Akumulace tepelné energie do stavebních konstrukcí

Solární energie
Slunce je největším a nejlepším zdrojem tepelné energie. Jeho energie je totiž jednou z mála, kterou dostáváme skutečně zdarma a jejíž potenciál je z hlediska lidského života nevyčerpatelný. Energie dopadá na zemský povrch především ve formě ultrafialového záření (vlnová délka < 380 nm) a mění se na teplo, které je vyzařováno jako záření infračervené (vlnová délka 780 nm - 10⁶ nm).

Dům využívající přímé sluneční záření (ilustrativní foto)

Zatímco ultrafialové záření je schopné prostupovat průhlednými konstrukcemi, infračervené nikoliv a v důsledku toho dochází ke skleníkovému efektu. Tato vlastnost záření nám umožňuje přímo využívat solární tepelnou energii pro krytí tepelných ztrát objektu. Výhodné je, že nedochází k dalším ztrátám energie, které provázejí změnu její formy. Změna sluneční energie v energie tepelnou se nazývá fototermální přeměna.

Abychom ale byli schopni dopadající energii využívat, musíme tomuto požadavku přizpůsobit tvar budovy a jeho dispoziční řešení. Z hlediska provozu se jedná v převážné míře o budovy sloužící pro bydlení.
Charakteristickými vlastnostmi pasivních solárních domů, jak se domy využívající přímé sluneční záření nazývají, jsou velké prosklené plochy orientované na jižní stranu a minimální prosklení na stranu odvrácenou od slunce. Množství dopadající sluneční energie v zimním období je však v naší zeměpisné šířce nízké, a tak relativně malé musí být také tepelné ztráty objektu. Toho docílíme kvalitním zaizolováním a používáním oken s nízkou hodnotou součinitele prostupu tepla U < 1,5 (W.m^-2.K^-1) a vysokou hodnotou energetické propustnosti g > 0,5 a světelné propustnosti.

Energie, která do interiéru dopadá v zimním slunečném dnu, většinou převyšuje okamžité tepelné ztráty a musí být proto akumulovaná nejlépe do akumulační konstrukce zde umístěné. Vzhledem ke krátkým zimním dnům ji pak hned po západu slunce začneme využívat. Díky akumulační konstrukci máme zajištěnu větší tepelnou setrvačnost prostředí, což znamená pomalejší změnu vnitřní teploty. A to je to, co potřebujeme.

Akumulace energie do stavební konstrukce

Z hlediska legislativy [1] je předepsán maximální pokles výsledné teploty vzduchu v zimním období a také maximální zvýšení teploty vzduchu v období letním. Norma popisuje maximální pokles teploty na základě doby pobytu lidí v kritické místnosti, způsobu vytápění a účelu. Kritická místnost, pro kterou tyto parametry určujeme je ta, která má nejvyšší celkový součinitel prostupu tepla ze všech místností a při tom nepříznivou orientaci.
V zimním období je maximální pokles teploty stanoven u běžných prostorů pevnou cifrou, jinak je vázán na návrhovou vnitřní teplotu t_i.

Druh místnosti (prostoru)	Pokles výsledné teploty v místnosti v zimním období (°C)
S pobytem lidí po přerušení vytápění - vytápění radiátory, sálavými panely, teplovzdušně - vytápění kamny, podlahové vytápění	3 4
Bez pobytu lidí po přerušeném vytápění přerušení otopnou přestávkou - masivní budova - lehká budova předepsaná nejnižší výsledná teplota tr,min skladování potravin nebezpečí zamrznutí vody	6 8 ti - tr,min ti - 8 ti - 1
Nádrže s vodou (teplota vody)	ti -1

Pro akumulaci tepla není vhodné použití vnitřní tepelné izolace. To se však u nás skutečně provádí pouze velmi omezeně vzhledem k dalším tepelně vlhkostním problémům, které nastávají ve vnější stavební konstrukci. Hlavní vytápěcí systém pasivního domu by měl být dynamický. Regulace by měla být schopna rychle reagovat na tepelné zisky způsobené dopadem sluneční energie a snížit, případně úplně pozastavit, dodávku energie ze zdroje hlavního. To ovšem musí vytápěcí systém dovolit. Příkladem může být teplovodní vytápění s akumulačním zásobníkem a kotlem na biomasu kombinované s pasivními solárními zisky. V případě solárních zisků se uzavřou termostatické hlavice na otopných tělesech a přebytečná energie z kotle je akumulována ve vodním zásobníku. Odtud je později přednostně využívána.

Energie do akumulačních konstrukcí může být dodávána přímo dopadající sluneční radiací a nebo může docházet k ohřívání vnitřní akumulační stěny od vnitřního ohřátého vzduchu. Při využití přímého záření jsme omezeni na využití prostoru podlahy v blízkosti prosklených ploch. Tento povrch však musí mít dobrou tepelnou vodivost a tak vhodným materiálem povrchu podlahy je dlažba. Nevhodné jsou parkety případně koberec, protože tepelně izolují. Energetický zisk je však zhoršen na druhé straně z toho vyplývajícím dispozičním omezením interiéru.

Transparentní izolace

U vnitřních akumulačních konstrukcí dochází k předávání energie, pokud existuje rozdíl teplot mezi povrchem konstrukce a teplotou vzduchu. Díky tomu je rychlost změny teploty vnitřního vzduchu nižší. Akumulační stěnu je výhodné spojit s jiným zdrojem tepla a v době přebytků zde akumulovat energii. Příkladem může být spojení solárního skleníku nebo krbu s touto stěnou. Takováto akumulační stěna může být označena jako stěna aktivní.

