Vliv oken a jejich stínění na tepelnou bilanci domů s odlišnými parametry

1 Úvod

K návrhu domů by mělo být přistupováno komplexně. Nelze se zaměřit pouze na jedno hledisko a celý návrh mu podřídit, neboť budovu ovlivňuje řada vlivů a musí splňovat řadu, někdy protichůdných, požadavků, které je třeba brát v úvahu. Proto je nutné jednotlivá kritéria zvažovat z různých hledisek. Výsledný návrh by pak měl být vhodným kompromisem.

Jedním z důležitých kritérií je energetická náročnost objektu. Nejčastěji hodnocená je potřeba tepla na vytápění, případně chlazení. Ačkoliv u většiny rodinných domů se s aktivním chlazením neuvažuje, respektive návrh by měl být takový, aby aktivní chlazení nebylo třeba, kritérium kvality vnitřního prostředí v letním období nesmí být opomíjeno. Architektonický návrh budovy by sice neměl být zásadně omezován jeho energetickými potřebami, měl by je ale v rozumné míře respektovat. Například návrh prosklených ploch by měl reagovat i na další hlediska, jako je třeba přirozené osvětlení nebo vizuální kontakt s okolím, nelze ho tedy podřídit pouze energetické náročnosti. Avšak neuvážené nadměrné prosklení může mít negativní dopad na tepelný komfort vnitřního prostředí a přitom nepřinášet zlepšení v jiných oblastech z pohledu uživatele. Podobných příkladů by mohlo být uvedeno více. Je proto třeba vnímat celkový návrh (jakékoliv) budovy i vliv určitých opatření v souvislostech. Vhodným návrhem, vycházejícím z posouzení různých variant stavebně-energetické koncepce v počáteční fázi projektu, lze někdy docílit zlepšení více faktorů najednou.

2 Modelové budovy

Určitá míra prosklení fasád se projeví jinak u malého domu než u velkého. Rovněž bude jiný vliv u objektu s obálkou v pasivním standardu než u domu navrženého na požadované normové hodnoty součinitelů prostupu tepla. Záleží také na akumulačních vlastnostech konstrukcí. Stínění se v různých podmínkách také projeví odlišně. Tato studie proto výpočtově sleduje energetické chování osmnácti různých rodinných domů, které se lišily velikostí, úrovní tepelné ochrany a akumulací (viz Tab. 1 a Tab. 2), u kterých bylo měněno prosklení jednotlivých fasád a stínění jižních oken. Všechny domy mají plochou střechu, podlahu na terénu a delší fasádou jsou orientované k jihu. U všech domů bylo také uvažováno shodné užívání čtyřmi osobami.

Pozn.: „Běžný“ značí dům s konstrukcemi na úrovni požadovaných normových hodnot součinitelů prostupu tepla [2], „NED“
značí dům s konstrukcemi na úrovni doporučených hodnot U [2], „PD“ značí dům s konstrukcemi v pasivním standardu.
Podrobněji viz Tab. 2.

3 Metoda výpočtu

Energetická bilance – potřeba tepla na vytápění a na chlazení – byla počítána měsíční metodou dle ČSN EN ISO 13790 [3] s použitím některých vstupních údajů dle TNI 730329 [4]. Jako vnější okrajové podmínky byla použita průměrná měsíční klimatická data z Prahy [5]. Požadovaná vnitřní teplota pro výpočet potřeby tepla na vytápění byla 20 °C. Pro výpočet potřeby tepla na chlazení byla uvažována průměrná měsíční vnitřní teplota 22 °C. Neznamená to, že by nejvyšší dovolená teplota pro návrh chlazení byla 22 °C, ale jedná se o odhad průměrné vnitřní teploty za měsíc, která zahrnuje střídání velmi teplých slunných dnů, kdy by chlazení bylo v provozu (při vnitřní teplotě cca nad 27 °C), s těmi chladnějšími, včetně vlivu nocí, kdy chlazení není potřeba.

Tepelné zisky (produkce tepla osobami a spotřebiči) a množství větracího vzduchu byly stanoveny dle TNI [4]. Větrání bylo uvažováno nucené, v zimních měsících se zpětným získáváním tepla s účinností 75 %, v letních měsících bez rekuperace.

