Vplyv okien a ich tienenia na tepelnú bilanciu budov

Na energetickú náročnosť budov má zásadný vplyv obálka budovy. Zasklené aj nepriesvitné časti obvodového plášťa ovplyvňujú obidve súčasti tepelnej bilancie – tepelné zisky aj straty. Aký bude ich konkrétny vplyv, závisí od množstva ďalších faktorov. Nemožno teda vo všeobecnosti a jednoznačne povedať, ako navrhnúť jednotlivé prvky obvodového plášťa, aby sa dosiahol optimálny pomer ziskov a strát.

 K návrhu domu treba pristupovať komplexne, jednotlivé kritériá by sa mali posudzovať z rozličných hľadísk a výsledný návrh by mal byť vhodným kompromisom. Jedným z dôležitých kritérií je energetická náročnosť budovy. Najčastejšie sa hodnotí spotreba tepla na vykurovanie, prípadne na chladenie. V prípade väčšiny rodinných domov sa síce o aktívnom chladení neuvažuje, napriek tomu sa však na kritérium kvality vnútorného prostredia v letnom období nesmie zabúdať. Architektonický návrh budovy by sa nemal zásadne obmedzovať z hľadiska jej energetických potrieb. Rovnako ako ďalšie hľadiská, ako napríklad prirodzené osvetlenie alebo vizuálny kontakt s okolím, nemožno podriaďovať energetickej náročnosti budovy. Treba preto vnímať celkový návrh a vplyv určitých opatrení v súvislostiach.

Modelové budovy
Určité percento zasklenia fasády sa prejaví inak v prípade malej budovy a inak v prípade veľkého komplexu. S iným vplyvom možno počítať v prípade budovy s obálkou realizovanou v pasívnom štandarde ako pri budove navrhnutej na požadované normatívne hodnoty súčiniteľa prechodu tepla. Záleží aj na akumulačných vlastnostiach konštrukcií.

Výpočtovo sa sledovalo energetické správanie osemnástich rozličných budov, ktoré sa odlišovali veľkosťou, úrovňou tepelnej ochra­ny a akumuláciou (tab. 1 a 2). Išlo o budovy s plochou strechou, s podlahou na teréne a dlhšou fasádou orientovanou na juh. Počítalo sa s ich užívaním štyrmi osobami.

Metóda výpočtu
Energetická bilancia sa počítala mesačnou metódou podľa ČSN EN ISO 13790: 2009 (Energetická náročnosť budov. Výpočet spotreby energie na vykurovanie a chladenie; slovenský ekvivalent STN EN ISO 13790: 2009) s použitím niektorých vstupných údajov podľa TNI 73 0329: 2010 (Zjednodušené výpočtové hodnotenie a klasifikácia bytových domov s veľmi nízkou spotrebou tepla na vykurovanie. Rodinné domy). Použili sa priemerné mesačné klimatické dáta Prahy v súlade s ČSN 73 0540-3: 2005 (Tepelná ochrana budov – Časť 3: Návrhové hodnoty veličín; slovenský ekvivalent STN 73 0540-3: 2002 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov). Vnútorná teplota na výpočet spo­treby tepla na vykurovanie sa uvažovala 20 °C. Na výpočet spotreby tepla na chladenie sa uva­žovala priemerná mesačná vnútorná teplota 22 °C. Tepelné zisky a množstvo vetracieho vzduchu sa stanovili v súlade s TNI 73 0329. Počítalo sa s núteným vetraním, v zimných mesiacoch so spätným získavaním tepla s účinnosťou 75 %, v letných mesiacoch bez rekuperácie. V období chladenia sa počítalo s clonením, a to s korekčným činiteľom 0,25. Clonenie sa predpokladá počas 50 percent obdobia. Tento činiteľ zodpovedá napríklad bielym, málo priepustným žalúziám umiestne­ným v interiéri v súlade s ČSN EN ISO 13790.

V rámci výpočtu sa menila miera zasklenia jednotlivých fasád a vyloženie markízy na južných oknách, zastúpené uhlom tienenia (obr. 1) viď tab. 3. Okná na ostatných fasádach sa s ohľadom na menší efekt markízy uvažovali netienené. Na západnej a východnej fasáde by vzhľadom na nízke slnko bolo vhodnejšie použiť skôr tienenie bočnými rebrami ako markízou. Pri výpočte sa však s týmto typom tienenia nepočítalo.

