Střešní okna pro pasivní domy
Text se věnuje dosud málo sledované stavebněfyzikální souvislosti použití střešních oken v domech s velmi nízkou energetickou náročností. Z energetického hlediska mají být počty a velikosti střešních oken navrhovány velmi zdrženlivě. Je úlohou projektanta, aby vybral nejlepší dostupná okna a nutné související zvýšení prostupu tepla vykompenzoval zlepšením kvality jiné části obálky budovy.
Příspěvek připomíná stavebněfyzikální souvislosti použití střešních oken v domech s velmi nízkou energetickou náročností. Ukazuje jejich relativně významný vliv na celkovou ztrátu prostupem tepla a důsledek specificky nevýhodného osazení ve střešním souvrství. Ukazuje se, že součinitel prostupu tepla by měl být nejvýše roven 0,7 W/(m2K) při důsledném omezení tepelné vazby v napojení na střešní souvrství. V druhé části příspěvek ukazuje pozitivní vliv sešikmení vnitřního ostění na kvalitu denního osvětlení.
Úvodem
V posledních desetiletích jsme svědky systematického snižování energetické náročnosti budov, převážně díky zlepšování kvality obálky budovy. V šikmých střechách došlo k výraznému nárůstu tlouštěk souvrství s tepelnými izolacemi doprovázenému snížením součinitele prostupu tepla. Střešní okna jsou i přes značná zlepšení stále nejslabším prvkem obálky budovy a i z toho důvodu v komunitě zabývající se pasivními domy prvkem zpravidla velmi neoblíbeným. Existenci problému (nebo nezájmu) ilustruje i skutečnost, že v databázi dobrovolně certifikovaných komponentů vhodných pro pasivní domy [1] najdeme v současné době pouze dvě střešní okna splňující požadavky Passivhaus Institutu v Darmstadtu (pro srovnání: běžných oken do obvodových stěn je v uvedené databázi aktuálně 218). Překonání tohoto nepříznivého stavu je velkou výzvou a současně komplexní stavebněfyzikální úlohou.
Prostup tepla střešním oknem
V dutinách zasklívací jednotky probíhá konvektivní přenos tepla intenzivněji než u oken ve svislé poloze, což při sklonu 45° vede přibližně ke zvýšení o 0,1 W/(m2K) [2]. K dispozici jsou zpravidla údaje naměřené právě ve svislé poloze. Korektní by bylo též počítat s odlišným přestupem tepla na interiérovém povrchu okna pro energetické výpočty (0,11 m2K/W při sklonu 45° oproti 0,13 m2K/W pro svislou polohu). V místech kritických z hlediska povrchových teplot (kontrola vyloučení kondenzace vodní páry) je vhodné pracovat s hodnotou přestupu tepla 0,25 m2K/W podle principu výpočtu na straně bezpečnosti. Dále je dobré si uvědomit, že střešní okna jsou obvykle menší než okna ve stěnách, a že tedy podíl rámu, jako slabšího prvku z hlediska prostupu tepla, zde bude významný. Referenční velikost střešního okna [3] je 1,14 m × 1,40 m a jen výjimečně se provádí přepočet na odlišné rozměry použitých oken.
Obr. 1 Schéma typického osazení střešního okna, kde čárkovaná čára naznačuje problém se zajištěním souvislosti tepelně izolační linie. Šipka ukazuje nejslabší místo na vnějším obvodu rámu, zčásti kompenzované přídavným „tepelně-izolačním límcem“.
Specifickým problémem je geometrie osazení střešního okna do šikmé střechy. Vnější boky rámu okna jsou vystaveny exteriérovým teplotám – leží zpravidla výškově v úrovni kontralatí, laťování a střešní krytiny, tedy mimo oblast tepelné izolace (Obr. 1). Průvodním jevem jsou vysoké hodnoty lineárního činitele prostupu tepla charakterizující energetické důsledky (tepelnou vazbu) takového osazení (Tab. 1). Přestože jsou normové hodnoty oproti oknům v obvodových stěnách větší, nemusí být jejich doporučené hodnoty snadno dosažitelné. Jejich význam relativně vzrůstá při zlepšování vlastností okna.
