Roční energetická bilance oken: případová studie
Velikost solárních zisků transparentními plochami obálky budovy je závislá především na velikosti a orientaci zasklení a celkové propustnosti slunečního záření g. Velké prosklené plochy zajišťují tedy při vhodné orientaci velké solární zisky, jsou ale také nejslabším místem tepelněizolační obálky budovy. Pomocí počítačové simulace byl vypočítán vliv kombinace součinitelů prostupu tepla zasklení Ug a celkové propustností slunečního záření g na měrnou potřebu tepla na vytápění vybraného energeticky pasivního domu. Příspěvek pojednává o energetické bilanci okenních výplní pro různé kombinace parametrů zasklení v souvislosti s jejich orientací.
1. Úvod
U budov s téměř nulovou spotřebou energie se mimo jiné klade důraz na maximální využití solárních zisků, které velkou měrou ovlivní potřebu tepla na vytápění a tím i provozní náklady. Transparentní části obvodového pláště jsou těmi nejdůležitějšími pro využití energie slunečního záření. U oken je velikost solárních zisků závislá především na velikosti a orientaci zasklení a celkové propustnosti slunečního záření g. Velké prosklené plochy, které sice při vhodné orientaci zajišťují velké solární zisky, jsou ale také nejslabším místem tepelně izolační obálky budovy. Z toho důvodu je vhodné již při rané fázi projektování využít simulačních a výpočetních softwarů pro zjištění nejvhodnějších technických řešení, která vedou k dosažení co nejnižších provozních nákladů. Díky počítačovým simulacím můžeme modelovat na zvolené budově vliv výplní otvorů s rozdílnými hodnotami součinitelů prostupu tepla (Ug) s příslušnými hodnotami celkové propustnosti slunečního záření (g) na měrnou potřebu tepla na vytápění modelového energeticky pasivního domu. Další podmínkou pro využití energetických zisků pro snížení provozních nákladů domu je zajištění dostatečné tepelně akumulační schopnosti stavebních konstrukcí využívajících akumulaci citelného tepla nebo akumulaci při změnách skupenství [1].
2. Materiál a metodika
2.1 Modelovaná budova
Pro simulaci byl vybrán energeticky pasivní rodinný dům v Rapoticích (obr. 1), který je samostatně stojící, dvoupodlažní, nepodsklepený a s pultovou střechou. Založený je na 250 mm tlusté železobetonové základové desce umístěné na 200mm vrstvě extrudovaného polystyrenu (XPS). Pultová střecha je zateplena 350 mm expandovaného polystyrenu (EPS). Nosná část obvodové stěny je tvořena pórobetonovými tvárnicemi tl. 200 mm, které jsou zatepleny 300 mm „šedého“ EPS. Pasivní solární zisky jsou zajištěny značnou plochou oken na jižní fasádě se zasklením trojskly (Ug = 0,58 W‧m−2‧K−1, g = 0,6). Pro snížení rizika letního přehřívání jsou instalovány předokenní žaluzie a stínící konstrukce (slunolam). Pro akumulaci energie slunečního záření je v budově možno využít hmotných stavebních konstrukcí, tj. kvalitně zatepleného obvodového pláště a vnitřních nosných a nenosných konstrukcí na bázi pórobetonu.
Obr. 1: Pohledy na modelovaný rodinný dům a půdorysy jednotlivých podlaží
Ke snížení tepelné ztráty větráním (a tím celé energetické náročnosti domu) je instalováno nucené větrání zajišťované vzduchotechnickou jednotkou s křížovým deskovým výměníkem pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu s účinností až 88 %. Zároveň je díky nucenému větrání zajištěna hygienická výměna vzduchu v pobytových místnostech (55,5 m3·h−1 pro 2 osoby), čímž přispívá k vyšší kvalitě vnitřního prostředí. Vytápění vnitřních prostor je zajištěno instalovanými elektrickými infrapanely o výkonu 500 W, které jsou umístěny na stropech všech obytných místností. Doplněny jsou ještě elektrickými topnými žebříky v koupelnách. Větrací vzduch je do jednotky nasáván přes 36 m dlouhý zemní výměník tepla v hloubce 3 m, který je z PE potrubí DN 250 mm. Zemní výměník zajišťuje předehřev větracího vzduchu v zimním období a předchlazování čerstvého vzduchu v letním období. Teplá voda je připravována v 300l zásobníku za pomocí elektrického topného tělesa. V rodinném domě byl proveden Blower Door test (metoda „3“ dle ČSN EN ISO 9972 [2]) s výsledkem 0,44 h−1. V budově není instalováno žádné strojní chlazení. Detailnější popis je uveden v tab. 1.
