Pasivní využívání sluneční energie

Podstatou solárního konceptu domu je pasivní využívání sluneční energie – tedy vyhřívání obytných místností přímým slunečním zářením. Nízkoenergetické domy s ohledem na poznatky o tepelném chování materiálů, jimi ohraničených prostorech a místním klimatu využívají ve zvýšené míře zisky ze sluneční energie. Jejich spotřeba energie na vytápění je o 10 až 20 % nižší než u standardních budov. Další výhodou je malé, případně nulové zvýšení nákladů na jejich výstavbu, což je podmíněno dostatečnými znalostmi principů jejich navrhování již v projekční fázi.

Základním principem při vytváření vhodných podmínek pro využívání sluneční energie je hmotové i provozní otevření stavebního objektu k jihu. Větší plocha domu by měla být na delší jižní fasádě. V této části by se měly nacházet i obytné místnosti. U orientace nízkoenergetického objektu musejí být zohledněny místní podmínky, jako je svažitost terénu a jeho směřování.

Zapomenout se nesmí na dostatečný odstup budovy od okolních stínících překážek, aby se nízké zimní slunce dostalo na jižní fasádu. Typickými znaky solárního domu jsou velká zasklení na delší jižní fasádě a malé okenní otvory na severní straně, poskytující jen nutné osvětlení vnitřních prostorů. Okna orientovaná na západ a východ přinášejí v zimě málo energie a v létě způsobují přehřívání místností.

Vytváření teplotních zón
Množství zkušeností z realizovaných budov dokazuje, že zónování půdorysu není pro nízkoenergetický dům nezbytnou podmínkou, protože zlepšováním tepelněizolačních kvalit budovy postupně ztratilo význam.

Zónování půdorysu je typickým rysem solárního domu, jehož základní koncepce se vyvinula v rámci nízkoenergetických domů první a druhé generace (v 70. a 80. letech 20. století). Přesto se při výstavbě nízkoenergetických budov solární koncept zónování prostorů nadále využívá hlavně pro orientaci obytných místností na sluneční stranu, což má nejen energetické důvody, ale i oprávnění z hlediska pozitivního působení na psychiku člověka. Obecně se místnosti v solárním domě orientují podle jejich náročnosti na teplo:

• severní (nárazníková) zóna – v ní jsou umístěny vedlejší prostory s menší frekvencí využívání, jako například koupelna, záchod, úložné a technické prostory, garáže, chodby a schodiště, jimž stačí i malá okna,
• jádrová (obytná) zóna – v ní jsou nejčastěji používané místnosti, které bývají na sluneční straně domu, jejich velkoplošná zasklení umožňují dostatečné prohřívání domu v chladném období roku,
• jižní (akumulační) zóna – tvoří ji zimní zahrada, která je přičleněná k obytné (jádrové) zóně.

Orientace místností v solárním domě závisí na jejich náročnosti na teplo. Často používané místnosti se obvykle nacházejí na sluneční straně domu a velkoplošná zasklení umožňují dodatečné prohřívání domu v zimě. Zimní zahrada na jižní straně vytváří tepelný zásobník. Na severní straně domu se nacházejí vedlejší prostory s menší frekvencí využívání a malými okny, protože okna orientovaná na sever znamenají pro dům velké tepelné ztráty. Tyto prostory zároveň vytvářejí nárazníkovou zónu proti chladu ze severní strany. Tímto způsobem se vytváří přirozený teplotní spád od centrálně umístěných obytných místností směrem k okrajově ležícím vedlejším místnostem s vyrovnávací tepelnou funkcí, přičemž různé teplotní úrovně vyloučí také jednotvárné prostorové klima v domě.

Severní zóna je řešena tak, aby byly díky různým tepelněizolačním opatřením a minimálnímu podílu okenních otvorů minimalizovány tepelné úniky. Od jádrové zóny ji odděluje masivní tepelněakumulační stěna. Stropy v severní zóně bývají z masivní konstrukce, v jádrové zóně z lehké dřevěné konstrukce (aby se v létě zabránilo extrémnímu přehřátí prostorů střední zóny). Jádrová zóna je otevřená směrem na jih, odkud přijímá tepelné zisky ze slunečního záření. Jižní zóna je přitom konstrukčně předsazená před objekt.

Konstrukční řešení nosných prvků, stropů a otvorů umožňuje přirozenou cirkulaci vzduchu v domě, přičemž v zimním období teplý vzduch prochází do severní části domu. V létě studený vzduch ze severní části ochlazuje přehřátý vzduch. V letním období tvoří zimní zahrada oddělený systém, aby se zabránilo nežádoucímu prostupu teplého vzduchu do domu (je odváděn otvorem v horní části skleníku).

