Okna jako zdroj tepla v zimním období s plusovou energetickou bilancí

Doposud jsme se zabývali problematikou úniků tepla, ale nyní se dostáváme k jedné z nejzajímavějších kapitol celého seriálu – k solárním ziskům a k energetické bilanci oken. Pokud totiž uvažujeme o oknech, aby tvořila i zdroj tepla v zimě, vyplatí se znát výsledky studie Dánské technické univerzity, opírající se o měření na skutečných stavbách za ostrého provozu. Studie ve stručnosti říká, že zasklení, správně naladěné na vyšší prostup solární energie, byť s horším izolačním účinkem, pokud je umístěné na osluněné straně (tedy všechny světové strany mimo SZ, S a SV), vpustí dovnitř během topné sezony více tepla, než kolik jím uteče ven. Tedy, že má energeticky plusovou bilanci.

Protože toto téma je natolik významné, pojďme se ponořit do problematiky hlouběji:
Graf [1] zobrazuje množství sluneční energie, které během roku dopadá na svislé okno z různých světových stran (region Praha). Sluneční energie, která v době topné sezony (tedy od půlky října do půlky dubna) dopadne na okna orientovaná na východ – jih – západ, je tak velká (průměrně 171 kWh/m²), že bychom nemuseli v domě vůbec topit, pokud bychom ji uměli získat a také správně využít (rozvést po celém domě).

Navrhnout dům, aby měl co nejvyšší solární zisky a uměl získaným teplem topit i v neosluněných místnostech, a zaizolovat jej, aby teplo neuteklo, je práce pro zkušené projektanty. Stejně jako vyřešit stínění v létě. Nebudeme zde suplovat jejich práci, zaměříme se pouze na co nejvíce plusovou energetickou bilanci oken.

Než se podíváme na výsledky dánské studie, která nám poskytuje vynikající návod, zopakujme si pár oknařských pojmů:
– Čím lépe okno izoluje, tím menší je jeho součinitel prostupu tepla Uw.
– Čím větší má schopnost propustit sluneční energii, tím větší má G (gain – zisk).

Všechny hodnoty ze studie jsou vztažené pouze k topné sezoně, tedy od půlky října do půlky dubna, přičemž všechna okna byla orientována na osluněné strany (východ – jih – západ). V oknech byla osazena trojskla i dvojskla, ale s různými pokovy, buď naladěnými na větší solární prostup, anebo na větší izolační účinek.

Nejlépe vyšlo okno s Uw = 1,3 W/m².K a G = 63 %. Energetická bilance: +3,8 kWh/m². Okno s nejvyšším prostupem G = 64 %, Uw = 1,4 W/m².K už plusové bilance nedosáhlo: –3 kWh/m².

Nejhůře mezi okny dopadlo to, které izolovalo nejlépe: Uw = 1,0 a G= 42 %. Energetická bilance: –8 kWh/m².

A úplně nejhorší energetickou bilanci měla zeď s U = 0 ,15 W/m².K (tedy v pasivním standardu): –12 kWh/m².

Z výsledků studie vyplývá jako hlavní, že pokud bychom sebehorší okno orientované na V-J-Z nahradili výborně izolující zdí, protopíme více!

Pojďme si říci o možnostech, jak docílit té úplně nejlepší energetické bilance dnes, s možnostmi, které nám nabízí současný technický pokrok.

Energie ze Slunce se k nám šíří v podobě elektromagnetických vln. Viditelné světlo ji přenáší polovinu, ta druhá je obsažena v blízkém infračerveném záření. Sklem prochází tato energie rozdílně. Obyčejným floatem projde přibližně 88 %. Dražším, odbarveným 90 %. Co neprojde, se odrazí nebo pohltí.

Pokud je na skle pokov, prochází jím sluneční energie výrazně méně, podle toho, jak je pokovení naladěno. Nejvíce izolačním s emisivitou jen 1 % projde pouze 52 %. Existují však i pokovy s vyšší emisivitou, tedy s horším izolačním účinkem, avšak naladěné na maximální solární zisk s prostupem i 79 %.

Obecně platí, že maximální solární zisk i nejlepší izolační účinek zajistíme, pokud bude zasklení tvořit co největší plochu otvoru a rámy budou zabírat plochu co nejmenší. Nejlépe tento požadavek řeší bezrámové zasklení (viz. obr.), kdy sklo přímo přechází do ostění, tedy žádný rám není. Okraje skel jsou schovány v tepelné izolaci, která izoluje vždy mnohem lépe, než by dokázal sebelepší rám.

Každé sklo má přirozenou reflexi, díky níž cca 10 % sluneční energie odráží. Proto výrobci nabízí skloviny s antireflexními povrchy, díky nimž je tato reflexe částečně potlačena. Bohužel se jedná o velmi drahá řešení.