V teplejších částech roku, kdy je již sluneční záření intenzivnější, je běžné, že si uživatel v případě potřeby např. zatáhne žaluzie jako prevenci před nadměrnými solárními zisky nebo oslněním. Proto bylo pro výpočet potřeby tepla na chlazení a vnitřní letní teploty uvažováno se cloněním pohyblivými prvky (žaluzie, rolety ap.), a to korekčním činitelem 0,25 přes 50 % doby. Tento korekční činitel odpovídá např. bílým málo propustným žaluziím v interiéru nebo světlým žaluziím v exteriéru [3].

V rámci výpočtu byla měněna míra prosklení jednotlivých fasád, od minimální po maximální stanovenou úroveň, rozsah je uveden v Tab. 3. Další měněnou veličinou byl úhel stínění jižních oken markýzou, uvažované stínění je rovněž v Tab. 3. Okna na ostatních fasádách byla s ohledem na menší efekt markýzy uvažována nestíněná. Na západní a východní fasádě by vzhledem k nízkému slunci bylo vhodnější případné stínění bočními žebry než markýzou, v této studii však nebylo uvažováno.

Korekční činitelé stínění pro měsíční metodu jsou v ČSN EN ISO 13790 [3] uvažovány konstantní pro celý rok. Toto zjednodušení vlastně simuluje situaci, jako by dráha slunce byla stále stejná. Hodnoty jsou nastaveny tak, aby seděla celoroční bilance potřeby tepla na vytápění [6]. Pro výpočet potřeby tepla na chlazení nebo pro hodnocení jednotlivých měsíců roku ale hodnoty stínění neodpovídají, a jejich použití tedy není pro tuto studii vhodné. K výpočtu stínění markýzou byl proto použit model nekonečné markýzy [7], na základě kterého byly z hodinových klimatických dat spočítány korekční činitele stínění pro jednotlivé měsíce roku pro dané vyložení markýzy.

Obr. 1: Úhel stínění markýzou, svislý řez (definován shodně s [3])

Pro každou kombinaci prosklení a stínění byl proveden výpočet energetické bilance. Bylo hledáno takové prosklení jednotlivých fasád při daném stínění jižních oken, které povede k nejnižší celkové potřebě tepla, tedy součtu potřeby tepla na vytápění a na chlazení, vztažených na vytápěnou podlahovou plochu. Tento přístup odpovídá shodné váze pro potřebu tepla na vytápění i na chlazení. Ačkoliv správný návrh rodinného domu by měl vylučovat potřebu chlazení, množství fiktivní potřeby tepla na chlazení zde zastupuje komfort vnitřního prostředí v letním období. Dalším sledovaným parametrem byla průměrná měsíční vnitřní teplota spočtená za předpokladu ustáleného teplotního stavu.

4 Výsledky a diskuze

Optima, tj. takové prosklení jednotlivých fasád pro různé úhly stínění, které vede k nejnižší celkové potřebě tepla, ukazuje pro každý dům Obr. 2. Je však třeba zdůraznit, že v některých případech je minimum potřeby tepla velmi „ploché“, to znamená, že změna proměnných parametrů (zde je to míra prosklení) nezpůsobí zásadní změnu potřeby tepla, takový případ ukazuje např. Obr. 4 vpravo. Vlastní hodnoty optima jsou tedy spíše orientační, důležitější je vzájemný vztah mezi jednotlivými variantami.

Optimální míra prosklení obecně klesá se snižováním průměrného součinitele prostupu tepla obálky budovy, tedy u lépe izolovaných budov jako výhodnější vychází menší plocha oken než u málo izolovaných. U dobře zateplených domů roste potřeba tepla na chlazení se zvětšením prosklených ploch rychleji, než klesá potřeba tepla na vytápění. To je dáno tím, že tepelné ztráty, tedy i jejich využitelná složka, jsou nižší a nestačí v teplých slunných dnech přechodného a zejména letního období vykompenzovat tepelné zisky a dochází k přehřívání. Optimální prosklení vychází rovněž nižší u lehkých domů než u těžkých, a to kvůli omezeným možnostem ukládání nadbytečných zisků do malé akumulační hmoty konstrukcí.

