Energetická bilance oken, solární zisky a ztráty v pasivních domech
Návrh oken se stává velmi důležitou částí projektu domu, obzvláště domů s nízkou spotřebou energie. Navržení těchto oken musí respektovat nejenom jejich tepelně-izolační vlastnosti, ale i jejich součinitel prostupu slunečního záření. Na tomto parametru záleží, do jaké míry může slunce vytápět dům. Výpočtem a optimalizací součinitele prostupu tepla a součinitele prostupu slunečního záření můžeme dosáhnout velmi dobré energetické bilance oken a celého domu.
1. Úvod
Hlavně v domech s nízkou spotřebou energie je velmi důležité navrhovat okna správně, protože solární zisky mohou vyrovnat velkou část celkových energetických ztrát. V současnosti existuje mnoho druhů izolačních zasklení, které jsou charakterizovány různými solárními a izolačními vlastnostmi. Jako nejdůležitější vlastnost můžeme uvést jejich tepelně-izolační schopnost - součinitel prostupu tepla. Další důležitá vlastnost je prostup tepelného slunečního záření. Kombinace těchto vlastností ovlivňuje celkovou energetickou bilanci oken v zimním období a naopak chrání vnitřní místnosti před nežádoucí sluneční energií v létě.
2. Teorie
2.1 Typy zasklení:
V současnosti existuje velké množství dostupných typů zasklení. V následující části článku jsou popsány některé nejvíce používané typy skleněných výplní v standardních domech a v nízkoenergetických domech.
2.1.1 Starší izolační zasklení:
Toto zasklení je vyrobeno ze dvou skleněných tabulí (dvojsklo), jejichž vzdálenost je určena různě širokými distančními profily. Dutina mezi skly je vyplněna pouze vzduchem. Dosahují součinitele prostupu tepla Ug = 2.5 až 3.0 Wm-2.K-1. Tyto hodnoty součinitele prostupu tepla byly již nedostatečné, takže následně došlo k vylepšení tepelně-izolačních schopností.
2.1.2 Současné izolační zasklení:
Dnes se vyrábějí izolační zasklení, která jsou charakterizována koeficientem prostupu tepla Ug < 1.15 Wm-2.K-1. Tuto relativně nízkou hodnotu součinitele způsobuje vyplnění dutiny speciálním plynem a použitím skla s nízkou emisivitou.
K přenosu tepla může docházet čtyřmi způsoby.
- konvekcí v mezeře
- sáláním mezi protilehlými povrchy skel
- vedením přes plynnou výplň mezery
- vedením přes distanční profily
Výrazným snížením emisivity ε (-), lze rapidně snížit ztráty způsobené sáláním mezi protilehlými povrchy zasklení. Nízké emisivity se dosáhne tak, že se povrch skel pokryje velmi tenkou vrstvou ze stříbra a oxidů kovů. To způsobí, že povrch skla odráží zpět dlouhovlnné tepelné záření, takže teplo zůstává v místnosti. Kvůli své nízké emisivitě (0.03) jsou tyto produkty nazývány jako "Low-E". Tloušťka kovové vrstvy je od 0.01 do 0.10 mikrometrů, což způsobuje, že téměř všechno odražené záření je omezeno na dlouhovlnné infračervené spektrum. Pro většinu viditelného světla je kovová vrstva průhledná. Takže zasklení dosahuje velmi vysoké světelné propustnosti τ (-).
Další důležitým faktorem, který snižuje součinitel prostupu tepla zasklením je druh plynu použitého k naplnění dutiny. Dnes jsou hlavně používány vzácné plyny - Argon, Krypton, Xenon, FS6.
| plyn | λj (Wm-2K-1) | Ug(W/m2.K) s tloušťkou mezery d (m) | ||
|---|---|---|---|---|
| 0,006 | 0,012 | 0,018 | ||
| vzduch | 0,0258 | 3,3 | 2,93 | 2,8 |
| xenon | 0,0054 | 2,75 | 2,59 | 2,56 |
| argon | 0,0173 | 3,04 | 2,75 | 2,66 |
| krypton | 0,0093 | 2,6 | 2,53 | 2,54 |
Tab. 1 Některé fyzikální vlastnosti zasklení s různými druhy náplní.
Další možností jak snížit energetické ztráty zasklení je začlenit velmi tenkou fólii do dutiny mezi skly.