| Geometrická data | |
| Objem stavby V | 635,4 m3 |
| Ochlazovaná plocha A | 458,9 m2 |
| Poměr A/V | 0,72 [–] |
| Počet podlaží | 2 |
| Čistá podlahová plocha | 139,3 m2 |
| Energeticky vztažná plocha | 195,5 m2 |
| Tepelnětechnické vlastnosti obálky | |
| Vnější stěna | U = 0,097 W‧m−2‧K−1 |
| Podlaha na zemině | R = 6,10 m2‧K1‧W−1 U = 0,159 W‧m−2‧K−1 |
| Střecha | U = 0,107 W‧m−2‧K−1 |
| Okna Dveře | Uf = 0,93 W‧m−2‧K−1 Ug = 0,58 W‧m−2‧K−1 g = 0,6 Ud = 0,54 W‧m−2‧K−1 |
| Prosklení fasády | S – 1,4 m2 = 2 % (zasklení 52 %, rám 48 % plochy oken) V – 0,2 m2 = 0,4 % (zasklení 47 %, rám 53 % plochy oken) J – 15,4 m2 = 19 % (zasklení 76 %, rám 24 % plochy oken) Z – 4,9 m2 = 9% (zasklení 75 %, rám 25 % plochy oken) |
| Blower Door test, Metoda „3“ dle ČSN EN ISO 9972 | n50 = 0,44 h−1 |
| Systémové charakteristiky | |
| Vytápění | Infrapanely Sun Waves 3× SW 500W-K – výkon 500 W / panel |
| Příprava teplé vody | Elektrický ohřívač 300 l, DRAŽICE – OKCE 300 S/1 MPa (2,2 kW, 1 topné těleso) |
| Vzduchotechnická jednotka | Nilan Comfort 300 – účinnost rekuperace 88 % (na 200 m3‧h−1) |
| Zemní výměník tepla | délka 36 m, hloubka 3 m, průměr DN250, PE, Rehau SN 100 |
2.2 Simulační nástroj
Jako simulační software byl zvolen nástroj PHPP (Passive House Planning Package) [3] od Passive House Institute v Darmstadtu, který je celoevropsky uznávaným a nejpoužívanějším nástrojem pro návrh pasivních domů. Nástroj používá svůj vlastní nenormový postup výpočtu, který je odvozen z výsledků složitých dynamických simulací. Z v nástroji používané sady českých klimadat bylo možné vybrat umístění stavby pro lokalitu Brno-venkov.
Při modelování zemního výměníku musíme pro hodnotu efektivní účinnosti použít další výpočetní programy, které potřebnou hodnotu spočítají. Byl použit program PHluft [4] od stejného autora, který vyčíslil jeho účinnost na 21 %.
Ve výpočtu je uvažováno vodorovné stínění 1250 mm předsazenou konstrukcí na jižní straně (ve výšce 425 mm nad horním nadpražím oken), která má úkol odstínit přímé slunečnímu záření v letním období, které by vedlo k přehřívání interiéru. Současně ovšem tento slunolam není překážkou při získávání solárních zisků v topném období, kdy je Slunce nízko. Dále se uvažuje u všech oken se stejným okenním rámem šířky 135 mm, se součinitelem prostupu tepla Uf = 0,8 W‧m−2‧K−1 a lineárním činitelem prostupu tepla distančního rámečku zasklení Ψ = 0,03 W‧m−2‧K−1. Ve výpočtu jsou provedeny varianty použití zasklení s různými parametry tak, jak se vyskytují v běžné stavební praxi.