| požadovaná | doporučená | doporučená pro pasivní budovy | |
|---|---|---|---|
| Okno ve stěně | 0,1 | 0,03 | 0,01 |
| Okno v šikmé střeše | 0,3 | 0,1 | 0,02 |
Vzhledem k významu tohoto jevu je možné doporučit rozšíření obvyklého výpočtu součinitele prostupu tepla okna takto:
Obr. 2 Výsledek parametrické studie pro hypotetické vynikající střešní okno. Prostup tepla oknem (vlevo) a prostup tepla oknem se započtením vlivu zabudování do střechy (vpravo)
kde výraz Σ(ψw.lw) popisuje vliv zabudování s lineárním činitelem prostupu tepla ψw (stanoveným z výpočtu dvourozměrného vedení tepla) na obvodu o délce lw. Efekt je ilustrován na Obr. 2 pro hypotetické vynikající střešní okno s těmito parametry: Součinitel prostupu tepla zasklívací jednotky Ug 0,60 W/(m2K), rámu Uf 0,60 W/(m2K), vliv okraje zasklení a rámečku ψg 0,03 W/(m.K), vliv zabudování do střechy ψw 0,04 W/(m.K), při referenčních rozměrech okna 1,14 m × 1,40 m.
Celkový pohled na ztrátu prostupem tepla
U rodinných domů a nízkopodlažních bytových domů hraje tepelně-izolační kvalita střešní konstrukce významnou roli, protože často tvoří až 20–35 % obálky budovy. Navíc je ve střeše zpravidla možné a efektivnější umístění větší tloušťky tepelných izolací než v obvodových stěnách. (V obvodové stěně je limitující jak přijatelnost celkové tloušťky stěny s ohledem na komerční argumenty prodejců a developerů, tak otázka vhodné hloubky ostění osazených oken. Takový problém není zpravidla identifikován v případě střešních souvrství.) U šikmé střechy rodinného domu v pasivním standardu pak můžeme očekávat hodnoty součinitele prostupu tepla v oblasti 0,10–0,12 W/(m2K). Umístění střešních oken (6 ks po 1 m2) v modelovém případu (Tab. 2) vede ke zvýšení celkové ztráty prostupem tepla pro celý rodinný dům okolo 7 %. Prostup tepla samostatně posuzované střešní konstrukce je rozhodnutím o umístění střešních oken ovšem ovlivněn velmi významně. Tab. 3 ilustruje relativní vliv střešních oken při odlišné energetické kvalitě oken a střechy. Varianta A vychází z hodnot obvyklých po roce 2000. Varianta B ukazuje významný nárůst vlivu střešních oken, pokud by byly v běžné kvalitě tehdejší doby použity do pasivního domu. Varianta C ukazuje stav s optimálními střešními okny pro pasivní domy, vyznačujícími se nejen minimálním prostupu tepla jejich plochou ale i minimální tepelnou vazbou jejich zabudování.
| Prvek obálky budovy | Součinitel prostupu tepla U [W/(m2K)] | Plocha [m2] | Podíl na tepelných ztrátách prostupem [%]++++) |
|---|---|---|---|
| Obvodová stěna | 0,15–0,12 | 120 | 18 |
| Okna ve stěně | 0,8 | 46 | 41 |
| Vchodové dveře | 1,0 | 2 | 2 |
| Šikmá střecha | 0,12–0,10 | 134 | 16 |
| Střešní okna (6 ks a 1 m2) | 1,2+)–0,8++) | 6 | 7 |
| Podlaha na terénu | 0,25 | 100 | 14 |
| Celkový vliv tepelných vazeb+++) | 0,02 × Uem | – | 2 |
| Celkem | 100 | ||
| +) Střešní okno s trojsklem podle komerčních informací, korigováno na vliv šikmé polohy ++) Kategorie A pro střešní okna podle PHI [1], korigováno na vliv šikmé polohy +++) Vliv tepelných vazeb odhadnut (hodnota využitá v hodnocení pomocí referenční budovy [5]) ++++) pro střední hodnoty součinitelů prostupu tepla | |||
| Plocha, obvod | Součinitel prostupu tepla, lineární činitel prostupu tepla | Prostup tepla [W/K] | Relativní vyjádření [%] | Celkový nárůst [%] | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Varianta A | ||||||
| Střecha | 134 m2 | 0,3 W/(m2K) | 40,2 | 69 | 69 | |
| Střešní okna | 6 m2 | 1,8 W/(m2K) | 10,8 | 19 | }31 | |
| Tepelná vazba | 4 m × 6 | 0,3 W/(m.K) | 7,2 | 12 | ||
| Celkem | 58,2 | 100 | 139 | |||
| (Střecha bez střešních oken) | 140 m2 | 0,3 W/(m2K) | 42 | 100 | ||
| Varianta B | ||||||
| Střecha | 134 m2 | 0,1 W/(m2K) | 13,4 | 49 | 49 | |
| Střešní okna | 6 m2 | 1,5 W/(m2K) | 9 | 33 | }51 | |
