Energetická náročnosť budov je dnes založená na meraní rozdielu medzi vnútornou teplotou vzduchu (20 °C) a vonkajšou teplotou vzduchu, ktorý sa násobí súčiniteľom prestupu tepla U a (teplozmennou) plochou obálky budovy. Teplota vonkajšieho vzduchu tak - až na nevýznamnú diferenciu - definuje teplotu všetkých vonkajších plôch domu (strechy, stien a okien), z ktorých skrz ich súčiniteľov prestupu tepla U určíme okamžitú stratu tepla domu. Keď tieto merania vykonávame každú hodinu a po celý rok, dostaneme sa k celoročnej strate tepla prestupom pre daný dom.
Prestup tepla
Majme rodinný dom štvorcového pôdorysu 10 x 10 metrov s plochou strechou vo výške 4 m a stenami orientovanými k východu, juhu, západu a severu. Ak najvyšší priemerný súčiniteľ prestupu tepla dnešných novostavieb nesmie prekročiť medzu Uem = 0,5 W/(m2.K), potom dom s týmto súčiniteľom pri ploche obálky (obvodové steny a strecha) 260 m2 spotrebuje k vykurovaniu na teplotu 20 °C energiu o veľkosti 11,802 MWh tepla za rok. Z finančného hľadiska to znamená, že pri priemernej cene elektriny (celková cena za elektrinu -elektrina, variabilná zložka, straty, systémové služby a pod.) 0,20 Eur za 1 kWh elektriny (cena ku koncu septembra 2022) to robí takmer 7000 Eur/rok (viď Tab. 1).
Slnečné žiarenie
Lenže na energetickej bilancii domu sa podieľa aj slnečné žiarenie, ktoré má v pozemských podmienkach počas jasnej oblohy intenzitu až 1100 W/m² pri kolmom dopade na oslnenú plochu. Tab. 2 ukazuje skutočné, teda v hodinových intervaloch merané množstvo energie slnečného žiarenia, ktoré dopadá na vonkajšie nadzemné plochy domu. Hodinové údaje sme pre názornosť združili do štvrťročných období v podaní tab. 2.
Aplikujme čísla z tab. 2 na spomenutý dom a zamerajme sa len na zdieľanie tepla nadzemnými obálkovými konštrukciami (vodorovná strecha bez okien a štyri steny s oknami o ploche 14 m², z toho 2 x 4 m² s orientáciou na juh a západ a 2 x 3 m² s orientáciou na sever a východ). So zdieľaním tepla medzi podlahou a zemou neuvažujeme.
Čo sa týka okien, zhruba polovica slnečného žiarenia (až 500 W/m² pri kolmom oslnení), ktoré na nich dopadne, prejde priamo do interiéru a ohrieva ho. Asi desatina (až cca 100 W/m²) sa od okna odrazí späť do vonkajšieho ovzdušia. Zvyšok absorbujú sklenené tabule a rámy okna, ktoré sa tým významne ohrejú. Slnkom ohriate vonkajšie sklo zníži tepelnú stratu okna alebo ju zmení na zisk! Slnkom ohriate vnútorné zasklenie okna potom sálavo ohrieva interiér. Oslnené okná - za nezáujmu stavebného inžinierstva - až podstatne zmenia energetiku domu.
Poznámka: Priame slnečné žiarenie ohrieva nielen okenné sklá a rámy domu, ale aj jeho nepriesvitné strešné a fasádne plochy. Dvojnásobne to platí pre čierne strechy a fasády. Tie sa na letnom slnku ohrejú až k 80 °C a zimnom nad 40 °C. To ale podstatne mení úradnú teplovzdušnú výpočtovú okrajovú podmienku, ktorá preháňa zimné tepelné straty domu a nevidí silné a nepríjemné letné tepelné zisky domu.