| Součinitel prostupu tepla zasklení Ug [W‧m−2‧K−1] | Celková propustnost slunečního záření g [–] |
|---|---|
| 0,4 | ≤ 0,4 |
| 0,5 | ≤ 0,5 |
| 0,6 | cca 0,5 až 0,6 |
| 0,7 | cca 0,5 až 0,7 |
| 0,8 | cca 0,5 až 0,7 |
3. Výsledky a diskuse
Obr. 2: Celková roční bilance severních oken
Na obr. 2 až obr. 5 jsou prezentovány vypočtené roční energetické bilance vybraných oken orientované k příslušným světovým stranám. Varianty zasklení jsou rozděleny do pěti skupin podle Ug a ke každé skupině jsou přiřazeny odpovídající celkové propustnosti solárního záření g.
Z celkové roční bilance severních oken (obr. 2) je patrné, že všechny typy zasklení vykazují zápornou energetickou roční bilanci. Z hlediska energetické náročnosti je v tomto případě nejlepší variantou zasklení s Ug = 0,4 W‧m−2‧K−1 a g = 0,4, nejhorší pak s Ug = 0,8 W‧m−2‧K−1 a g = 0,5. Rozdíly mezi jednotlivými variantami jsou i díky malé ploše zasklení minimální a nejvyšší rozdíl činí 38 kWh‧a−1.
Obr. 3: Celková roční bilance východních oken
Na východní straně objektu se nachází pouze jedno malé okno, a tudíž rozdíly mezi jednotlivými variantami jsou minimální (obr. 3). Opět se jedná ve všech případech o zápornou energetickou bilanci, která je pro všechny varianty téměř shodná (největší rozdíl činí 6 kWh‧a−1).
Obr. 4: Celková roční bilance jižních oken
Na jižní straně však nastává situace, kdy jsou rozdíly výsledků významné (obr. 4). Díky velké ploše zasklení a velkému solárního ozáření jsou všechna okna v ročním součtu energetickým přínosem pro budovu, přičemž rozdíly mezi jednotlivými variantami jsou velké. Největší rozdíl je 987 kWh‧a−1, a to mezi variantou s Ug = 0,5 W‧m−2‧K−1 a g = 0,4 a energeticky nejvýhodnější variantou s Ug = 0,7 W‧m−2‧K−1 a g = 0,7.
Obr. 5: Celková roční bilance západních oken
Na západní straně (obr. 5) dochází k situaci, že v některých případech převažuje záporná bilance energie, ale ve většině variant mají okna kladnou energetickou bilanci. Opět je nejvýhodnější variantou zasklení s Ug = 0,7 W‧m−2‧K−1 a g = 0,7, přičemž rozdíl oproti nejhorší variantě s Ug = 0,8 W‧m−2‧K−1 a g = 0,5 je 229 kWh‧a−1.
Díky vyššímu solárnímu faktoru zasklení rostou pochopitelně energetické zisky ze slunečního záření, které kromě snížení potřeby tepla na vytápění mohou mít i negativní vliv, a to v podobě rizika letního přehřívání interiéru.
Obr. 6: Měrná potřeba tepla na vytápění objektu
V následujícím grafu (obr. 6) je vidět, jak s různými variantami parametrů zasklení se pohybuje i měrná potřeba tepla na vytápění objektu. Díky větším solárním ziskům se snižuje potřeba tepla na vytápění. Parametry zasklení mají velký vliv na energetickou bilanci domu, protože při užití v daném případě nejlepší varianty zasklení (Ug = 0,7 W‧m−2‧K−1 a g = 0,7) je vypočítaná roční měrná potřeba tepla na vytápění objektu 16,0 kWh‧m−2‧a−1, zatímco u nejhorší varianty (Ug = 0,8 W‧m−2‧K−1 a g = 0,5) je to 23,2 kWh‧m−2‧a−1. Rozdílných 7,2 kWh‧m−2‧a−1 je v případě energeticky pasivního domu velmi významná hodnota.
