Vplyv veľkosti transparentných konštrukcií na energetickú hospodárnosť

Pri navrhovaní budov je potrebná elementárna analýza všetkých faktorov, ktoré majú výrazný vplyv na energetickú hospodárnosť. Jedným z nich je aj pomer transparentných konštrukcií a netransparentných konštrukcií. V článku sa venujeme analýze vplyvu pomeru transparentných konštrukcií a netransparentných konštrukcií na potrebu tepla na vykurovanie a chladenie na základe analýzy rodinného domu. 

Pri výstavbe obytných budov je v súčasnosti trendom navrhovať a stavať budovy tak, aby mali čo najnižšiu energetickú náročnosť, čo vyplýva aj zo v súčasnosti platnej legislatívy. Okrem zlepšenia energetickej hospodárnosti budov je cieľom zvýšiť aj kvalitu vnútorného prostredia, zlepšiť stavebno-technický stav a zabezpečiť minimálne náklady na prevádzku a na celkovú údržbu budov. Dôsledkom súčasného zvyšovania cien za energie je potom realizácia domov, ktoré sú navrhnuté s kvalitnými tepelnotechnickými vlastnosťami a s využitím alternatívnych zdrojov energie na vykurovanie a prípravu teplej vody. Je pritom samozrejmé, že vstupné náklady na takéto budovy sú rádovo vyššie ako pri štandardných budovách.

Zákon č. 300/2012 Z. z. [1] ustanovuje, že od 1. 1. 2021 sa budú navrhovať budovy s takmer nulovou potrebou, čo si bude vyžadovať okrem iného aj zlepšovanie obvodového plášťa z tepelnotechnického hľadiska. Bude treba hľadať optimálne riešenia, ktoré zabezpečia rovnováhu medzi nákladmi na progresívne materiály a technické zariadenia a celkovou zníženou energetickou náročnosťou. Medzi faktory ovplyvňujúce energetické úspory patrí aj konfigurácia obvodových plášťov. Výrazný vplyv na tepelnú ochranu obvodového plášťa má pritom napríklad akumulácia obvodového plášťa, jeho vlhkostné vlastnosti, tepelné mosty, využitie pasívnych solárnych ziskov a aj pomer transparentných a netransparentných častí obvodového plášťa. Všetky tieto faktory treba riešiť v budovách počas celého roka (v zimnom a aj v letnom období).

V článku sme si zvolili na analýzu jednoduchý rodinný dom typu bungalov, ktorý je detailnejšie opísaný ďalej.

Analyzovaný rodinný dom – bungalov

Analyzovaný rodinný dom (bungalov) v základnej alternatíve 060 (6 % z celkovej plochy obalových konštrukcií tvorí zasklenie) je znázornený na obr. 1 a 2. Na obr. 1 vidieť jednotlivé pohľady, na obr. 2 pôdorys RD a zjednodušený model z grafického programu Sketchup 8.0 [5]. Pri svojom pôdorysnom rozmere 13,5 × 8,5 m a jednopodlažnosti má dom celkovú plochu 114,75 m², obstavaný objem je 366,05 m³, priemerná výška vykurovaných podlaží 3,19 m a faktor tvaru budovy je 1,010 1/m.

Jednotlivé obalové konštrukcie (strop nad 1. NP, obvodová stena, podlaha na teréne, vstupné dvere, ako aj transparentné konštrukcie) boli navrhnuté z tepelnotechnického hľadiska tak, aby spĺňali kritérium odporúčaných hodnôt U_r1 a R_r1, ktoré sú stanovené v norme STN 73 0540-2: 2012 (Z1/2016) [2].

Súčiniteľ prechodu tepla je na účely posudzovania definovaný pri strope hodnotou U_strop = 0,200 W/(m2 . K), pri obvodovej stene hodnotou U_stena = 0,220 W/(m² . K), pri transparentných konštrukciách hodnotami U_okno(W) = 0,700 – 0,850 W/(m² . K) (v závislosti od podielu zasklenia pri hodnotách pre zasklenie U_g = 0,650 a pre rám U_f = 1,100 W/(m2 . K)). Tepelný odpor podlahy na teréne je daný hodnotou R_podlaha = 2,5 m².K/W (po prepočte U_podlaha = 0,210 W/(m2 . K)).
Celková priepustnosť slnečného žiarenia použitého trojskla je daná hodnotou g = 0,49. Zostávajúce obalové konštrukcie tvoriace podkrovný priestor (podbitie presahov obytného pôdorysu), ako aj samotná šikmá strecha sú modelované s minimálnymi tepelnotechnickými vlastnosťami – v prípade podbitia drevenými doskami s hrúbkou 20 mm a v prípade šikmej strechy keramickou krytinou s rovnakou hrúbkou 20 mm. Táto zóna tvorí v prípade simulačného hodnotenia iba okrajovú podmienku výpočtu jednotlivých zón pod ňou.