Obr. 2: Optimální poměr prosklení fasád pro různé varianty domů v závislosti na úhlu stínění jižních oken (F_gla – poměr prosklení fasády: N – severní, WE – západní a východní, S – jižní; Q_H/Q_C – měrná potřeba tepla na vytápění/chlazení, T_a – nejvyšší průměrná měsíční vnitřní teplota v roce

Správně navržená markýza odstíní velkou část solárních zisků v letním období, kdy je slunce nejvýš, a jen nepatrnou část v zimním období, kdy je slunce níž a sluneční záření dopadá pod menším úhlem. Sníží tedy výrazněji potřebu tepla na chlazení a zlepší komfort vnitřního prostředí v letním období a případně jen mírně zvýší potřebu tepla na vytápění. Vliv markýzy na potřebu tepla a vnitřní teplotu ukazuje na příkladu průměrně velkého domu Obr. 3.

U markýzy s největším vyložením (úhel stínění 60°) se u některých variant stala stíněná jižní okna příliš ztrátovými, tedy docházelo přes ně k vyšším ztrátám prostupem než jaké propustila solární zisky, a jako výhodnější potom vycházelo zvětšení nestíněných prosklených ploch na východní a západní fasádě při minimálním prosklení jižní fasády. Je to patrné na Obr. 2 zejména u variant „běžný, těžký dům“. Příliš velké vyložení markýzy navíc může vést i ke zhoršení přirozeného osvětlení místnosti.

Obr. 3: Vliv markýzy a jejího vyložení na potřebu tepla a vnitřní teplotu u „průměrně velkého domu“ při prosklení severní fasády 5 %, východní a západní 12 % a jižní 40 % (Q_H – potřeba tepla na vytápění, Q_C – potřeba tepla na chlazení, Q_tot – celková potřeba tepla (vytápění + chlazení), T_a – nejvyšší průměrná měsíční vnitřní teplota v roce)

Stínění jižních oken markýzou nevede pouze k omezení nežádoucích solárních zisků v letním období, kdy je slunce vysoko, ale ovlivní i citlivost domu na změnu prosklení jižní fasády, viz Obr. 4. U variant s markýzou (vpravo) se změna prosklení na potřebě tepla projeví relativně málo. Příliš tedy nezáleží, jak moc se návrh prosklených ploch odchýlí od optima. Stejně tak vnitřní teplota nevykazuje tak výraznou závislost a neroste tak prudce se zvýšením prosklení. Naopak u variant bez stínění (vlevo) je daleko výraznější reakce na zvýšení míry prosklení. Rychleji roste potřeba tepla na chlazení i vnitřní teplota, zároveň i rychleji klesá potřeba tepla na vytápění. U lehkých budov je tato citlivost ještě výraznější.

Obr. 4: Závislost měrné potřeby tepla a vnitřní teploty na prosklení jižní fasády „F_{gla_S}“ pro variantu „průměrný, těžký, NED“ s prosklením severní, východní a západní fasády 5 % (Q_H – potřeba tepla na vytápění, Q_C – potřeba tepla na chlazení, Q_tot – celková potřeba tepla (vytápění + chlazení), T_a – nejvyšší průměrná měsíční vnitřní teplota v roce)

Může se zdát překvapivé, že na základě výsledků optimalizační úlohy vychází u většiny variant jako nejpříznivější poměrně malá plocha oken na osluněné fasády, zejména pro varianty s parametry na úrovni pasivního domu, a to i při uvažování stínění jižních oken markýzou. Je však třeba si uvědomit, že použitá metoda i výpočtový model jsou velmi zjednodušené a nezahrnují řadu možných vlivů. Navíc výsledky optimalizace velmi závisí na nastavení stejných vah pro vytápění i chlazení (prostý součet). Pokud bychom uvažovali, že jsou jiné efektivní cesty ke zlepšení tepelné pohody v létě (např. vychlazení nočním větráním u budov s vyšší akumulační schopností aj.), které v rámci použitého výpočtového modelu nebyly zohledněny, mohli bychom dát vyšší váhu potřebě tepla na vytápění. Po této změně by optimální procento prosklení u osluněných fasád vyšlo vyšší. Otázka nastavení vah je však do značné míry subjektivní. Navíc okna mají i jiné důležité funkce než jen podíl na energetické bilanci, např. zajištění přirozeného osvětlení, vizuálního kontaktu s vnějším prostředím, výhledu do krajiny aj. Velikost oken tedy nelze podřizovat pouze energetickým požadavkům.

