vyhľadávanie
Dnes je 27.1.

Základy rodinného domu, ktorý si sám vyrába energiu

Zverejnené: 12. 7. 2022

Vo voľnom pokračovaní článku Hrubá stavba a solárna energetika pre rodinný dom z apríla 2022 sa zamerajme na dom s „takmer nulovou spotrebou energie“, respektíve na koncept domu, ktorý pre svoju prevádzku sám vyrába energiu. A to najlepšie tak, že sa zaobíde bez elektriny, plynu, uhlia a iných kupovaných zdrojov energie.

V ideálnom prípade sa energetika celého domu opiera o tepelnú izoláciu, svetlé farby vonkajších povrchov strechy a fasády, tieniace predmety, solárny ohrev vody a fotovoltickú výrobu elektriny. Foto: KB_3, shutterstock.

Dňa 11. mája 2022 počas celodenného jasného počasia v čase 15 hod. 30 min. ukazoval vonkajší teplomer teplotu vzduchu 30 ° C v tieni (meranie bolo realizované v Hradci Královom, ČR). Na vonkajšej strane juhozápadne orientovanej obvodovej steny domu, v ktorom sídlia naše redakcie, potom boli v rovnakom čase namerané tieto povrchové teploty:

  • tmavý sokel domu 76 °C
  • stena v bronzovej farbe (CA RAL 2000) 56 °C
  • svetlá stena krémová (CA RAL 9001) 47 °C

Avšak "odborník" cez stavebnú energetiku dosadí do výpočtov vo všetkých prípadoch povrchovú teplotu 30 ° C, čiže teplotu vonkajšieho vzduchu. Vzhľadom na to, že oslnené plochy sa najviac ohrejú pri kolmom dopade slnečného žiarenia, zatiaľ čo sa v uvedenom príklade slnko "opieralo" do obvodovej steny pod uhlom len nejakých 75°; musíme počítať s tým, že pri kolmom oslnení stúpne vonkajšia povrchová teplota ešte vyššie.

Buďme konkrétni. Pri priemernej celodennej vonkajšej teplote vzduchu 20 °C a požadovanej vnútornej teplote 20 °C je celodenná energetická bilancia celého domu na (oficiálnej) úrovni 0 kWh/deň. Keď ale zohľadníme slnkom rozpálené fasádne a strešné povrchy domu, sme konfrontovaní s číslami, z ktorých sa tají dych:

Slnko celoročne doručí nášmu vzorovému domu významne viac energie, než potrebuje k vykurovaniu. Naším cieľom by tak malo byť s pomocou slnečnej energie bezplatne  vykurovať a s jej pomocou chladiť aj celoročne ohrievať vodu. Foto: DenisProduction.com
Slnko celoročne doručí nášmu vzorovému domu významne viac energie, než potrebuje k vykurovaniu. Naším cieľom by tak malo byť s pomocou slnečnej energie bezplatne vykurovať a s jej pomocou chladiť aj celoročne ohrievať vodu. Foto: DenisProduction.com

Tabuľka 1 hovorí, že na popisovaný dom v uvedený deň (11. mája) počas celodenného jasného počasia dopadne slnečné žiarenie o celkovej energii necelých 1,871 MWh energie. Ide doslova o lavínu energie! A aj keď táto lavína neskončí rovno v interiéri, výdatne mení vonkajšie okrajové podmienky z 20 ° C (teplota vzduchu). V našom prípade to boli teploty (76, 56 a 47 °C), ktoré v žiadnom prípade nezodpovedajú teplote vonkajšieho vzduchu 20 °C.

Inými slovami: oficiálna energetika domov, ktorá pracuje s teplotami vnútorného a vonkajšieho vzduchu, nepopisuje skutočnosť. Nepopisuje ju takmer nikdy. V zime predpovedá vyššiu tepelnú stratu domu, než aká fakticky je a v lete nevidí (a preto ignoruje) prehrievanie interiéru budov.

V južných krajinách, napríklad v Portugalsku, sú si vedomí výhod bielych fasádnych povrchov, od ktorých sa slnečné žiarenie odráža a konštrukcie domu tak sú jeho tepelnou zložkou takmer neovplyvnené. Foto: Maksym Ketsmur
V južných krajinách, napríklad v Portugalsku, sú si vedomí výhod bielych fasádnych povrchov, od ktorých sa slnečné žiarenie odráža a konštrukcie domu tak sú jeho tepelnou zložkou takmer neovplyvnené. Foto: Maksym Ketsmur

Slnečná energetika z vesmírneho nadhľadu

S akou slnečnou energiou vlastne pracuje naša planéta? Ak uvažujeme, že v miestach obežnej dráhy Zeme je intenzita slnečného žiarenia 1 100 W/m², je pri polomere Zeme 6 371 km priamy impakt slnečného žiarenia, ktoré dopadá na zemský terč, celkom 3 366 426 515 GWh za jeden deň. Za mesiac je to v priemere 102 675 978 195 GWh a celoročne potom 1 228 745 312 831 GWh.

Na stránkach [1] píše autor, vystupujúci ako ks, že "svet vyrobí a spotrebuje (podľa Medzinárodnej energetickej agentúry IEA) za jeden rok 5 700 exajoulov energie všetkého možného pôvodu (od pálenia uhlia cez jadro až po veterné elektrárne)", čo je v prepočte 1 583 334 600 GWh/rok. Z toho vyplýva, že Slnko dodáva na našu planétu asi 770× viac energie, než ľudstvo za rovnaký čas vyrobí a spotrebuje.

Poučenie?: Múdri ľudia so slnečnou energiou pracujú, hlúpi o nej len blúznia.

Listnaté stromy tienia dom v lete, zatiaľ, čo v zime keď  lístie opadá, umožnia vítané oslnenie fasády aj okien domu. Foto: onzon
Listnaté stromy tienia dom v lete, zatiaľ, čo v zime keď lístie opadá, umožnia vítané oslnenie fasády aj okien domu. Foto: onzon

Planetárna teplota

Súčasná priemerná zemská planetárna teplota je výslednicou energie slnečného žiarenia, ktoré dopadá na zemský terč, od ktorého odpočítame energiu slnečného žiarenia,

A) ktoré sa od Zeme a jej atmosféry odrazí späť do vesmíru

B) a ktoré Zem ohriata Slnkom (vrátane atmosféry) vyžaruje ako neviditeľné tepelné žiarenie do vesmíru.

Pálenie uhlia prispieva k „otepleniu” Zeme len mizivým príspevkom necelých cca 1,3 promile. A to prehliadame, že zvýšenie pozemskej teploty vyvolá vyšší odpar vody (z pevniny aj oceánov) a s tým aj vznik mrakov, ktoré znížia oslnenie Zeme, a teda aj jej priemernú teplotu. A nielen to: s odparovanou parou uniká z povrchu planéty obrovské množstvo výparného tepla, čo jej povrch významne chladí!

Domnienku o globálnom otepľovaní emisiami CO2 sa trvalo nedarí vedecky preukázať. V tomto časopise sa klíme venujeme a berieme ju vážne, pokiaľ sa jej výskum uberá cestami vedy. To znamená mimo politiku, ktorá túto agendu ovládla a dosadzuje si vlastné „potrebné“ výsledky.

Dom ako zberné miesto slnečnej energie

Pýtajme sa, ako Slnko ovplyvňuje energetiku budov, dajme tomu rodinného domu. Uvažujme o prízemnom dome s vnútorným štvorcovým pôdorysom 12 x 12 metrov s plochou strechou vo výške 2,7 metra; vonkajšie rozmery domu sú 13 x 13 x 3,2 metra. Priemerný súčiniteľ prestupu tepla U celej vonkajšej obálky dosahuje úrovne normového odporúčania 0,7 W/(m2K). O zdieľaní tepla medzi domom a zemou neuvažujeme.