Na účely posudzovania sa definovala premenlivá úroveň podielu zasklenia. Tento podiel možno definovať pri samotných obvodových stenách, ako aj pri celkovej obálke budovy. V tomto hodnotení je stanovený podiel z celkovej plochy obálky (zo stropu, obvodovej steny a z podlahy na teréne). Minimálna úroveň podielu zasklenia vychádza z reálneho projektového riešenia rodinného domu – približne 6,0 % –, postupne sa táto hodnota zvyšuje o 0,5 % až na úroveň 12,0 % (alt. dom 120) všetkých obalových konštrukcií (v zmysle tab. 1 až 3), čiže na dvojnásobok.

Spôsob, akým sa jednotlivé plochy zasklení medzi jednotlivými alternatívami (dom 060 až dom 120) postupne zväčšovali (aj v zmysle ich konkrétnej orientácie na svetové stra-
ny) je dokumentovaný v tab. 1 (plošne) a v tab. 2 (percentuálne).

Na obr. 3 vidieť v prehľadnejšej podobe podiel zasklených plôch (rovnako ako v tab. 2). Na severnej fasáde, na ktorej sa v projektovanom rodinnom dome nachádzalo len jedno veľmi malé okno, sa v ďalších alternatívach nedopĺňali žiadne zasklené plochy. Výrazný nárast plôch bol na zostávajúcich troch svetových stranách/orientáciách – na východe stúpal podiel zasklenia z počiatočnej hodnoty 22,4 % až po 59,7 %, na juhu zo 14,1 % na 28,8 % a na západnej strane z 33,6 % na takmer 64,0 %.

Analýza potreby tepla na vykurovanie a chladenie mesačnou metódou

V prvej fáze posudzovania sa uskutočnila analýza pomocou mesačnej výpočtovej metódy podľa STN EN ISO 13 790 [4]. Výpočet potreby tepla na vykurovanie a  chladenie sa realizoval vo výpočtovom programe EHB (energetické hodnotenie budov). Výpočet zohľadňuje všetky výpočtové parametre, ako sú solárne (pri chladení aj plnými časťami obalového plášťa) a vnútorné tepelné zisky, energia spôsobená vyžarovaním tepla oproti oblohe, faktor využitia tepelných ziskov alebo tepelných strát, tepelné straty vetraním a prechodom tepla konštrukciami.

Okrajové podmienky pre normalizovaný výpočet potreby tepla na vykurovanie a chladenie
Okrajové podmienky sú definované v zmysle STN EN ISO 13 790 [4]. Vnútorné tepelné zisky sú pri rodinných domoch dané hodnotou 4,0 W/m², infiltrácia n = 0,50 1/h (oboje
24 hodín denne, 365 dní v roku).
Počet vykurovaných dní (na výpočet mernej potreby tepla na vykurovanie) je 212, počet dní použitých na výpočet potreby tepla na chladenie je 153, tak, ako to predpisuje norma STN 73 0540-2:2012 [3].

Vplyv pomeru transparentných a netransparentných konštrukcií na potrebu tepla na vykurovanie a chladenie

Zvyšovaním percentuálneho podielu transparentných konštrukcií v obalovom plášti sa znižuje celková potreba tepla na vykurovanie analyzovaného rodinného domu (obr. 4).

Je to spôsobené hlavne zvyšovaním solárnych ziskov objektu, kde má významný vplyv na potrebu tepla aj zväčšovanie podielu transparentných konštrukcií podľa orientácie obvodových stien. Potreba tepla na chladenie sa oproti potrebe tepla na vykurovanie zvyšuje v závislosti od podielu transparentných konštrukcií v obvodovom plášti. Zatiaľ čo potreba tepla sa pri jednotlivých variantoch výrazne neznižuje, potreba chladu výrazne stúpa.

Analýza potreby tepla na vykurovanie a chladenie simulačnou metódou
V druhej fáze posudzovania sa uskutočnila analýza pomocou dynamickej energetickej výpočtovej simulácie v simulačnom výpočtovom programe Energy Plus 7.2 [5] s počiatočnou grafickou podporou v programe Sketchup 8.0 [6]. Optimalizácia výstupov a celková podpora sa realizuje v podprograme ResultViewer, ktorý je súčasťou programu OpenStudio 0.10 [7].