5 Závěr

Při zvyšování prosklení osluněných fasád rostou solární zisky a díky tomu klesá potřeba tepla na vytápění. Také ale roste potřeba tepla na chlazení a zvyšuje se vnitřní teplota. Chceme-li tento nežádoucí efekt eliminovat, je třeba navrhnout vhodné stínění, např. markýzou u jižních oken, bočními žebry u západních a východních oken, případně vhodně zvolenou výsadbou vegetace, ozeleněnými pergolami ap. Ačkoliv se toto může zdát jako samozřejmost, každodenní zkušenosti s budovami kolem nás ukazují, že ne vždy se tak děje.

Optimální míra prosklení z hlediska energetických požadavků klesá se snižováním průměrného součinitele prostupu tepla obálky budovy a akumulačních schopností. Stínění markýzou má zásadní vliv nejen na zvýšení komfortu v letním období, ale i na snížení citlivosti domu na nadměrné prosklení. Návrh prosklených ploch s vhodným stíněním tak může lépe reagovat na další požadavky na okna, jako je přirozené osvětlení nebo výhled.

Pohybuje-li se poměr prosklení v rozumných mezích, ve vztahu k uvažovanému stínění, je potřeba tepla na vytápění u rodinných domů vždy dominantní oproti potřebě tepla na chlazení, viz Obr. 2. Kvalitním návrhem tedy lze i v létě dosáhnout dobrého komfortu vnitřního prostředí bez uvažování chlazení.

S ohledem na značnou zjednodušenost výpočtového modelu (měsíční metoda) není možné brát konkrétní výsledky této studie absolutně. Mohou posloužit pro porovnávání variant a analýzu souvislostí. Pro posouzení chování a reakce konkrétního objektu by však byla třeba podrobnější výpočtová metoda, která by dostatečně přesně umožnila zahrnutí všech klíčových okolností ovlivňujících zkoumané kritérium a modelování reálného provozu budovy, např. časově proměnné vnitřní zisky spojené s užíváním budovy, dynamické clonění v závislosti na intenzitě slunečního záření, proměnlivé větrání během dne v závislosti na obsazenosti a teplotě venkovního a vnitřního vzduchu ap.

Poděkování

Tento text vznikl za finanční podpory z projektu 2A-1TP1/129 MPO "Nulový dům" a grantu SGS10/130/OHK1/2T/11 „Studentská grantová soutěž“.

Literatura

• [1] STANĚK, Kamil. Summer Thermal Stability of Modern Wooden-framed Houses. In Sustainable construction of buildings / Udržitelná výstavba budov, sborník konference Udržitelná výstavba budov, Praha 3.–4. února 2010, Praha: ČVUT v Praze, 2010, s. 17–24. ISBN 978-80-01-04733-0.
• [2] ČSN 73 0540-2:2011. Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. 2011.
• [3] ČSN EN ISO 13790. Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení. 2009.
• [4] TNI 730329. Zjednodušené výpočtové hodnocení a klasifikace obytných budov s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění – Rodinné domy. 2010.
• [5] ČSN 73 0540-3. Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin. 2005.
• [6] ŽENKA, Marek. Vliv stínění na využití solární energie v pasivních budovách v architektonických, stavebně-fyzikálních a energetických souvislostech. Disertační práce, ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Praha, 2011.
• [7] CIHELKA, Jaromír. Solární tepelná technika. 1. vyd. Nakl. Tomáš Malina, 1994. 208 s. ISBN 80-900759-5-9.