Vliv vlastností skla na tepelnou zátěž prostoru

V současné době se setkáváme při projektování staveb s moderními architektonickými návrhy, kde v řadě případů je navržen obvodový plášť s velkými prosklenými plochami. Tato skutečnost se samozřejmě projeví při výpočtu potřeb energií pro vytápění objektu v zimě a pro návrh vzduchotechniky a chlazení v letním období. Uvedený článek celou problematiku řeší, a to celkem v pěti možných variantách, kde jsou prosklené plochy provedené z různých skel s různými úpravami. Vzhledem k možné vysoké tepelné zátěži je zde počítáno i se součinitelem stínění v období letním. Pro výpočet energetických nároků jsou brány součinitelé odpovídající jednotlivý variantám prosklených ploch. Výsledky jsou zde sestaveny přehledně do tabulek a jsou vyhodnoceny. Pro toto vyhodnocení nebyla opomenuta ani návratnost a to na základě vypočítaných energetických úspor. Jsou zde rovněž stanoveny  ivzduchové výkony pro návrh vzduchotechnického systému. V uvedeném článku je pro jednotlivé varianty uveden velmi seriózní rozbor, který je nutný pro zpracování projektové dokumentace.
Článek je velmi instruktivní a může být užitečnou pomůckou při výpočtu energetických nároků při konkrétních projektech.

Recenzent: Karel Papež

Úvod

Při navrhování novodobých staveb jsou architekty velmi oblíbené prostorné a otevřené vstupní či výstavní prostory s prosklenou fasádou. Tyto specifické prostory se vyznačují tím, že svou půdorysnou plochou zaujímají poměrově k ostatním prostorům podstatou část půdorysu vlastní stavby. Vzhledem k tomuto a faktu, že fasáda těchto prostor je tvořena zpravidla kombinací materiálu kov a sklo, vyplývá, že právě tyto prostory se výrazně promítají do energetické bilance celého objektu.

Použití těchto prosklených fasád s sebou nese řadu úskalí, a to nejen v zimě, kdy se tepelně technické vlastnosti skla nemohou rovnat vlastnostem neprůsvitných konstrukcí, ale zejména pak v létě, kdy propouští velké množství solární energie do interiéru.

Nabízí se tedy otázka, jaké máme možnosti z hlediska návrhu prosklené fasády a jaká je finanční bilance, co se týče pořízení a návratnosti různých variant řešení?

Chceme-li prosklené fasády navrhnout ekonomicky, je vhodné čerpat informace o požadavcích na obvodové konstrukce např. z uznávané normy ČSN 73 0540 [5]. Z hlediska tepelných ztrát tato norma uvádí požadovanou hodnotu součinitele prostupu tepla pro vnější stěnu U_N= 0,30 W/(m²·K) a pro výplň otvoru U_N= 1,50 W/(m²·K). Pro letní období tato norma žádné konkrétní požadavky na obvodové stěny, ani na výplně otvorů, nemá. Udává pouze požadavek na maximální teplotu v místnosti, která v nevýrobních objektech nesmí překročit 27 °C.

Pro průsvitné konstrukce je dominantní prostup tepla sluneční radiací, vztah pro výpočet podle [6] je definován takto:

kde:

• Q_or – tepelný zisk sluneční radiací [W]
• S_o – celková plocha okna [m²]
• S_os – osluněná plocha okna [m²]
• I_o – intenzita prostupující globální sluneční radiace pro jednoduché standardní zasklení [W/m²]
• I_od – intenzita difúzní radiace procházející standardním jednoduchým zasklením [W/m²]
• c_o – korekce na čistotu atmosféry [–]
• S – stínicí součinitel [–]

Zásadním parametrem průsvitné konstrukce z hlediska propustnosti solární energie je stínicí součinitel. Norma stanovuje jeho výpočet takto:

kde:

• g – činitel prostupu solární energie [–]

Na obr. 1 je znázorněn prostup tepla radiací oknem.

Případová studie

Na následující případové studii je prakticky ukázána tepelná bilance místnosti při různých variantách zasklení. Je zde také částečně zhodnocena ekonomická stránka jednotlivých variant. Dispozice řešené místnosti je na obr. 2.

Studie řeší objekt autosalonu o dvou nadzemních podlažích. Místnost, pro kterou byly prováděny simulace, slouží jako showroom (vystavení prodávaných aut). Velké prosklení je tedy pro tento účel více než žádoucí. Místnost má výšku přes obě podlaží a je situována na SV straně objektu. Prosklená část fasády se nachází na třech stranách místnosti, tedy na SZ, SV a JV. Prosklení tvoří 51 % celkové plochy obvodových stěn. Zbylých 49 % je z tepelně-izolačních panelů s polyuretanovým jádrem. Nad prosklenou částí fasády jsou instalovány slunolamy o vyložení 1,5 m. Tepelný tok radiací je kvůli orientaci a dispozici místnosti dominantní v dopoledních hodinách.