2.1.3 Dvojsklo s fólií
Zasklení s touto fólií si udržuje hmotnost běžného dvojskla, ale tento typ zasklení dosahuje tepelně-izolačních vlastností trojskla. Jedná se o běžné dvojsklo, kde je uprostřed umístěna fólie s nízkou emisivitou. Fólie je průhledná s oběma povrchy pokrytými vrstvou s emisivitou okolo 0.12 a skleněné tabule již nemusí být pokryté žádnou další vrstvou. Působení této fólie může vylepšit izolační vlastnosti zasklení na součinitel prostupu tepla od Ug = 0.30 do 0.70 Wm-2.K-1.
2.2 Určení energetické bilance zasklení:
Výpočtová metoda je popsána v normě ČSN EN ISO 14 438, je použita pro vyhodnocení bilance energetických ztrát a využitých tepelných zisků, které procházejí do budovy přes zasklení za časové období.
Hodnota energetické bilance E pro stanovené období je určena vzorcem (1):
| Ug | součinitel prostupu tepla zasklením (W.m-2.K-1) |
| η | součinitel účinnosti využití tepelných zisků |
| g | celkový prostup slunečního záření (-) |
| f | faktor znečištění a zastínění |
| Hp | množství solární energie dopadající na plochu svislého zasklení (kWh/m2) |
| Dp | počet denostupňů (K.24 hodin) |
Pro potřeby výpočtu energetické bilance zasklení byly použity vlastní vzorce založené na exaktních energetických ztrátách a solárních ziscích na rozdílně orientovaných zaskleních, během stanovených měsíců, dní a hodin.
Pro výpočet energetické bilance byly použity následující vzorce:
- Celkové ztráty skrz zasklení během daného časového období (otopné období, měsíce, dne) Ql v MJ
| Uw | součinitel prostupu tepla (W.m-2.K-1) |
| Sw | plocha okna včetně rámu (m2) |
| Δt | rozdíl mezi průměrnou vnitřní a vnější teplotou (K) |
| D | délka časového období (s) |
- Tepelné solární zisky Qg v MJ:
| Sw | plocha okna (m2) |
| kr | korekční činitel rámu (-) |
| g | solární faktor - charakterizuje celkovou propustnost sluneční energie (-) |
| Qs | celková intenzita dopadajícího slunečního záření pro dané časové období (MJ/a) |
- Energetickou bilanci oken v MJ vypočítáme jako rozdíl mezi tepelnými ztrátami a využitými slunečními zisky
| Qbill | energetická bilance za dané období (MJ) |
| Qg | sluneční zisky v daném období (MJ) |
| Ql | energetické ztráty v daném období (MJ) |
| k | stupeň využití slunečních zisků (-) |
- Z energetické bilance v (MJ) můžeme zpětně vypočítat ekvivalentní součinitel prostupu tepla okna
| Uekv | ekvivalentní součinitel prostupu tepla (W.m-2.K-1) |
| Qbil | energetická bilance za dané období (MJ) |
| Sw | plocha okna (m2) |
| Δt | rozdíl mezi průměrnou teplotou v interiéru a exteriéru (K) |
| D | délka uvažovaného období (s) |
3. Výpočtová část:
3.1 Výpočet součinitele prostupu tepla pro různé druhy zasklení:
Počáteční podmínky:
| průměrná vnitřní výpočtová teplota | ti=20°C |
| průměrná vnější výpočtová teplota (průměrná teplota z období listopad-březen) |
te=3,1°C |
| korekční činitel rámu | kr=0,8 |
| stupeň využití slunečních zisků | k=0,7 |
| Číslo skla | Typ skla | Korekční činitel rámu | Solární faktor | Součinitel prostupu tepla sklem | Součinitel prostupu tepla oknem |
|---|---|---|---|---|---|
| kr | g | Ug | Uw | ||
| - | - | W/m2.K | W/m2.K | ||
| 1 | Izolační dvojsklo Float 4 mm-16Air-Float 4 mm | 0,8 | 0,76 | 2,8 | 3,1 |
| 2 | Izolační dvojsklo s pokovením a dutinou s argonem | 0,8 | 0,6 | 1,1 | 1,3 |
| 3 | Trojsklo s pokovením a obě dutiny plněné argonem | 0,8 | 0,48 | 0,82 | 0,85 |
