiarenia pohltí rám okna so zasklením. Výsledkom je zvýšenie povrchovej teploty (či už na vonkajšej-oslnenej, tak na vnútornej strane okna) nad teplotu okolitého vzduchu. Takéto okno predovšetkým sálavo, ale aj prechodom a prúdením tepla ohrieva interiér.
Príklad – zima: Pri vnútornej teplote 20 °C a vonkajšej –10 °C je súčiniteľ tepelnej vodivosti λ izolácie EPS na úrovni 0,033 W/(mK). Pri hrúbke vrstvy 250 mm to znamená súčiniteľ prechodu tepla U = 0,014 W/(m2K) a tepelnú stratu –4,3 W/m2.
Príklad – leto: Pri vnútornej teplote 27 °C a vonkajšej 35 °C je súčiniteľ λ rovnakej izolácie na úrovni 0,042 W/(mK), súčiniteľ U = 0,016 W/(m2K) a tepelný zisk je +1,3 W/m2.
Príklad – rozpálená krytina: Pri vnútornej teplote 27 °C a vonkajšej povrchovej teplote krytiny 70 °C je súčiniteľ λ na úrovni 0,047 W/(mK), U = 0,018 W/(m2K) a tepelný zisk +7,8 W/m2.
Pod rozpálenou letnou strechou je interiér zásobený teplom podstatne viac než tam, kde je strecha v tieni. A predstava, že prúd vzduchu vo vetranej medzere odvedie všetko teplo od rozpálenej krytiny kamsi von, je zlá.
Medzera neobsahuje len teplý vzduch, ale tiež sálavú zložku tepla. Tá je oveľa silnejším nosičom energie ako vzduch. Ak vzduch odvádza teplo z medzery von tak, že je teplota krytiny 70 ° C (čo je až príliš; správne by teplota krytiny mala zodpovedať teplote vzduchu), potom má povrch poistnej hydroizolácie teplotu takmer rovnakú.
Inými slovami: Keby vetraná medzera naozaj vyvetrala všetku slnečnú energiu z medzery von, musela by aj krytina zostať chladná.
Pasívna ochrana pred horúčavou
Dom by mal stáť uprostred vegetácie. Listy stromov bránia letnému slnku v jeho prenikaniu do interiéru, ohrievaniu fasády a strechy domu. Vďaka odparovaniu navyše rastlinstvo udržiava podstatne nižšiu teplotu, ako meriame na oslnenej dlažbe, asfalte alebo pieskovisku. V zime, keď lístie opadá, slnečné lúče prenikajú oknami do interiéru, ohrievajú fasádu a strechu, čo zníži straty tepla.
Farby: Intervenciu letnej horúčavy do rodinného domu alebo inej budovy výdatne posilníme tmavým odtieňom fasády a dizajnovo čiernou strechou. Ak požadujeme aj úžitkové hodnoty domu, mali by sme zvoliť skôr svetlé alebo biele južanské farby fasád a striech.
Tvrdenie, že je to nevkusné, je relatívne. Vkus často vychádza hlavne zo zvykov; z obľúbenej "pruskej" kombinácie čierna-biela teda odporúčame (na základe poznatkov zo stavebnej fyziky), odobrať čiernu a nahradiť ju bielou alebo inou svetlou farbou.
V oblastiach s tropickým podnebím biela farba v architektúre očividne funguje. Svetlé a najmä žiarivo biele vonkajšie povrchy striech a stien výdatne odrážajú slnečné a tepelné žiarenie, čo je najúčinnejším riešením proti prehrievaniu.
Popri tom sú vyvíjané farby, ktoré odrážajú celú tepelnú zložku dopadajúceho slnečného žiarenia a (až na jednu farbu) aj celú jej viditeľnú zložku. Keď napríklad onou farbou, ktorú povrch neodráža, je modrá, naše oko zaznamená žltú. Náter tak odráža asi 80% dopadajúcej slnečnej energie. Tejto problematike sa intenzívne venujú v USA, u nás sa zatiaľ o tom moc nehovorí. V kombinácii s vegetáciou v okolí domu, ktorá udržiava chlad, dokážeme dom v lete účinne ochladzovať.
Trópy na Slovensku: Médiá nás vytrvalo strašia nástupom tropických teplôt. Niečo na tom bude. Tabuľka 2 ukazuje, že denná oslnenosť severného pólu je v lete až 9,48 kWh / (m2 • deň), zatiaľ čo na rovníku len 7,02 kWh / (m2 • deň). Severné a južné točne sú ale špecifické tým, že slnečné žiarenie je tu odrážané snehom a ešte viac oblačnosťou. Pretepľovanie zemských pólov je tak podstatne slabšie ako na rovníku. Obe točne navyše vždy pol roka „driemu“ v tme a počas toho dokonale premrznú.