Výsledky slnečného pôsobenia v reálnych podmienkach Referenčného klimatického roku zhŕňajú tab. 3 a tab. 4:
Tab. 4 popisuje hlavné energetické vplyvy na dom. Zatiaľ, čo jeho celoročná strata tepla prestupom je 11,8 MWh, celoročný slnečný impakt na rovnaký dom predstavuje lavínu energie o veľkosti 221,6 MWh, čo je skoro 19x viac (!). A v najstudenejšom kvartály v roku (december,január,február) je slnečný impakt energie na vonkajšie plochy tohto domu viac než 3x väčšiu (16 534÷5 335)! Práca so slnkom – a teda bez tzv. „uhlíkovej stopy“ – tak rieši aj fikciu o globálnom otepľovaní, z ktorého sú obžalovaní hlavne občania a ich obydlia.
Základy slnečného staviteľstva
Už vieme, že energia slnečného žiarenia, ktoré v našom podnebnom pásme dopadá na budovu, prevyšuje jej potrebu tepla na vykurovanie a to dokonca aj v zime (december, január, február). Ponúkajú sa tak tri otázky:
1. Aká je skutočná celoročná energetická náročnosť budovy?
2. Ako pracovať so Slnkom a docieliť až plnej energetickej slobody budovy?
3. Ako predísť letnému prehrievaniu budov?
Slnečný dom čerpá trvalo a tam, kde stojí, energiu slnečného žiarenia. To je bežné, avšak slnečný dom je cielene navrhnutý, umiestnený a orientovaný tak, že sa ideálne zaobíde aj bez systémového vykurovania. A obstojí aj pred lavínou letného tepla a bez systémového chladenia.
1) Farby
Teplovzdušná stavebná fyzika systémovo ignoruje farby vonkajších povrchov domu (strechy a fasády). Presnejšie povedané volí nielen pre strechu, ale aj pre fasádu domu často tmavé až čierne farby. A ako to funguje?
Leto:
• Tmavé vonkajšie povrchy domu absorbujú tepelné žiarenie zemského pôvodu a hlavne potom slnečné žiarenie, čím ich povrchová teplota vystúpa až k 80 °C. Táto teplota ale podstatne prevyšuje teplotu vonkajšieho vzduchu, ktorá sa dosadzuje do výpočtov!
• Tvrdenie, že teplo od slnkom rozpálenej strešnej krytiny odvetrá vzduchová medzera pod krytinou, je nepodložené a mylné. A to už len preto, že sálanie (tj. tepelné žiarenie, ktoré vysiela rozpálená krytina) nie je možné odvetrávať ako horúci vzduch!
• Fasády väčšinou vzduchovú medzeru neobsahujú . Avšak keď sú tmavé až čierne, na priamom slnku sa zahrejú až na 80 °C, čo opäť mení teplovzdušnú okrajovú podmienku a nutne sa podpisuje na prehrievaní interiéru.
Zima:
Tmavé a neoslnené vonkajšie povrchy domu (strechy aj fasády ) intenzívne vyžarujú teplo do vonkajšieho prostredia, čím sa významne ochladzujú pod teplotu vonkajšieho vzduchu. To sa ešte zvýrazní v noci, kedy namiesto slnka pôsobí ľadový Vesmír schovaný za atmosférou, ktorej sálavá teplota je až desiatky °C pod teplotou vzduchu.
Na strechách túto nepriaznivú situáciu z časti rieši biela (= tepelne nesálavá) snehová pokrývka, ktorá nevyžaruje tepelné žiarenie, teda neprechladá pod teplotu vzduchu. Počas jasného dňa biela snehová pokrývka strechy naopak odráža slnečné lúče, ktoré potom nemôžu prispieť ako tepelný zisk domu.
Zhrnutie
Z tepelno-energetického pohľadu je v našom podnebnom pásme a celoročne ideálnou farbou strechy a fasády žiarivo biela farba minimalizujúca straty a zisky tepla sálaním až k nule. Biele strešné a fasádne plochy sa na slnku neohrievajú. Týmto riešením minimalizujeme sálavú tepelnú stratu domu v porovnaní s inými farebnými riešeniami toho istého domu.