Z energetického hlediska je samozřejmě nejvýhodnější, pokud je severní prostor nevytápěný, ale může do něj netěsnostmi pronikat vzduch z teplého obytného prostoru a vzdušná vlhkost může kondenzovat na vnitřním povrchu obvodového pláště. Proto by teplotní rozdíl mezi zmíněnými prostory neměl překračovat 5 až 8 °C a případně by mělo být zabezpečeno nezbytné temperování vyrovnávacích místností.

Akumulace tepla
Akumulace tepla, tedy shromažďování tepelné energie, vzniká při dopadání slunečních paprsků na ozářenou plochu z masivního materiálu. Zachycením a uchováním tepla je možno dosáhnout poměrně velkých tepelných úspor, protože energii, která je zachycena a uchována, není třeba budově opět dodávat.

Akumulace tepla se dá dosáhnout pomocí těchto opatření:

• kompaktní stavební formou,
• zlepšením geometrie budovy,
• zvýšením teploty v okolí budovy (například zasazením budovy do terénu, ochrannou vegetační zábranou apod.).

Teplo z akumulačních hmot je využíváno především v době jeho deficitu, tedy hlavně v noci, v zimě a v přechodném období. Vyvážený poměr tepelněakumulačních schopností budovy a velmi dobrých tepelněizolačních parametrů obvodového pláště zároveň výrazně přispívá k vytvoření optimálního vnitřního klimatu.

Akumulační schopnost budovy může zejména ve spojení s pasivním využitím sluneční energie snížit nároky na vytápění a chlazení. Aby konstrukce stěny, podlahy a stropu mohly sloužit jako akumulační hmoty, měly by být zhotovené z materiálů s vysokou hustotou a specifickou tepelnou kapacitou, například z betonu, cihly, kamene apod.

Pasivní solární prvky
Pasivní solární prvky jsou konstrukce využívající teplo slunce, ve kterých se energetický transport mezi kolektorem, zásobníkem a samotným spotřebitelem tepla odehrává bez použití další mechanické energie.

S jejich použitím je třeba počítat už při samotném návrhu budovy, protože jejich účinnost je dána orientací budovy, takže jsou závislé na koncepci domu, půdorysu (zónování), tepelné izolaci a konstrukci (akumulační hmota). Kromě získání tepla skýtají další pobytové prostory (zimní zahrada) a lepší akustickou ochranu.

Nejdůležitějším prvkem pro ohřívání domu solární energií jsou okna. Optimální velikost oken závisí na akumulačních schopnostech celého systému. Celková plocha oken by neměla přesáhnout 25 % plochy vnějších stěn a zároveň by neměla překročit čtvrtinu příslušné podlahové plochy. Větší okna mají smysl jen v kombinaci se zásobníky, ve kterých je uskladňováno přebytečné teplo. U energetické bilance obytných prostorů sehrává důležitou roli i procentuální vyčíslení plochy oken vzhledem k ploše obvodové zdi. Minima spotřeby energie na vytápění jsou dosahována při 30 až 45 % plochy okna vzhledem k ploše obvodové zdi v případě jižní orientace oken (může však být i více než 60 %), při orientaci na východ a na západ jde o 25 až 40 %, při severní orientaci 15 až 25 %. Zvláštní pozornost z tepelnětechnického hlediska vyžadují okna osazená do střešní roviny (vikýře a střešní okna).

Přínos zimní zahrady k tepelným ziskům závisí na způsobu jejího provozu. V případě snahy vytvořit celoročně příjemné klima musí být skleník v zimě vytápěn, respektive značnou část tepla je třeba v létě odvětrat pryč, čímž se jeho energetická bilance stává více méně neutrální. Dobrý nevytápěný sluneční kolektor ve formě zimní zahrady není obyvatelný po celý rok, ale jen 40 % denních hodin v roce. Zimní zahrada je umisťována většinou na východní nebo západní straně fasády, aby jižní fasáda zůstala volná pro okna a aby zároveň bylo zachováno zásobování místností na severu, východě a západě teplým vzduchem ze zimní zahrady.
Zvláštními zařízeními na pasivní získávání tepla jsou Trombeho stěna a transparentní izolace.

Ochrana proti přehřívání budovy
Prvořadým cílem letní tepelné ochrany je zabránění vnitřnímu přehřátí prostorů. Tato ochrana je v létě pro provoz a vyrovnané vnitřní klima budovy stejně důležitá jako vytápění v zimních měsících. Je rovněž vhodné omezit používání elektrických ventilačních zařízení a uplatnit z ekologického i ekonomického hlediska méně náročná, ale dostatečně účinná opatření, jako například mechanické stínění (formou konstrukční, technické nebo vegetační ochrany), dostatečné větrání, preferovat masivní hmotu budovy a vodní plochy. Důležitým činitelem je v tomto případě i samotný uživatel se svými návyky a chováním.

Zpracováno podle publikace Nízkoenergetický ekologický dům, autor Ernest Nagy, vydalo vydavatelství JAGA GROUP, s. r. o., v roce 2002

Foto: Bienhaus a JAGA