Ak sa rozhodnete vybudovať dom, ktorý bude dobre pracovať so slnečným žiarením, musíte tomu prispôsobiť už základy domu a jeho hrubú stavbu. Foto: Ken Schulze
Ak sa rozhodnete vybudovať dom, ktorý bude dobre pracovať so slnečným žiarením, musíte tomu prispôsobiť už základy domu a jeho hrubú stavbu. Foto: Ken Schulze

Referenčný klimatický rok

Na tento dom nechajme pôsobiť vonkajší vzduch o reálnej okamžitej teplote a slnečné žiarenie o reálnej energetickej intenzite tak, ako ponúka referenčný klimatický rok pre lokalitu Hradec Králové. Reč je o databáze teplôt vzduchu (v °C) a intenzity priamej a rozptýlenej zložky slnečného žiarenia (v W/m2) v hodinových intervaloch, zahŕňa celý rok od 1. januárovej hodiny až po poslednú hodinu v decembri. Z týchto údajov je možné v hodinových intervaloch určiť nielen tepelné straty prestupom, ale aj energetickú intenzitu oslnenia fasádnych aj strešných plôch domu v lokalite, ktorú referenčný klimatický rok reprezentuje.

A ako vyzerá energetická bilancia tohto domu v mesiacoch jún a december, kedy dochádza k slnovratu?

Jún

Slnečný impakt:

plochá strecha: 141,83 × 13 × 13 kWh = 23,969 MWh
stena SV: 102,68 × 13 × 3,2 Wh = 4,271 MWh
stena SZ: 108,52 × 13 × 3,2 Wh = 4,514 MWh
stena JZ: 136,18 × 13 × 3,2 Wh = 5,665 MWh
stena JV: 128,63 × 13 × 3,2 Wh = 5,351 MWh
celkom: 43,77 MWh

Prestup tepla

dom celkom:–0,92 × [(13 × 13) + 4 × 13 × 3,2] = –0,161 MWh/mes.

December

Slnečný impakt:

plochá strecha:11,52 × 13 × 13 Wh = 1,946 MWh
stena SV:6,46 × 13 × 3,2 Wh = 0,269 MWh
stena SZ:6,57 × 13 × 3,2 Wh = 0,273 MWh
stena JZ:9,60 × 13 × 3,2 Wh = 0,399 MWh
stena JV:10,38 × 13 × 3,2 Wh = 0,431 MWh
celkom: 3,318 MWh

Prestup tepla

dom celkom:–1,229 MWh/mes.

Výsledky je možné zhrnúť takto:

Jún: Za tento mesiac doručí Slnko na vonkajšie nadzemné plochy domu 43,77 MWh energie, zatiaľ, čo tepelná strata domu je za rovnaký mesiac len –0,161 MWh.

December: Za tento mesiac doručí Slnko na vonkajšie nadzemné plochy domu 3,318 MWh energie, zatiaľ čo tepelná strata domu je za rovnaký mesiac –1,229 MWh.

Tieto čísla hovoria, že Slnko celoročne a špeciálne aj v decembri doručí nášmu vzorovému domu významne viac energie, než dom potrebuje na vykurovanie. Naším cieľom by tak malo byť s pomocou slnečnej energie v zime bezplatne vykurovať, v lete ju nevpúšťať do interiéru alebo s jej pomocou chladiť, celoročne ohrievať vodu a ideálne pokryť počas celého roka všetky ostatné domové aktivity (dielňa, záhradná technika a pod.).