Korekčné činitele tienenia pre mesačnú metódu sa v ČSN EN ISO 13790 uvažujú konštantné počas celého roka. Tento prístup nie je vhodný na výpočet chladenia v letnom období alebo na hodnotenie jednotlivých mesiacov roku, pretože hodnoty sú nastavené na získanie celoročnej bilancie spotreby tepla na vykurovanie [2]. Na výpočet tienenia markízou sa preto použil model nekonečnej markízy [3], na základe ktorého sa z hodinových klimatických dát spočítali korekčné činitele pre jednotlivé mesiace roku pre dané vyloženie markízy.

Hľadalo sa najvhodnejšie zasklenie jednotlivých fasád pri zvolenom tienení okien na juž­nej strane markízou. Kritériom optimalizácie bol prostý súčet mernej spotreby tepla na vykurovanie a chladenie vztiahnutý na vykurovanú podlahovú plochu. Týmto prístupom sa prikladá rovnaká váha spotrebe tepla na vykurovanie aj chladenie. Aj keď správny návrh rodinného domu by mal vylučovať potrebu chladenia, množstvo fiktívnej spotreby tepla na chladenie zodpovedá komfortu vnútorného prostredia v letnom období. Ďalším sledovaným parametrom bola priemerná mesačná vnútorná teplota počítaná za predpokladu ustáleného teplotného stavu.

Výsledky
Najvhodnejší spôsob zasklenia všetkých variantov domov vidieť na obr. 2. Treba však zdô­razniť, že v niektorých prípadoch ide o veľmi ploché optimum, teda zmena premenných parametrov nespôsobí zásadnú zmenu sledovaných spotrieb tepla (obr. 3 vpravo). Samotné hodnoty optima majú teda skôr orientačný charakter, dôležitejší je vzájomný vzťah medzi jednotlivými variantmi.

Obr. 2  Optimálny pomer zasklenia fasád pre rozličné varianty budov v závislosti od uhla tienenia okien na južnej strane
F_gla – pomer zasklenia fasády: N – severná strana, WE – západná a východná strana, S – južná strana; Q_H/Q_C – merná spotreba tepla na vykurovanie/chladenie; T_a – najvyššia priemerná mesačná vnútorná teplota v roku

Obr. 3 Závislosť mernej spotreby tepla a vnútornej teploty od zasklenia južnej fasády Fgla_S pre variant priemerný, ťažký, NED so zasklením severnej, východnej a západnej fasády 5 %
Q_H/Q_C – merná spotreba tepla na vykurovanie/chladenie, Q_tot – celková spotreba tepla (vykurovanie + chladenie),
T_a – najvyššia priemerná mesačná vnútorná teplota v roku

Optimálna miera zasklenia vo všeobecnosti klesá so znižovaním priemerného súčiniteľa prechodu tepla obálkou budovy. V prípade dobre zateplených domov rastie spotreba tep­la na chladenie so zväčšením zasklených plôch rýchlejšie, ako klesá spotreba tepla na vykurovanie. To vyplýva z nižších využiteľných tepelných strát, ktoré v letných dňoch nestačia vykompenzovať tepelné zisky. Optimálne zasklenie vychádza takisto nižšie v prípade domov z ľahších stavebných materiálov ako pri domoch realizovaných z ťažších stavebných materiálov. Je to z dôvodu obmedzených možností ukladania nadbytočných tepelných ziskov do hmoty konštrukcie.

Pri markíze s najväčším vyložením (uhol tienenia 60°) sa pri niektorých variantoch stalo okno na južnej strane príliš stratovým a ako výhodnejšie vychádzalo zväčšenie netienených zasklených plôch na východnej a západnej fasáde pri minimálnom zasklení južnej fasády (obr. 2).

Tienenie markízou ovplyvní aj citlivosť budovy na zmenu zasklenia južnej fasády (obr. 3). V prípade variantov s markízou sa zmena zasklenia prejaví na celkovej spotrebe tepla relatívne v malom meradle. Z toho vyplýva, že veľmi nezáleží na tom, do akej miery sa návrh odchýli od optima. Rovnako aj vnútorná teplota nevykazuje takú výraznú závislosť a nerastie so zvýšením zasklenia tak prudko. Naopak, v prípade variantov bez tienenia možno vidieť oveľa výraznejšiu reakciu na zvýšenie miery zasklenia. Rýchlejšie rastie spotreba tepla na chladenie aj vnútorná teplota, zároveň rýchlejšie klesá spotreba tepla na vykurovanie. V prípade budov z ľahkých materiálov je táto citlivosť ešte výraznejšia.