Dalšího plusového efektu lze docílit optimalizací nanovrstev pokovů, aby skla měla nízkou emisivitu, ale propouštěla stále ještě hodně sluneční energie. Dnes je na trhu nová, velmi dobře vyladěná sklovina s emisivitou pokovu jen 3 % a velkým prostupem energie 73 %.

Třetí důležitou věcí je správné řazení skel za sebou tak, aby docházelo k co nejnižšímu úbytku sluneční energie díky lomům světla. Pokud bude nepokovené sklo umístěno jako venkovní, prostup celým zasklením bude vyšší, než když bude tato propustnější vrstva uprostřed. Jen je třeba ošetřit vyšší namáhání prostředního pokoveného skla, aby zvládlo tepelné pnutí, pokud by sklo bylo částečně zastíněné.

Souhrn
Soustředíme-li se na maximálním solární zisk, vyrobíme dnes trojsklo se super G = 72 %, které díky kryptonu bude i velmi dobře izolovat: Ug = 0,52 W/m².K.

Nebo se můžeme soustředit na maximální izolační účinek, kdy prostup nebude tak vysoký jako v předchozím případě, ale výsledkem bude trojsklo s Ug = 0,43 W/m².K (také s kryptonem) a také velmi velkým G = 70 %.

Obě tahle trojskla jsou dnes skutečně vyrobitelná a představují současné technické maximum, ale obě využívají drahý krypton i velmi drahé antireflexní vrstvy na všech sklech, které výrazně navyšují jejich cenu a prodlužují dobu jejich ekonomické návratnosti.

Pokud bychom hledali nějaké „ideální“ zasklení v běžné cenové relaci, lze vyrobit trojsklo s levným argonem, výborným izolačním účinkem Ug = 0,52 W/m².K a velkým solárním ziskem G = 64 % i bez antireflexních vrstev.

Tabulka ukazuje, jak se projeví všechna tři zasklení v dnešních oknech, počítaná podle stejné metodiky jako ve studii Dánské technické university – tedy hodnoty jsou srovnatelné i s jejich výsledky, kde vítězné okno dosáhlo bilance „jen“ +3,8 kWh/m².

Energetická bilance oken v topné sezoně orientovaných na osluněné strany (V-J-Z). Ug = 0,52 W/m².K
G = 
72 %
U= 0,43 W/m².K
G = 
70 %
Ug = 0,52 W/m².K
G = 
64 %
V bezrámové zasklení
(v 15 cm fasádní izolace)
+76,7 kWh/m² +78,7 kWh/m² +63,0 kWh/m²
Ve špičkovém rámu
(s Uf = 0,7 W/m².K)
+70,3 kWh/m² +72,5 kWh/m² +56,6 kWh/m²
V moderním rámu
(s Uf = 0,9 W/m².K)
+60,7 kWh/m² +64,5 kWh/m² +47,0 kWh/m²
V levném rámu
(s Uf = 1,1 W/m².K)
+54,3 kWh/m² +58,9 kWh/m² +40,6 kWh/m²

Energetická bilance oken v topné sezoně orientovaných na osluněné strany (V-J-Z).

Rozdíly nejsou lineární, protože na výsledné vlastnosti oken mají významný vliv i okrajové podmínky (oknaři označované řeckým písmenem Ψ), které jsou uvažovány pro všechna tři zasklení stejné.

Poznámka na závěr:
Dánská technická universita porovnávala okna s tehdy běžnými rámy (Uf = 1,4 W/m².K a horší) i tehdy dostupným zasklením, kdy ještě na trhu nebyly pokovy, které by měly velký izolační účinek i s velkým prostupem sluneční energie. Proto jsou její výsledky proti současným možnostem výrazně horší.

MICHAL BÍLEK

Literatura:
1) HEJHÁLEK J. Dřevěná okna jako zimní zdroj energie, jak je naplánovat a vybrat. stavebnictvi3000.cz, [cit. z 2016-09-03]. Dostupné z http://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/drevena-okna-jako-zimni-zdroj-energie-jak-je-naplanovat-a-vybrat/

Michal Bílek (*1970)
je absolventem SPŠ Elektrotechnické, po maturitě emigroval do Německa. Do ČR se vrátil v roce 1993, kdy začal pracovat v odvětví TZB. V současnosti působí jako CEO ve třech společnostech a jako prezident nadnárodní asociace SIGFA. Díky celoživotnímu samostudiu a mnohaletým zkušenostem v oboru se dnes věnuje vývoji nových řešení pro stavebnictví se zaměřením na úsporu energie a solární zisky.

Energetická bilance oken v topné sezoně orientovaných na osluněné strany (V-J-Z).