Ak sa rozhodnete vybudovať dom, ktorý bude dobre pracovať so slnečným žiarením, musíte tomu prispôsobiť už základy domu a jeho hrubú stavbu. Foto: Ken Schulze
Ak sa rozhodnete vybudovať dom, ktorý bude dobre pracovať so slnečným žiarením, musíte tomu prispôsobiť už základy domu a jeho hrubú stavbu. Foto: Ken Schulze

Chybná okrajová podmienka

Súčasná stavebná tepelná technika sa opiera o pruskú fyziku z Königsbergu, ktorú definovali osobnosti ako Nusselt, Prandtl a ďalšie na základe teórie podobnosti. Toto mesto, dnes nazývané ako Kaliningrad, založil pod menom Královec český kráľ Přemysl Otakar II. Hlavný problém ale nie je v „zlej” fyzike, ale v tom, že stavitelia dosadzujú do vzorcov zlú okrajovú podmienku. Miesto skutočných a nameraných povrchových teplôt na fasáde domu (napr. 76 °C, 56 °C a 47 °C) dosádzajú len teplotu vonkajšieho vzduchu, v našom prípade 30 °C. A nie je potrebné ani dokazovať, že čierna fasáda, slnkom rozpálená na 76 °C, bude zásobovať interiér teplom viac než biele povrchy ohriate na teplotu vzduchu 30 °C.

Fasádne farby

Iným problémom či už slovenskej, tak aj českej stavebnej tepelnej techniky je (popri jej neochote pracovať so slnečným žiarením) jej „farbosleposť”. Táto slepota neumožňuje čeliť intenzívnemu prehrievaniu oslnených strešných a fasádnych povrchov domu vhodnými svetlými farbami, ktoré toto žiarenie (väčšinou difúzne) odrážajú a zostávajú tak relatívne chladné.

A) Špeciálne biele a reflexné povrchové riešenia striech a fasád vykazujú z pohľadu tepelných strát a ziskov počas celoročnej prevádzky budov pozoruhodné vlastnosti. Pri dopade tepelného žiarenia (vrátane slnečného) na tento povrch dôjde k jeho takmer úplnému odrazu (priamo alebo difúzne). Inými slovami, oslnivo biely alebo reflexný povrch fasády či strechy je dopadajúcim žiarením takmer neovplyvnený, takže si drží teplotu blízku teplote vzduchu. Tento režim zodpovedá oficiálnemu výpočtu.

B) Tmavá až čierna farba fasády či strechy absorbuje až 100 percent dopadajúceho tepelného žiarenia (vrátane slnečného), v dôsledku čoho sa tieto konštrukcie ohrievajú. V našom prípade to bolo až k 76 °C. Pri kolmom dopade slnečného žiarenia na ideálne čiernu fasádu sa môže fasádny povrch ohriať až na 90 °C. Takto ohriaty strešný či fasádny povrch predstavuje celkom inú okrajovú podmienku, než je teplota vonkajšieho vzduchu.

V prípade strechy je (dnes povinná) vetraná medzera pod krytinou takmer neúčinná, pretože krytina svojim sálavým teplom ohrieva poistnú hydroizoláciu a následne aj celé strešné súvrstvie až po interiér. Pripomeňme si, že bezpečné riešenie je jednoduché a lacné: stačí len biela strecha ak tomu trocha fyzikálnej intuície.

Základy domu musia dbať na slnečnú energetiku

Ak sa rozhodneme vybudovať dom, ktorý bude po celý rok dobre pracovať so slnečným žiarením ako s výdatným energetickým zdrojom, ktorý je však dôležité v lete krotiť, musíme tomu prispôsobiť už základy domu a jeho hrubú stavbu.

Nový dom musí pracovať so stromami, najmä listnatými: tie si v lete vo vnútri svojej koruny ponechávajú príjemný chládok, ktorý môžu vrhať v podobe tieňa aj na dom. V zime, keď lístie opadá, umožní listnatý strom plné a veľmi vítané oslnenie fasády aj okien domu; to sa priaznivo prejaví na energetickej bilancii domu. Dom je vhodné tvarovať a natočiť tak, aby ctil nielen úradné požiadavky, svojich susedov, príjazdové komunikácie či výhľady von, ale aj aby umožnil realizáciu svojej vlastnej kvalitnej energetiky. Tým sa dnes už myslia aktívne prvky, najmä fotovoltické panely (na streche či fasáde a s možnosťou ostrovnej prevádzky), o ktoré by mala byť skôr či neskôr opretá energetika celého domu.