Tepelné chování místnosti v letním období bylo simulováno ve výpočetním softwaru TERUNA. Software počítá jak chování místnosti během dne bez strojního chlazení (zejména teplotu), tak chování při zadané teplotě vnitřního vzduchu (zejména tepelné zátěže). V zimním období byly tepelné ztráty vypočteny obálkovou metodou.

Výpočtová teplota vzduchu v interiéru byla zvolena 20 °C v zimě a 24 °C v létě, což je plně vyhovující pro účel místnosti.

Pro simulaci bylo zvoleno pět různých typů skel. Všechna tato skla byla zasazena do kovových rámů se součinitelem prostupu tepla U_f = 2,54 W/(m²·K). První variantou je běžné dvojsklo tloušťky 25 mm, další variantou je stejné dvojsklo s nalepovací nereflexivní protisluneční interní fólií. Třetí variantou je taktéž sklo tloušťky 25 mm, je však vybaveno tepelným zrcadlem heat mirror, ve čtvrté variantě je zasklení vybaveno také fólií heat mirror, ale se speciální protisluneční ochranou. V poslední variantě je zasklení provedeno dvojsklem se dvěma tepelnými zrcadly.

Výpočet a konkrétní vlastnosti jednotlivých zasklení jsou uvedeny v tabulce 1.

Z hodnot součinitele prostupu tepla rámu a skla byl pro každou variantu vypočten součinitel prostupu tepla celé prosklené fasády. Maxima tepelných ztrát byla stanovena k teplotě interiéru 20 °C a teplotě exteriéru –15 °C. Pomocí softwaru TERUNA byl stanoven průběh a maximální hodnota tepelné zátěže místnosti k teplotě interiéru 24 °C a venkovní teplotě mající průběh sinusoidy s maximem 29 °C a amplitudou 11 °C. Konkrétní výsledky a jejich porovnání jsou v tabulce 2 a grafu 1. Jsou zde také uvedeny ceny jednotlivých zasklení.

Výpočty bylo zjištěno, že při instalaci běžného dvojskla je tepelná zátěž extrémně vysoká. Pokud se však toto sklo opatří nereflexivní protisluneční interní fólií, klesne hodnota solárních zisků o 28 %, cena zasklení však stoupne o 29 %. Tepelná ztráta místnosti v zimě zůstává stejná, protože instalací fólie se součinitel prostupu tepla okny U prakticky nezmění. Při porovnání va­rianty 3 a 4, tedy dvojskel s tepelným zrcadlem heat mirror, zjistíme, že tepelná zátěž se speciální protisluneční termofólií je o 24 % nižší v porovnání se skly s fólií původní, pořizovací cena je však o 21 % vyšší. Z těchto dvou variant tedy jako výhodnější vychází varianta číslo 4: dvojsklo se speciální termofólií.

Z uvedeného grafu 1 je také patrné, že speciální sklo se dvěma tepelnými zrcadly sníží tepelnou zátěž oproti sklu s jednou fólií jen nepatrně a oproti speciální fólii se zátěž dokonce zvýší. Tepelná ztráta také neklesla příliš výrazně, avšak cena tohoto skla je více než 4x vyšší než cena obyčejného dvojskla a o 60 % vyšší než cena skla se speciální termofólií.

Jako nejvýhodnější se tedy jeví varianta číslo 4, což je dvojsklo tloušťky 25 mm opatřené speciálním tepelným zrcadlem s protisluneční ochranou.

Prostá návratnost

Jelikož procentuální porovnání maxima jednotlivých ztrát, zátěží a cen není příliš průkazné, je zde uveden výpočet doby prosté návratnosti. Doba návratnosti je počítána pouze orientačně, je stanovena jen pro letní období. Ve výpočtu jsou zahrnuty pouze pořizovací náklady na skla a náklady na chlazení místnosti. Chladicí faktor je uvažován EER = 3,5 cena 1 kWh elektrické energie 4,95 Kč. Z důvodu jednoduchosti výpočtu zde není zavedeno zimní období. Protože prostup tepla skly v zimě nemá procentuálně tak velký vliv na celkovou tepelnou ztrátu, jako sluneční radiace v létě na tepelnou zátěž, je tato metoda pro orientační výpočet akceptovatelná. Jedná se tedy pouze o prostou návratnost pro období letní.

Pro výpočet prosté návratnosti je nutné znát průběh tepelné zátěže během standardního letního dne a počet těchto dnů. Podle údajů z českého hydrometeorologického ústavu byly zjištěny počty letních dní v roce, tj. dní s maximální teplotou vzduchu alespoň 25 °C. V takovýchto dnech se dá předpokládat tepelná zátěž radiací. V tabulce 3 jsou uvedeny počty letních dní v jednotlivých letech a jejich průměr.

Průběhy tepelných zátěží během standardního letního dne pro varianty 1 a 4 jsou uvedeny na obrázcích 3 a 4.

Z těchto obrázků vyplývá, že tepelná zátěž je dominantní v dopoledních hodinách. Maximální zátěže je v obou případech dosaženo v poledne, ovšem u skel s tepelným zrcadlem (varianta 4), je tato zátěž téměř poloviční oproti běžnému dvojsklu. Je zde také patrné, že tepelná zátěž, blížící se k maximálním hodnotám, je mnohem delší u běžného dvojskla. Trvá téměř pět hodin než hodnoty začnou opět klesat, kdežto u skla s heat mirror jsou to pouze asi hodiny dvě.

Výpočet prosté návratnosti a výsledky jsou uvedeny v tabulce 4.

Z tabulky je patrné, že pořizovací náklady na kvalitnější skla jsou tak velké, že doba návratnosti vychází přehnaně dlouhá. Pro druhou variantu necelých 10 let, pro varianty 3 a 4 přes 30 let a pro poslední variantu dokonce 75 let. I přestože jde pouze o letní období a o výpočet prosté návratnosti, tedy bez započtení inflace a růstu ceny elektrické energie, je pro většinu dnešních potenciálních investorů tato délka doby návratnosti nepřijatelná.

Byla by však chyba nezmínit další výhody, a s tím spojené i další úspory, vzniklé zasklením ploch kvalitnějšími skly. V místnosti je uvažován pobyt pouze asi dvaceti osob. Na každou osobu je z hygienických důvodů požadováno přivést 50 m³/h čerstvého vzduchu. Místnost má celkový objem 4700 m³. Z hygienických předpisů tedy vyplývá, že je požadováno přivést větší z hodnot 20 x 50 = 1000 m³/h (dávka vzduchu na osobu) a 4700 x 0,5 = 2350 m³/h (minimální hodnota výměny vzduchu 0,5x za hodinu). Jelikož však výměna vzduchu vypočtená z potřeby pokrytí tepelné zátěže je daleko vyšší, musí být celý vzduchotechnický systém navržen na tyto průtoky vzduchu.

Pro přehlednost a lepší porovnatelnost jsou dále uváděny výpočty jen pro va­riantu jedna a čtyři, tedy pro běžné dvojsklo a dvojsklo opatřené speciálním protislunečním tepelným zrcadlem. Porovnání potřebných průtoků vzduchu je uvedeno v tabulce 5. Z tabulky je patrné, že potřebný průtok vzduchu pro obyčejné dvojsklo je téměř dvojnásobný.

Uvedené má pak samozřejmě vliv na velikost nejen vzduchotechnické jednotky, ale i vzduchovodů a na velikost a počet koncových elementů. Na obrázku 5 je dispozice simulované místnosti a vzduchotechnického systému pro variantu běžného dvojskla.

Závěr

Předložená případová studie dokazuje, že velké prosklené plochy jsou zásadními prostory, jež ovlivňují energetickou bilanci celého objektu.

Výrobci reagují na tuto skutečnost dodávkou nových, kvalitnějších výrobků, jež se snaží eliminovat nežádoucí vlastnosti skla a minimalizovat potřeby energií pro dosažení vhodných hodnot mikroklimatických podmínek ve vnitřním prostoru objektů.

Přesto je návrh těchto prostor, jak z důvodu tepelných ztrát v zimě, tak působením sluneční radiace v letním období a z důvodu fyzikálních vlastnosti použitých materiálů, velmi zásadní. Chceme-li zabránit vynaložení zbytečně vysokých investičních nebo provozních nákladů, je velmi důležité zpracování nejen kvalitní projektové dokumentace, ale také následné ekonomické vyhodnocení.

Literatura

1. CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Technický průvodce větrání a klimatizace. 3. vyd. Praha: ČESKÁ MATICE TECHNICKÁ, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8.
2. http://www.chmi.cz. Český hydrometeorologický ústav [online]
3. Simulační software TERUNA 1.5b, http://www.technikabudov.cz/software.html
4. VÝRAVSKÁ, Z. Vzduchotechnika autosalonu. Brno, 2012. 161 s., 20 s. příl. Bakalářská práce. VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov. Vedoucí práce doc. Ing. Aleš Rubina, Ph.D.
5. ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov
6. ČSN 73 0548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů

---

Effect of the glass on internal thermal load

The authors discuss the methods of calculating the internal thermal load through the glass surfaces. Influence of different type of glazing is compared in the case study. Economics is also solved.

Keywords: glazing, heat gains, thermal load