2) Tienenie
Dnešné domy – novostavby aj staršie domy – by mali byť vybavené tieniacou technikou, ktorá v lete bráni vstupu priameho slnečného žiarenia do interiéru. Farba tieniacej techniky by mala byť svetlá až biela, aby slnko neohrievalo tieniace prvky, ktoré by potom sálali teplo až do interiéru.
3) Fotovoltika a tepelné čerpadlo
Dnešné domy nemusia energiu len spotrebovávať. Môžu ju tiež vyrábať a to ideálne v takej miere, že po väčšinu roka a v režime normálnej prevádzky budú sebestačné, alebo sa dokonca úplne zaobídu bez verejnej elektrickej prípojky.
Poznámka: Keď premeníme slnečné žiarenie za pomoci kvalitnej fotovoltaiky na elektrinu, stane sa najmä letné chladenie a ohrev vody hračkou, obzvlášť za pomoci tepelného čerpadla.
Fotovoltika v lete aj v zime: správne prevedená vykurovaco-chladiaca sústava, založená na tepelnom čerpadle a fotovoltike, v zime vykuruje a celoročne realizuje príjemné vnútorné prostredie. K vysokej až úplnej energetickej sebestačnosti budovy sa potom dá dopracovať s pomocou tzv. pasívnych a aktívnych prvkov.
• Medzi tie pasívne radíme tepelnú izoláciu budovy, tvar budovy a jej orientáciu voči svetovým stranám a takisto aj rozmiestnenie a veľkosť okien a vonkajších dverí.
• Medzi aktívne radíme tepelné čerpadlá a fotovoltické panely, ktoré je možné kombinovať s panelom pre solárny ohrev vody.
Novostavbu, dajme tomu rodinného domu, je možné v režime slnečného staviteľstva navrhnúť a realizovať tak, aby ponúkla dostatočný priestor pre fotovoltiku (na streche a obálkových konštrukciách) a čerpanie (nie výrobu) tepla pomocou tepelných čerpadiel.
Ak ide o už stojace a staršie budovy, aj tie často ponúkajú priestor pre fotovoltiku na strechách aj fasádach. Fotovoltiku je možné realizovať aj na záhrade; z pochopiteľných dôvodov je toto riešenie však skôr výnimočné.
Iným a zároveň dôležitým a charakteristickým menovateľom energetickej sebestačnosti domu, povedzme rodinného, je správny režim jeho používania. Tým sa nemyslí žiadne odriekanie; ide hlavne o to, že energeticky náročné domáce činnosti (pranie, ohrev vody, žehlenie a tak podobne) odložíme do doby, kedy je batériové úložisko s fotovoltickou elektrinou plné a kedy ideálne svieti aj Slnko.
Záver
Investor, hlavne ten „drobný“, ktorý buduje energetiku opretú o bezplatnú slnečnú žiarivú energiu, sa má na čo tešiť. Jeho vlastná fotovoltika na dome, kde žije, ho rýchlo nadchne. A snáď ešte viac bude nadšená jeho rodina. Získaná hodnota – čiastočná alebo až úplná energetická sloboda pri prevádzke rodinného domu – má vo väčšine prípadoch vyššiu hodnotu, než je jej obstarávacia cena.
Skutočnosť, že účty za elektrinu sa budú týkať len tretiny roku, možná ani to nie, zmení jej správanie a postoj tak, že si v ďalšom kroku vybuduje možno až úplnú energetickú slobodu. ...a potom sa Vám možno stane, že hneď ráno stretnete suseda, ktorý si Vás po otázke „ako sa mu páčil včerajší film v televízii“ pozorne prezrie a povie: Teda čo blázniš, veď včera nešla celý deň elektrina!“ A Vám potom dôjde, čo máte...
Čítajte tiež:
