Volba vhodného izolačního zasklení pro moderní okna – 3. část

Kvalitní a dobře izolující trojskla se mohou na vnější straně rosit či dokonce namrzat. Je to běžný, i když nepříjemný jev. Ale pomocí moderní technologie odstranitelný. Stejně tak je pomocí moderní technologie možné docílit toho, aby nám vnitřní skla vytápěla interiér bez toho, že by na ně svítilo slunce. Obě tyto moderní technologie jsou však známé spíše v teoretické rovině. Jak je to ale s jejich praktickým využitím? I s touto otázkou jsme se obrátili na Michala Bílka z brněnské společnosti Energy IN s.r.o.

Proč se rosí a namrzá venkovní plocha skla?

Častým jevem na dobře izolujících sklech je ranní kondenzát a v zimě námraza. Negativní reakce uživatelů, kteří u prodejců tento jev reklamují, protože chtějí přes okna vidět, jsou odbývány konstatováním, že je to právě důkaz o velmi dobré izolační schopnosti, protože na hůře izolujících sklech se kondenzát na vnějším povrchu netvoří, jelikož je ohříván z interiéru. Bohužel však již nevysvětlí, proč se to děje a hlavně jak tvorbě kondenzátu zabránit. Většinou proto, že to neví. Pojďme si o této problematice říct více.

Venkovní (exteriérová) skla si díky své velké emisivitě (schopnosti sálat teplo) vyměňují teplo s okolními předměty (stromy, zábradlím, protějšími fasádami i s oblohou). Teplejší povrchy odevzdávají sáláním své teplo těm studenějším, které se jeho absorpcí ohřívají. Čím je rozdíl teplot větší, tím více energie se sáláním přenáší. Přenos tepla je velmi intenzivní a s každým stupněm rozdílu teplot roste násobně více.

V zimě jsou okna vždy teplejší než stromy, zábradlí, silnice, či fasády okolních domů, tedy předávají svému okolí více tepla, než kolik ho samy přijímají.

Pokud je teplota povrchu vnějšího skla +5 °C a teplota okolních předmětů je 0 °C, vyzáří se z 1m² okna až 20 W!

Teplotu povrchů samozřejmě ovlivňuje i proudící vzduch. Teplejší předměty ochlazuje, studenější ohřívá, takže dochází k určitému srovnání všech povrchových teplot a vliv sálání se při silnějším větru logicky snižuje.

Avšak za jasných zimních nocí je povrch všech sálavých předmětů na zemi i přes proudění větru zcela zásadně ovlivněno teplotou oblohy, protože ta je velice studená (v zimě až -60 °C) a vítr u povrchu země ji nijak neohřívá. Sálavé povrchy s teplotou okolo 0 °C vyzáří do studené troposféry i více jak 100 W/m² ať si fouká vítr, jak chce silně.

Protože skla mají velmi velkou schopnost sálat teplo, klesá na jejich povrchu teplota nejrychleji. Jakmile se dostane pod rosný bod vzduchu, objeví se kondenzát.

Kondenzát na vnějším skle

U dvojskel tento jev nastává jen velmi zřídka (při opravdu silných mrazech), protože díky špatnému izolačnímu účinku uniká z interiéru tolik tepla, které venkovní sklo ohřívá, že povrch venkovní tabule pod rosný bod neklesne. Ale za tento komfort ranního výhledu bohužel musíme zaplatit. A to mnohem více, než jsme si sami ochotni přiznat.

Během jasné zimní noci se od studenějších povrchů ochlazuje i vzduch a díky tomu chládnou více i povrchy (studenější vzduch má menší schopnost „ohřívat“ a studená troposféra přijímá zářením předmětů na Zemi stále velké množství tepla). Po několika desítkách minut je teplota venkovních tabulí u trojskel už pod bodem mrazu a kondenzát na skle zmrzne.

Jenže i led má velkou schopnost sálat, takže i jeho teplota vlivem záření noční oblohy stále klesá. Od půlky noci je venkovní povrch skla běžně o 10 a více stupňů studenější, než přes den, takže z denních výpočtových (∆t) 20 K je v noci i více jak 30 K, takže únik tepla okny za jasných nocí je běžně o více jak 50 % vyšší než přes den (a to platí nejen pro zimu, ale i na jaře a na podzim, kdy má noční jasná obloha teplotu hluboko pod bodem mrazu).

Řešením je nejen velmi dobře izolující zasklení (s nízkým koeficientem U skla), ale především nesálavý povrch na venkovním skle, díky němuž se:

• kondenzát na venkovním skle nevytvoří (tím, že vnější sklo nebude své teplo schopno zářit, teplota jeho povrchu se nikdy nedostane pod rosný bod vzduchu),
• velmi výrazně sníží únik tepla, a to i přes den (sklo s nízkoemisivní vrstvou přes den vysálá méně než 1 W/m², tedy 20x méně než sklo bez této vrstvy, v noci pak je rozdíl ještě výraznější)
• díky faktu, že se nebude sáláním ochlazovat venkovní sklo, bude i vnitřní sklo výrazně teplejší, což podstatně zvýší tepelnou pohodu v místnosti a významně klesne riziko tvorby kondenzátu na interiérovém skle (i u dvojskel)

Jak ale získat nesálavý povrch na vnějším skle?