Nejvýhodnějším pasivním systémem by bylo použití translucentní (transparentní) izolace na vnější straně obvodové konstrukce orientované na jih. Jedná se o průsvitné izolace, schopné propouštět sluneční záření k povrchu konstrukce. Tím by bylo možné solární zisky akumulovat do této konstrukce a následně s příslušným fázovým posunem je využívat v interiéru. Bohužel většímu využití tohoto řešení stále brání vysoká cena a technické požadavky na umístění izolace. Výpočet zisků stavební konstrukce při použití transparentní izolace je obsažen v [3].

Akumulační konstrukce umožňuje snížit fluktuaci vnitřní teploty a tím je vnitřní prostřední méně náročné na spotřebu energie, neboť dochází ke snížení špičkových požadavků.

Pro akumulaci energie můžeme při návrhu energetického systému objektu využít přímo stavební konstrukci nebo vytvořit konstrukci speciální. Většinou se jedná o vnitřní hmotnou stěnu, vytvořenou z plných cihel nebo z betonu. Zvláště vhodný je strop, který na rozdíl od podlahy není zakryt kobercem nebo nábytkem. Zvýšit akumulační schopnosti interiéru je nutné zejména u dřevostaveb.

Tepelnou kapacitu stavební konstrukce využijeme při výpočtu stupně využití tepelných zisků nebo při výpočtu přerušovaného vytápění.

Výpočet tepelné kapacity stavební konstrukce
Výpočet tepelné kapacity je možný podle vztahu:

	účinná tepelná kapacita stavebního prvku j vypočtená podle [4].
	plocha prvku (m2)

Účel	Časová perioda (h)	Maximální tloušťka (cm)
Stanovení stupně využití tepelných zisků	24	10
Vliv přerušovaného vytápění	3	3

Při ručním výpočtu je ale tato metoda obtížně použitelná vzhledem k jeho rozsáhlosti. Při porovnání výsledků přesných metod a metody přibližné lze konstatovat, že pro běžné výpočty a běžné stavební konstrukce je přibližná metoda zcela dostatečná [2].

Přibližný výpočet tepelné kapacity
Podle [3] lze pro přibližné určení tepelné kapacity použít zjednodušeného vztahu:

	hustota materiálu vrstvy i v prvku j kg/m3)
	měrná tepelná kapacita vrstvy i v prvku j (J/kg.K)
	tloušťka vrstvy i v prvku j (m)
	plocha prvku j (m2)

Výpočet se provádí pro všechny vrstvy prvku, ale pouze do jeho maximální tloušťky.

Vliv stavební konstrukce na tepelnou stabilitu místností lze posoudit na základě výpočtu bilance referenční místnosti [1,5]. Referenční místnost je v tomto případě místností rohovou umístěnou v typickém patře budovy s podlahovou plochou 24 m². Obvodové konstrukce mají tepelný odpor obvodových stěn 2,0 m².K.W^-1. Strop a podlaha je provedena z železobetonu. Podle předpokladu má nejhorší akumulační vlastnosti lehká konstrukce a její vliv na tepelnou stabilitu interiéru je nejnižší. Pokles vnitřní teploty je po 24 hodinách u železobetonové konstrukce 2,8 °C, u konstrukce cihelné 3,8 °C a u konstrukce ze sádrokartónu 4,5 °C.

Chladnutí stavební konstrukce [5]

Trombeho stěna
Princip Trombeho stěny je jednoduchý. Sluneční záření je akumulováno v masivní stěně orientované na jih. V předsazeném prostoru proudí vzduch a je od stěny ohříván. Ohřátý vstupuje v horní části dutinou do místnosti, kterou vytápí. Stěna je tmavé barvy pro vyšší pohlcování tepelné energie. Akumulované teplo je vyzařováno do místnosti i po prostupu masivní konstrukcí. Proudění vzduchu v předsazeném prostoru je regulováno pomocí klapek a může být přirozené nebo nucené. Na tomto místě je ale třeba poznamenat, že tato konstrukce vznikla na jihu Francie, kde panují jiné klimatické podmínky. Je zde více slunečního svitu a mírnější klima. V našich podmínkách však v mrazivých zimních dnech při jednouchém zasklení stěny mohou převýšit tepelné ztráty tepelný zisk. Z toho důvodu je třeba používat kvalitní zasklení, což ale celou konstrukci prodražuje. Stěna dále musí být chráněna i proti nočnímu nepříznivému ochlazování. Princip Trombeho stěny se i u nás objevuje stále znovu a znovu v řadě modifikací, které se snaží zmíněné nevýhody odstranit. Kombinace Trombeho stěny s velkými okenními plochami na jižní straně nemusí být vhodná. Akumulačním médiem může být i štěrk pod podlahou místnosti.

Použité zdroje:
[1] ČSN 730540-2. Tepelná ochrana budov-část 2:Požadavky. ČNI 2002.
[2] KABELE, K., KABRHEL, M. : Optimalizace návrhu a provozu vytápěcích systémů s akumulací tepla. Vnútorná klíma budov, Štrbské pleso 2002, s. 216-219.
[3] ČSN EN 832. Tepelné chování budov-Výpočet potřeby energie na vytápění-Obytné budovy. ČNI 2000.
[4] ČSN EN ISO 13786. Tepelné chování stavebních dílců-Dynamické tepelné charakteristiky-Výpočtové metody. ČNI 2000.
[5] VAVERKA, J. : Stavební fyzika 2:Stavební tepelná technika. Vutium, Brno 2000. ISBN 80-214-1649-1.