Okrajové podmienky výpočtu potreby tepla na vykurovanie a na chladenie pomocou energetickej simulácie
Okrajové podmienky sú principiálne definované a modelované v súčinnosti s dostupným testovacím referenčným klimatickým rokom (TRKR) lokality Bratislava. Aby sa dosiahla čo najlepšia zhoda, priblíženie so zjednodušenou výpočtovou metódou v zmysle STN EN ISO 13 790 [4], simulovali sa v ďalších regulovateľných výpočtových veličinách v úplnej zhode so zjednodušenou metódou parametre vnútorných tepelných ziskov (4,0 W/m²) a infiltrácie n = 0,50 1/h (oboje 24 hodín denne 365 dní v roku).
V zmysle prepočtu konkrétnych vykurovacích dennostupňov priamo z testovacieho referenčného klimatického roka sa aj v zjednodušenej metóde následne počítalo s hodnotou 3 095 K . deň a nie 3 422 K . deň, ako to predpisuje vo svojom výpočte napríklad aj norma STN 73 0540-2,2012 [3].
Chladenie v energetickej simulácii je definované 24 hodín denne 365 dní v roku v tom prípade, ak vnútorná teplota vzduchu vo všetkých obytných priestoroch (vrátane WC, skladov a pod.) stúpne nad hodnotu +26,0 °C (rovnako je to aj v zjednodušenej metóde výpočtu).
Medzi odlišnosti, ktoré do značnej miery bránia v pomerne logickom porovnávaní zjednodušenej metódy výpočtu a energetickej simulácie, patrí okrem akumulačných schopností jednotlivých konštrukcií aj rozdielny spôsob výpočtu tepelných ziskov zo slnečného žiarenia a definovania okrajovej podmienky tepelnej straty podlahy na teréne a stropu do podkrovia.

Vplyv pomeru transparentných a netransparentných konštrukcií na potrebu tepla na vykurovanie a chladenie
Na obr. 5 sú komplexne zdokumentované všetky významné simulačné výstupy veličín nadobudnutých simuláciou. Ide o mernú potrebu tepla na vykurovanie a mernú potrebu tepla na chladenie vo verzii bez vonkajšieho tienenia, a mernú potrebu tepla na chladenie s vonkajším tienením.

Zväčšovanie plochy zasklenia (na približne dvojnásobok) má za následok mierne zníženie mernej potreby tepla na vykurovanie – z hodnoty 49,0 kWh/(m² . rok) na 40,7 kWh/(m² . rok). Naopak, negatívne sa odráža v chladení, kde potreba narastá z 19,8 kWh/(m² . rok) až na takmer 52,5 kWh/(m² . rok). Výrazne pozitívnejšie je to v prípade použitia vonkajšieho tienenia, kde sú obe tieto hodnoty, ako aj samotný nárast výrazne nižšie – od 6,3 kWh/(m² . rok) do 10,8 kWh/(m² . rok).

Sumár výpočtov, finálne hodnotenia
Ako vidieť zo spoločnej sumarizačnej tab. 3, ale aj z grafov na obr. 4 a 5, pri oboch spôsoboch výpočtu (zjednodušený verzus simulačný) dochádza so zväčšujúcou sa plochou transparentných konštrukcií k miernemu poklesu mernej potreby tepla na vykurovanie, v prípade zjednodušeného výpočtu je to minimálny pokles – o cca 3,5 %, v prípade simulačnej metódy je to výraznejší pokles, až o takmer 21,0 % (pri zdvojnásobení tejto plochy).
Naopak, pri stanovení mernej potreby tepla na chladenie je situácia opačná a nárast plochy zasklenia v oboch prípadoch znamená výrazný nárast potrieb tepla na chladenie. Pri zdvojnásobení plochy zasklenia je to v prípade zjednodušeného výpočtu nárast až o takmer 185 %, pri simulačnom spôsobe výpočtu až o 192 % pri dome 120, čo je takmer trojnásobok hodnoty z domu 060.

V prípade simulačného hodnotenia je toto riešenie doplnené ešte o variant s použitím účinného vonkajšieho tienenia, ktoré výrazne eliminuje záťaž zo slnečného žiarenia a aplikuje sa na všetkých oknách (s výnimkou dvoch malých okien – severného kúpeľňového a južného na WC) v prípade, že teplota vzduchu v miestnosti prekročí +26,0 °C. Tu sú hodnoty mernej potreby tepla na chladenie, ako aj samotný nárast výrazne nižšie – predstavujú zvýšenie približne o 71,5 % (pri zdvojnásobení plochy zasklenia). Tento vplyv však nemožno vhodne kvantifikovať v zjednodušenej metóde výpočtu mernej potreby tepla na chladenie, preto ani nie je súčasťou obr. 4 a čiastočne ani tab. 3.

Pri hlbšej analýze dosiahnutých výsledkov si možno všimnúť (pri simulačných výstupoch), že na energetickú bilanciu určitým spôsobom vplýva aj konkrétna orientácia miesta, kde zasklenie pribúda. Potreba tepla na vykurovanie najvýraznejšie klesá, ak sa okná dopĺňajú na južnej fasáde (medzi alternatívami 065 a 060, medzi 100 a 095, medzi 080 a 075), naopak, najmenší účinok má nárast zasklenia na západe (medzi 085 a 080, medzi 115 a 110). Pri potrebe tepla na chladenie sa už tento účinok nijako významne neprejavuje a je úplne zanedbateľný. Nárast plochy zasklenia medzi jednotlivými alternatívami predstavuje približne 1,828 m².