| Tepelná vazba | 4 m × 6 | 0,2 W/(m.K) | 4,8 | 18 | ||
| Celkem | 27,2 | 100 | 194 | |||
| (Střecha bez střešních oken) | 140 m2 | 0,1 W/(m2K) | 14 | 100 | ||
| Varianta C | ||||||
| Střecha | 134 m2 | 0,1 W/(m2K) | 13,4 | 77 | 77 | |
| Střešní okna | 6 m2 | 0,6 W/(m2K) | 3,6 | 21 | }23 | |
| Tepelná vazba | 4 m × 6 | 0,02 W/(m.K) | 0,5 | 2 | ||
| Celkem | 17,5 | 100 | 125 | |||
| (Střecha bez střešních oken) | 140 m2 | 0,1 W/(m2K) | 14 | 100 | ||
Denní osvětlení
Slibnou možností, jak zlepšit poměry z hlediska denního osvětlení, aniž by narostly plochy prosklení s řadou negativních důsledků (prostup tepla, zvýšení rizika přehřívání, cena), se zdá být hra s tvarováním ostění. Nejprve výpočtově a pak i měřením na modelu jsme se zabývali vlivem sešikmení ostění střešního okna na kvalitu denního osvětlení v místnosti za ním (Obr. 3). V prostoru došlo k celkovému nárůstu osvětlenosti a zlepšení rovnoměrnosti.
Obr. 3 Výzkum denního osvětlení v laboratoři pod tzv. umělou oblohou na modelu místnosti v měřítku 1:4. Graf činitele denní osvětlenosti v řadě bodů ve vzdálenosti odpovídající 1 m od spodní hrany okna. Sešikmení ostění s odklonem 45° vede v bodech c a d k přibližně dvojnásobné hodnotě činitele denní osvětlenosti.
Závěrem
Z energetického hlediska mají být počty a velikosti střešních oken navrhovány velmi zdrženlivě. Je úlohou projektanta, aby vybral nejlepší dostupná okna a nutné související zvýšení prostupu tepla vykompenzoval zlepšením kvality jiné části obálky budovy. Potvrzuje se, že vytvoření střešních oken s vyšší kvalitou, zejména s cílem dosáhnout minimálního prostupu tepla, je velmi náročnou úlohou. Komplexní přístup z hlediska stavební fyziky v tom může být velmi nápomocný. Cílem je ovšem takové okno, které nebude mít nepřiměřenou hmotnost, komplikovanou montáž a také nepřijatelnou cenu. Pokud bychom chtěli docílit srovnatelných parametrů, jaká jsou obvyklá pro svislá okna v pasivním domě, měli bychom požadovat součinitel prostupu okna nejvýše 0,7 W/(m2K) (hodnota při měření ve svislé poloze) a skutečně minimalizovaný vliv zabudování do střechy.
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a finanční spoluúčasti TA ČR TH01021120.
Reference
- https://database.passivehouse.com/de/components/list/roof_window, 25. 2. 2018.
- ČSN EN 673 Sklo ve stavebnictví – Stanovení součinitele prostupu tepla (hodnota U) – Výpočtová metoda.
- ČSN EN ISO 10077-1 Tepelné chování oken, dveří a okenic – Výpočet součinitele prostupu tepla.
- ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Požadavky.
- Vyhláška 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov.
Článek se věnuje velmi aktuálnímu tématu. Střešní okna patří opravdu k téměř k zakázaným konstrukcím pro projektanty pasivních domů, protože v současnosti nemají dobré tepelnětechnické vlastnosti. Z důvodu nutnosti odvodnění a osazení střešního okna výše, než je tepelná izolace střechy, dochází k nedokonalému zateplení rozhraní. Proto je žádoucí, aby byl v praxi dostatečný výběr takových dobře zvládnutých výrobků, včetně osazení do střechy. Velmi zajímavé je i dvojnásobné zvýšení činitele denní osvětlenosti v nejbližším okolí ostění při sešikmení ostění těchto oken pod úhlem 45°.
The paper presents the building-physical context of the use of roof windows in buildings with very low energy demand. It shows their relatively significant influence on the total heat loss of a single family house and the consequence of the specific disadvantageous set-up in the pitched roof. It is shown that the thermal transmittance should not exceed 0.7 W/(m2K) with a strict limitation of thermal coupling in the connection to the roof. In the second part, the paper shows the positive effect of the slanting of the inner lining on the quality of day lighting.