Architektúra: Komplikovanejšia, ale aj tvorivejšia ako práca s farbami, je architektúra. Tvar domu, orientácia voči svetovým stranám, strešné presahy, rozmiestnenie okien, využitie tieniacich predmetov a pod., To všetko má vplyv na energetickú náročnosť stavby aj vnútornú pobytovú klímu. Častý víťaz architektonických súťaží, tmavá stavba obalená do čierneho plechu bez strešných presahov s oknami v rovine fasády, ktorá osamotene trčí na holom kopci, si hovorí o celoročné problémy.
Pasívna ochrana pred chladom
Biele a svetlé povrchy neslúžia len v lete, keď bránia prehrievaniu, ale dobre poslúžia aj v zime, keď chránia dom pred premŕzaním. Vďaka svojej nízkej emisivite (sálavosti) totiž vyžarujú len časť žiarivého tepla v porovnaní s čiernymi a tmavými povrchmi v rovnakej povrchovej teplote.
Táto fyzika viedla k tomu, že tiež arktické či subarktické stavby (napríklad na Aljaške alebo Špicbergoch, ktorých sa týka obrazová dokumentácia v tomto článku) sa svojou farebnosťou nápadne podobajú trópom. Vecne ide o to, že svetlé povrchy sa podstatne menej zbavujú tepla než tie tmavé.
Farby v zime: Biele a svetlé farby vonkajších povrchov budov skvele slúžia aj v zime. Majú totiž v porovnaní s tmavými farbami nižšou emisivitu (ε <<<< 1), takže v zime toľko nesálajú teplo z domu do okolia. Bielu farbu tak môžeme smelo nazvať sálavou tepelnou izoláciou. Tento fakt niekedy nechápu ani "odborníci", ktorí navrhujú čierne strechy aj fasády. Príroda si s tým ale vie poradiť a aj čierny povrch, ktorý vychladne pod bod mrazu, obalí bielou námrazou...
Aktívna tepelná ochrana
Dostali sme sa k vonkajšej tieniacej technike, najmä na strešných oknách, ktoré sú v lete vystavené najvyššiemu celodennému pôsobeniu priameho slnka. Nasledujúce tabuľky ukazujú, o aké výkony ide:
Tabuľka 3a ukazuje celodenný impakt slnečného žiarenia v kWh / (m2 • deň), ktoré počas prvého letného dňa (21/6) a za jasného počasia dopadá na vodorovnú, zvislú a šikmé plochy domu. To sa týka nielen strechy a fasády, ale aj okenných plôch. Tabuľka 3b ukazuje rovnaké veličiny, ale vzťahujúce sa k prvému dňu zimného slnovratu (21/12) za jasného počasia.
Za jasného počasia ide aj v zime o stovky kWh celodennej slnečnej energie, ktorá dopadá na dom; v lete môže žiarivý impakt presiahnuť aj MWh (v cene elektriny ≈ cca 200 Eur / deň)! Reč je pritom o bežných rodinných domoch. Čo sa s dopadajúcou slnečnou energiou stane, nie je len vecou tepelnej izolácie, ale - a často hlavne - aj farieb, tienenia, architektúry a rastlinstva.
Poznámka
Skutočnosť, že sme sa v tomto článku zaoberali hlavne jasnou oblohou, má dôvod ten, že sme popisovali predovšetkým teplotné extrémy a cesty, akým spôsobom im čeliť. A tie sú vždy spájané s jasnou letnou, zimnou a tiež dennou a nočnou oblohou.
Záver
Energetickú náročnosť a pobytovú pohodu či nepohodu domu neformulujú len teploty vzduchu a hrúbka tepelnej izolácie v streche, fasáde a podlahe.
(1) Veľký vplyv majú silné vonkajšie žiarivé deje (slnečné žiarenie, chladné žiarenie oblohy), ktoré prenikajú oknami dovnútra alebo ohrievajú / ochladzujú povrchy domov (strecha, fasáda, okná) výrazne inak, než ako ukazuje teplota vzduchu.
(2) Biele a svetlé farby fasád, striech a tieniacich zostáv dokážu aj veľmi silné žiarivé deje odtieniť takmer až k nule; len s nimi sa definície domu blížia podmienkam úradnej stavebnej fyziky, ktorá pozná len teploty vzduchu.
(3) Biele a svetlé farby vonkajších plôch (plášťa budovy) sa dobre uplatnia aj v zime, pretože sálajú do okolia len zlomok tepla, než keby boli čierne. Svetlé farby priamo chránia pred prechladnutím.
Súvisiace články:
Ako riešiť vlnu horúčav v mestách? Dôvod pre výber bielej strechy - šetrenie peňazí,chladnejšie leto
Biela architektúra budov - účinné riešenie letného prehrievania