Záver
Analýza problematiky veľkosti zasklených plôch, ktoré sú najmä z architektonického hľadiska veľmi žiadaným prvkom obytných miestností, preukázala, že v prípade požiadavky na chladenie predstavuje principiálne zdvojnásobenie zasklených plôch významný nárast, pri vykurovaní je to iba mierny pokles.

Z hľadiska približovania sa realite (aj z hľadiska akumulačných schopností jednotlivých obalových konštrukcií, deliacich konštrukcií, rôznych dynamických javov, celej vonkajšej klímy, ktoré sú v energetickej simulácii podstatne lepšie realizované) možno konštatovať, že na strane vykurovania znamená zdvojnásobenie plochy zasklenia pokles požiadavky na kúrenie asi o 20 % a nárast požiadavky na chladenie okolo 190 %, v prípade aplikácie účinného vonkajšieho tienenia ide o nárast na úrovni približne 70 %. Z týchto hodnôt takisto vyplýva, že účinné tienenie môže znížiť potrebu chladu na 1/3 pri podiele zasklenia 6,0 %, pri podiele 12,0 % je to až pokles na 1/5, čo je naozaj mimoriadny efekt.
Transparentné konštrukcie tak najmä pri samotnom návrhu a predbežnom projektovaní budov s čo najnižšou energetickou náročnosťou musia vo svojom počte, veľkosti, ale najmä pri veľkosti plochy plne rešpektovať výrazne zvýšené požiadavky na chladenie v letnom období, ktoré sú s tým spojené.

Na jednej strane je úžasné sedieť doma v obývačke a hľadieť cez celozasklenú stenu na romantický západ slnka, na druhej strane netreba zabúdať na to, že je to možné čiastočne aj za cenu zvýšenej energetickej náročnosti takéhoto bývania (pri požiadavke na tepelnú pohodu v letnom období), ktorá sa, žiaľ, ekonomicky preukáže až počas užívania si tohto dokonalého pocitu (najmä ak sa neaplikujú prvky umelej inteligencie budov, napríklad v podobe automatického tienenia).

Príspevok vznikol s podporou Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky a SAV v grantovom projekte VEGA č. 01/0087/16 (Tepelnotechnické vlastnosti budov s takmer nulovou potrebou energie).

Literatúra
1. Zákon č. 300/2012 Z. z., ktorým sa mení a dopĺňa zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov a ktorým sa mení a dopĺňa zákon č. 50/1976 Zb. o územnom plánovaní a stavebnom poriadku (stavebný zákon) v znení neskorších predpisov.
2. STN 73 0540-2, 2016/Z1: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov. Časť 2: Funkčné požiadavky. August 2016, Zmena 1.
3. STN 73 0540-2, 2012: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov. Časť 2: Funkčné požiadavky. Júl 2012.
4. STN EN ISO 13 790: Energetická hospodárnosť budov. Výpočet potreby energie na vykurovanie a chladenie. Máj 2009.
5. Energy Plus 7.0 – Simulačný energetický program, dostupné online na http://apps1.eere.energy.gov/ buildings/energyplus/.
6. Sketchup 8.0 – Grafický program, dostupné online na http://www.sketchup.com/.
7. Openstudio 0.10 – Podporný výpočtový program pre Energy Plus, dostupné online na http://openstudio. nrel.gov/.
8. Program OS.EHB.SK, verzia 3.1-2013 – Tepelnotechnické posúdenie, tepelná ochrana budov (autor: Rastislav Ingeli), dostupné online na https://www.ehb.sk/.
9. Buday P.: Letné prehrievanie obytnej miestnosti rodinného domu v nadväznosti na jeho orientáciu k svetovým stranám. ABCM 2016, Ostrava: VŠB, 2016.
10. Buday, P. – Ingeli, R.: Vonkajšie tienenie obytných budov a jeho vplyv na energetickú hospodárnosť. Vykurovanie 2015, Bratislava: SSTP, 2015.
11. Ingeli, R. – Minarovičová, K. – Čekon, M.: Architectural elements with respect to the energy performance of buildings (2014) Advanced Materials Research.
12. Katalógové projekty rodinných domov, dostupné online na http://www.eurolineslovakia.sk/sk/projekty/.

Ing. Peter Buday, PhD., Ing. Rastislav Ingeli, PhD.
Autori pôsobia na Katedre konštrukcií pozemných stavieb SvF STU v Bratislave.
Recenzoval: Ing. Ladislav Piršel, PhD.

Obrázky: autori

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK 3/2017