| 4 | Izolační dvojsklo s fólií Heat mirror, dutina s kryptonem | 0,8 | 0,45 | 0,62 | 0,72 |
| 5 | Izolační dvojsklo s 2 fóliemi Heat mirror, dutiny s kryptonem | 0,8 | 0,35 | 0,40 | 0,5 |
Tab. 2 Vlastnosti zkoušených oken
| Číslo skla | Typ skla | Tepelné ztráty (MJ/a) | Solární zisky využité (MJ/a) | Solární zisky nevyužité (MJ/a) | Energetická bilance | Ekvivalentní součinitel prostupu tepla |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ql | Qg | Qg*(1-k) | Ql-Qg*k | Uekv | ||
| KWh.a-1 | KWh.a-1 | KWh.a-1 | KWh.a-1 | W.m-2.K-1 | ||
| 1 | Izolační dvojsklo Float 4 mm-16Air-Float 4 mm | 2107,82 | 624,23 | 267,53 | 1483,59 | 2,06 |
| 2 | Izolační dvojsklo s pokovením a dutinou s argonem | 828,07 | 492,81 | 211,21 | 335,26 | 0,46 |
| 3 | Trojsklo s pokovením a obě dutiny plněné argonem | 617,29 | 394,25 | 168,96 | 223,04 | 0,31 |
| 4 | Izolační dvojsklo s fólií Heat mirror, dutina s kryptonem | 466,73 | 369,61 | 158,41 | 97,12 | 0,13 |
| 5 | Izolační dvojsklo s 2 fóliemi Heat mirror, dutiny s kryptonem | 301,12 | 295,69 | 126,73 | 5,43 | 0,01 |
Tab. 3 Energetická bilance oken:
Kladná hodnota energetické bilance znamená tepelnou ztrátu oknem, naopak záporná znamená zisk pro celé otopné období.
Obr. 1
Na obrázku 1 jsou znázorněny poměry mezi tepelnými ztrátami a energií ze slunečních zisků. Energie ze slunečních zisků je také rozdělena na využitou a nevyužitou část, v závislosti na stupni využití slunečních zisků.
Obr. 2
Na obrázku 2 je znázorněno, jak se může měnit součinitel prostupu tepla, když je počítán také s průměrnými slunečními zisky během zimního období. Jedná se o průměr ze všech orientací ke světovým stranám. Jak je patrné, zasklení číslo 5 (izolační dvojsklo s 2 fóliemi Heat mirror, dutiny s kryptonem) má svůj ekvivalentní součinitel prostupu tepla roven 0 Wm-2.K-1.
Obr. 3
Na obrázku 3 je znázorněna závislost ekvivalentního součinitele prostupu tepla zasklení číslo 2 na orientaci okna.
3.2 Okna v pasivním domě:
Správný návrh oken znamená správně zvolit jejich velikost, typ zasklení a orientaci na světové strany. Je to velmi důležité obzvláště u pasivních domů, protože celkové tepelné ztráty celého domu mohou být velmi malé a srovnatelné s celkovými zisky od slunečního záření během zimního období. Díky dobrému návrhu oken může být pasivní dům vytápěn pouze slunečním zářením na jaře, na podzim a v teplejších zimních obdobích.
| Běžný | Pasivní | ||
|---|---|---|---|
| Obvodová stěna | 37.5 | 14.2 | W.K-1 |
| Strop | 19.7 | 12.0 | W.K-1 |
| Okna | 59.7 | 21.0 | W.K-1 |
| Podlaha | 32.8 | 20.6 | W.K-1 |
| Tepelné mosty | 47.8 | 2.3 | W.K-1 |
| Větrání | 57.0 | 10.5 | W.K-1 |
| Celkové tepelné ztráty | 254.8 | 81.0 | W.K-1 |
| Celkové tepelné ztráty | 23980.6 | 7623.3 | kWh |
| Sluneční zisky | 4485.3 | 4247.7 | kWh |
| Vnitřní zisky | 4123.6 | 4123.6 | kWh |
| Celkové zisky | 8609.0 | 8371.4 | kWh |
| Stupeň využití tepelných zisků | 0.9 | 0.7 | - |
| Potřeba energie na vytápění | 16232.5 | 1696.3 | kWh |
| Měrná spotřeba tepla ev | 40.5 | 5.0 | kWh.m-3.a-1 |
| Měrná spotřeba tepla ev | 111.4 | 13.8 | kWh.m-2.a-1 |
Tab. 4 Srovnání běžného a pasivního domu:
Obr. 4 (po kliknutí se obrázek zvětší)
Obrázek 5 znázorňuje srovnání tepelných ztrát a zisků dvou domů stejné velikosti a typologie. Struktura vnějších částí domů je odlišná, v souladu s požadavky pro běžné a pasivní domy.