Z grafu na obr. 6 se dá dále vyvodit, že celková propustnost slunečního záření g prosklenou plochou má v tomto případě větší vliv na úsporu energie na vytápění než součinitel prostupu tepla Ug těchto prvků. Důkazem je to, že rozdíly měrné roční potřeby tepla na vytápění mezi jednotlivými kategoriemi solárních faktorů g v jedné skupině součinitele prostupu tepla Ug jsou cca 3× větší, než rozdíly stejného solárního faktoru v různých skupinách Ug. S vědomím toho, že s klesající hodnotou součinitele prostupu tepla zasklení obvykle klesá propustnost solárního záření a toho, že na každou ze světových stran dopadá podstatně rozdílná intenzita slunečního záření, je vhodné kombinovat zasklení s různými parametry s ohledem na jejich orientaci ke světovým stranám. V případě užití vždy energeticky nejpřínosnějšího zasklení k příslušné světové straně by se výsledná měrná potřeba tepla na vytápění pohybovala u daného domu ve výši 15,9 kWh‧m−2‧a−1.
4. Závěr
Na závěr lze konstatovat, že okna jsou prvkem obálky pasivního domu, kterým se dá efektivně ovlivňovat roční měrná potřeba tepla na vytápění. Ačkoliv, co se týká součinitele prostupu tepla, jsou výplně otvorů (okna) nejslabším místem obálky budovy, mohou v roční bilanci představovat prvek, díky kterému je možno využít obnovitelnou energii slunečního záření. Výsledky výpočtů potvrdily, že nejdůležitějším faktorem majícím vliv na energetickou bilanci oken je orientace ke světovým stranám. Zatímco na severní straně mají okenní výplně prakticky vždy zápornou roční bilanci, tak naopak na jižní straně solární zisky okny v ročním součtu snižují potřebu tepla na vytápění. Výsledná energetická bilance dále závisí na velikosti oken a jejich fyzikálních vlastnostech. Případová studie ukázala, že mnohem větší vliv na kladnou energetickou bilanci oken má hodnota propustnosti slunečního záření zasklení g než jeho součinitel prostupu tepla Ug.
Obdobné výsledky výpočtů energetické bilance lze u staveb stejného účelu a obdobné velikosti očekávat pouze v případě, kdy je dodrženo pravidlo, že největší plocha transparentních částí obálky budovy je orientována k jihu. Toto pravidlo samozřejmě není v reálných podmínkách možné dodržet vždy např. z důvodu natočení pozemku ke světovým stranám, charakteru okolní zástavby, místnímu regulativu nebo potřeby zajištění výhledu do volné krajiny např. na severní straně. Pro budovy s jiným způsobem užívání, např. administrativní nebo školské, nejsou výsledky studie použitelné. Zejména pak z důvodu, že velikost a potřeba umístění výplní otvorů u těchto budov jsou významně odlišné od zvoleného rodinného domu.
Poděkování
Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. 19-20943S „Kompatibilita plastů a kovů s materiály pro akumulaci tepla při změnách skupenství pro aplikaci v budovách“ podporovaného Grantovou agenturou České republiky.
5. Literatura
- MEHLING. H.; CABEZA L. F. Heat and cold storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. 308 s.
- ČSN EN ISO 9972 Tepelné chování budov – Stanovení průvzdušnosti budov – Tlaková metoda. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2017.
- PHPP, Passive House Planning Package 2007, Passivehaus Institut Darmstadt, 2007.
- PPHLuft 1999, Passivhaus-Lüftungsanlagen, Passivehaus Institut Darmstadt.
The paper deals with the energy balance of windows for different combination of glazing parameters in connection with their orientation. Sum of solar gains through the transparent surfaces of a building envelope depends mainly on the size, their orientation and the g-value. Large glazed surfaces with correct orientation ensure large solar gains, but they are also the weakest part of the thermal isulating building envelope.
The influences of various U-value (Ug) and g-value of glazing on the energy performance of selected passive house were calculated by the use of computer simulation.