Okná

Okná budúceho domu musia umožniť nielen výhľady von, ale tiež pracovať s celodenným slnečným žiarením. Samozrejmým doplnkom sú dnes vonkajšie rolety či žalúzie, ktoré chránia interiér pred prebytkami slnečného žiarenia.

Záver

Článok ukazuje, že primárnym médiom v energetike budov nie je vzduch a jeho teplota, ale slnečné žiarenie v teplote 5 500 °C, ktoré má v pozemských podmienkach energetickú intenzitu asi 1 000 W/m2. Klasická energetika budov, ktorá sa opiera len o zdieľanie tepla medzi obálkou domu a vonkajším vzduchom, predpovedá nereálne vysokú energetickú potrebu budov v zime a zabúda na letné prehrievanie budov.

Pre úplnosť dodajme, že na budovy pôsobí aj chladné tepelné žiarenie jasnej oblohy v teplote až -60 °C za ktorým "stojí" ľadový vesmír s teplotou cca -270 °C (3 K). Vesmír podstatne ovplyvňuje teploty na Zemi. Jeho vplyv je ale zotrvalý, takže ho nevnímame tak, ako premenlivé slnečné žiarenie, alebo pôsobenie teplého alebo chladného vzduchu.

Je možné povedať, že klasická teplovzdušná tepelná technika sa najlepšie hodí pre tradičné južanské stavby s dokonale bielymi fasádami a strechami, ktoré odrážajú slnečné žiarenie vrátane jeho neviditeľnej tepelnej zložky. Naopak tmavé povrchy domu slnečné žiarenie pohlcujú, ohrievajú sa až k 80 °C a nepríjemne otepľujú interiér. Čierne domy snáď vykážu nižšiu, než plánovanú zimnú tepelnú stratu, ale v lete až neznesiteľné prehrievanie interiéru.

Tento letný efekt môže byť v našej zemepisnej šírke dokonca silnejší než v trópoch a subtrópoch. A síce preto, že je u nás dlhší biely deň: slnko skôr vychádza a neskôr zapadá.

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/

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Shutterstock

Tématické odbory

reklama

Nové

Premyslená zástavba úzkeho mestského pozemku energeticky úsporným rodinným domom

Premyslená zástavba úzkeho mestského pozemku energeticky úsporným rodinným domom

Zverejnené 24.1. Autorom návrhu dvojpodlažného rodinného domu v mestskej časti Košice - Myslava, v ktorom býva rodina pána Júliusa, je samotný investor. Ten pracuje v oblasti stavebníctva, čo mu uľahčilo nielen prípravu projektu a voľbu stavebného materiálu Ytong,… ísť na článok

Doprajte si teplú vodu zohriatu slnkom zariadeniami z THERMO|SOLARU

Doprajte si teplú vodu zohriatu slnkom zariadeniami z THERMO|SOLARU

Zverejnené 21.1. Zvýšený záujem o slnečné kolektory, ale aj ďalšie druhy OZE, trvá hneď od začiatku roku 2023. Najväčší slovenský výrobca slnečných kolektorov, firma THERMO|SOLAR Žiar, s.r.o., tento zvýšený záujem registruje od júna 2023, kedy sa zásadne zmenili… ísť na článok

Ako ušetriť za vykurovanie? Vymeňte okná, pravidelne vetrajte a obstarajte si vlhkomer

Ako ušetriť za vykurovanie? Vymeňte okná, pravidelne vetrajte a obstarajte si vlhkomer

Zverejnené 20.1. Neustále navyšovanie cien energií je dôvodom, prečo začať pátrať po všetkých únikoch tepla z vašej domácnosti. Často sú príčinou staré netesniace okná. S ich výmenou nemusíte čakať, kým bude vonku pekne. Inštalácia je možná do -10 °C. ísť na článok

reklama