Obr. 5
Celkové sluneční zisky v pasivním domě představují více než 50 % všech tepelných ztrát, proto musí být návrh jeho oken proveden velmi důkladně.
3.2.1 Energetická bilance pasivního domu:
Dvojsklo s tenkou kovovou vrstvou a dutinou vyplněnou argonem
| Měrná tepelná ztráta | Průměrná vnější teplota | Celková tepelná ztráta | Sluneční zisky | Vnitřní zisky | Celková energetická bilance | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (W/K) | (°C) | kWh | kWh | kWh | kWh | |
| Leden | 99,49 | -2,5 | 1665,52 | 374,16 | 439,20 | -1096,17 |
| Únor | 99,49 | -0,3 | 1357,25 | 598,40 | 439,20 | -630,93 |
| Březen | 99,49 | 3,8 | 1199,18 | 726,77 | 439,20 | -383,00 |
| Duben | 99,49 | 9 | 787,99 | 726,77 | 439,20 | 28,19 |
| Květen | 99,49 | 13,9 | 451,54 | 743,33 | 439,20 | 376,23 |
| Červen | 99,49 | 17 | 214,91 | 726,64 | 439,20 | 601,18 |
| Červenec | 99,49 | 18,5 | 111,03 | 668,60 | 439,20 | 664,42 |
| Srpen | 99,49 | 18,1 | 140,64 | 722,76 | 439,20 | 672,73 |
| Září | 99,49 | 14,3 | 408,32 | 520,77 | 439,20 | 263,66 |
| Říjen | 99,49 | 9,1 | 806,85 | 514,60 | 439,20 | -139,19 |
| Listopad | 99,49 | 3,5 | 1181,98 | 278,73 | 439,20 | -679,44 |
| Prosinec | 99,49 | -0,6 | 1524,88 | 182,13 | 439,20 | -1089,95 |
| 9850,11 | 6783,64 | 1412,28 |
Tab. 5
Záporné hodnoty energetické bilance vyjadřují energetické ztráty domu. V následujícím grafu je znázorněn průběh energetické bilance během celého roku. Když započteme vnitřní zisky a sluneční zisky a výsledek odečteme od tepelné ztráty, dostaneme energetickou bilanci domu.
Obr. 6
4. Závěr
Současné moderní izolační zasklení se vyznačují výbornými vlastnostmi, díky kterým se tato okna stávají zdrojem úspor energie, na rozdíl od minulosti, kdy okna byla něco jako energetické díry v domě. Máme ještě stále na mysli, že je pravdou, že okna mají horší tepelně-izolační vlastnosti, ale neměli bychom zapomínat na jejich solární vlastnosti a zisky, které přinášejí do našich domů. Tyto zisky podle typu zasklení a orientace mohou dokonce převýšit jejich tepelné ztráty. Takže okna se mohou díky ziskům změnit v nejlepší prvek vnější obvodové konstrukce domu. Žádná jiná konstrukce nemůže plnit stejnou funkci. Například pro dvojsklo s 2 fóliemi s obvyklým součinitelem prostupu tepla rovným 0.40 Wm-2.K-1 byl stanoven ekvivalentní součinitel prostupu tepla roven 0.01 Wm-2.K-1. Také například dobře orientované průměrné dvojsklo s Ug = 1.10 Wm-2.K-1 má ekvivalentní hodnotu Uekv = 0.12 Wm-2.K-1.
Tato práce obsahuje výsledky výzkumného projektu č. 103/07/0907 a byla podporována Českou grantovou agenturou.
Reference
[1] ŘEHÁNEK, J. Thermal and energy properties of buildings. Publisher GRADA 1984.
[2] VAVERKA, J. Building thermal techniques and energetic of buildings. Publisher VUTIUM 2006.
[3] FLORIÁN, M. Intelligent glazing facades. Publisher faculty of architecture ČVUT
Přeloženo z anglického originálu (Ing. Josef Knob, TZB-info)
Originál článku ve formátu PDF ke stažení.