Môže sa zdať prekvapivé, že na základe výsledkov optimalizačnej úlohy vychádza pri väčšine variantov ako najpriaznivejší pomerne malá plocha okien na oslnenej fasáde, predovšetkým pre varianty s parametrami na úrovni pasívneho domu, a to aj pri uvažovaní tienenia okien na južnej strane markízou. Treba si však uvedomiť, že použitá metóda a výpočtový model sú veľmi zjednodušené a nezahŕňajú rad možných vplyvov. Navyše, výsledky optimalizácie závisia vo veľkej miere od nastavenia rovnakých váh pre vykurovanie a chladenie (jednoduchý súčet). Pokiaľ by sa uvažovalo, že existujú iné efektívne cesty na zlepšenie tepelne pohody v lete (napríklad vychladenie priestoru nočným vetraním pri budovách s vyššou akumulačnou schopnosťou a podobne), ktoré sa v rámci použitého výpočtového modelu nezohľadnili, mohol by sa klásť väčší dôraz na spotrebu tepla na vykurovanie. Po tejto zmene by bolo optimálne percento zasklenia oslnených fasád vyššie. Otázka nastavenia váh je do značnej miery subjektívna. Navyše, okná plnia aj iné dôležité funkcie, ako len podiel na energetic­kej bilancii, napríklad zabezpečujú prirodzené osvetlenie, vizuálny kontakt s vonkajším prostredím, výhľad na krajinu a podobne. Veľkosť okien teda nemožno podriaďovať iba energetickým požiadavkám.

Záver
Pri zvyšovaní zasklenia oslnených fasád klesá spotreba tepla na vykurovanie. Zároveň však rastie spotreba tepla na chladenie a zvyšuje sa vnútorná teplota. Na eliminovanie tohto efektu treba navrhnúť vhodné tienenie, napríklad markízou na oknách na južnej strane, bočnými rebrami na oknách na západnej a východnej strane, prípadne vhodne zvolenou výsadbou vegetácie, ozelenenými pergolami a podobne. Hoci sa tieto riešenia môžu zdať ako samozrejmé, každodenná skúsenosť s budovami okolo nás ukazuje, že skutočnosť je niekedy iná.

Optimálna miera zasklenia z hľadiska energetických požiadaviek klesá so znižovaním priemerného súčiniteľa prechodu tepla obál­kou budovy, ako aj so znižovaním akumulačnej schopnosti. Tienenie markízou má zásadný vplyv nielen na zvýšenie komfortu vnútorného prostredia v letnom období, ale aj na zníženie citlivosti budovy na nadmerné zasklenie. Návrh zasklených plôch s vhodným tienením tak môže lepšie reagovať na ďalšie požiadavky kladené na okná, ako je prirodzené osvetlenie miestností alebo výhľad.

Ak sa pomer zasklenia pohybuje v rozumných medziach vo vzťahu k uvažovanému tieneniu, spotreba tepla na vykurovanie je v prípade rodinných domov vždy dominantná v porovnaní so spotrebou tepla na chladenie (obr. 2). Kvalitným návrhom teda možno aj v lete dosiahnuť dobrý komfort vnútorného prostredia bez potreby chladenia.

Vzhľadom na značnú zjednodušenosť výpočtového modelu (mesačná metóda) nemožno brať konkrétne výsledky absolútne. Môžu poslúžiť na porovnanie variantov a analýzu súvislostí. Na posúdenie správania sa a reakcie konkrétnej budovy by bola potrebná podrobnejšia výpočtová metóda, ktorá by umožnila dostatočne presne zahrnúť všetky kľúčové okolnosti ovplyvňujúce skúmané kritérium a modelovanie reálnej prevádzky budovy, napríklad časovo premenné teplotné zisky spojené s užívaním budovy, dynamické clonenie v závislosti od intenzity slnečného žiarenia, premenlivé vetranie v priebehu dňa v závislosti od teploty vonkajšieho vzduchu a podobne.

TEXT: Ing. Kateřina Sojková
OBRÁZKY a FOTO: autorka, Dano Veselský

Ing. Kateřina Sojková pôsobí na Katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe.

Tento článok vznikol za finančnej podpory z projektu 2A-1TP1/129 MPO Nulový dom a grantu SGS10/130/OHK1/2T/11 Študentská grantová súťaž.

Literatúra
1.    Staněk, K.: 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 Prahe, 2010, s. 17 – 24. ISBN 978-80-01-04733-0.
2.    Ženka, M.: Vliv stínění na využití solární energie v pasivních budovách v architektonických, stavebně-fyzikálních a energetických souvislostech. Dizertačná práca. Praha: ČVUT v Prahe, Stavebná fakulta, 2011.
3.    Cihelka, J.: Solární tepelná technika. 1. vyd. Nakl. Tomáš Malina, 1994, 208 s. ISBN 80-900759-5-9.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.