Tak jako se dnes v magnetronu nanáší nízkoemisivní nanovrstva na stranu skla otočenou do komory – tzv. měkký pokov, lze stejně nanést na druhou stranu skla speciální tzv. tvrdé pokovení, které je pro viditelné světlo průhledné, ale pro tepelné sálání odrazivé, resp. nízkoemisivní (s velmi malou schopností sálat teplo) a tvořené materiály, které jsou odolné vůči atmosférickým vlivům. Tato obou­stranně pokovená sklovina není bohužel běžně dostupná, protože výrobci izolačních skel o této možnosti příliš nevědí a netlačí dodavatele tabulových skel do jejich výroby. Na vině jsou špatné normy, díky nimž se vliv studeného sálání noční oblohy do výpočtů nezahrnuje. Přesto jsou na trhu k dostání výjimečně izolující zasklení i včetně funkce „bez kondenzátu na vnějším i vnitřním skle“:

Pro ty, kdo mají relativně nová okna a jejich výměna proto nepřichází do úvahy, existují i nalepovací folie s nízkoemisivním (nesálavým) povrchem. Ale toto řešení je vždy až na druhém místě, pokud není možné objednat vrstvu přímo na skle a je potřeba řešit tento problém až dodatečně. Nevýhodou je totiž menší životnost folie (pomalu ji rozkládá UV světlo), a také její vyšší cena než vrstva na skle a samozřejmě i komplikovanost její aplikace.

Topná skla jako velmi účinný zdroj sálavého vytápění

Pokov na skle je elektricky vodivý a má svůj odpor. Po připojení k elektrickému napětí se zahřívá a může fungovat jako topné těleso. Této skutečnosti lze využít pro vytápění interiéru.

Běžná sálavá topení netopí v ploše stejnoměrně. V místě, kde se pod krycí vrstvou přímo nacházejí trubky (nebo topné kabely či odporové pásky) je povrchová teplota o malinko vyšší, než v místech, kde tyto liniové zdroje tepla chybí. Rozdíl teplot může být velmi malý, ale přesto má velký vliv na účinek topení.

Představme si např. podlahové topení s trubkami vzdálenými od sebe 10 cm, zalité betonem. Přímo nad trubkou bude mít povrch betonu třeba 25 °C, ale o 1 cm vedle už 24,9 °C. O další 1 cm už jen 24,8 °C a o další 1 cm dál už jen 24,7 °C. Je to proto, že i beton má určitou izolační schopnost, která se projevuje teplotním spádem. Vlnové délky i amplitudy jednotlivých teplotních vln tedy nebudou stejné, budou se nepatrně lišit.

Pokud si průběh těchto 4 mírně rozdílných vln zobrazíme (ilustračně) v grafu 1, vidíme, že po několika sinusoidách jsou vlny již částečně od sebe posunuté. A pokud graf protáhneme ještě dále, zjistíme, že místy se amplitudy nachází dokonce i naproti sobě, takže se jejich energie navzájem ruší (viz graf 2).

Graf 1

Graf 2

Sečteme-li všechny 4 vlny dohromady, bude výsledný průběh zářivé energie vypadat takto (viz graf 3). Je to pouze ilustrační příklad, ale pro pochopení následujících řádků je dobře použitelný.

Graf 3

Topná skla představují plochu, která sálá v celé ploše identickou teplotou, protože pokov, který se připojuje na elektrické napětí, má všude stejný odpor a procházející proud zahřívá pokovené sklo dokonale rovnoměrně. Když tedy zobrazíme v grafu 4 stejné sinusoidy a sečteme-li tyto vlny stejně, jako v minulém grafu, vypadá výsledný průběh zářivé energie docela jinak (viz graf 5).

Graf 4

Graf 5

A pokud porovnáme oba výsledné grafy, vidíme, s jak rozdílným efektem obě plochy topí (viz graf 6).

Graf 6

Další velkou výhodou topných skel je fakt, že pokov na interiérovém skle, který se ohřívá, je současně nízkoemisivní, takže sklo své teplo směrem do komory nesálá. Téměř veškeré teplo se tak vyzáří pouze do interiéru (97 až 99 %).

Ohřívaný pokov na interiérovém skle je současně nízkoemisivní, takže téměř veškeré teplo se vyzáří do interiéru

Účinnost topných skel je natolik vysoká, že je lze srovnávat snad jen s tepelnými čerpadly, jejichž energetickou bilanci neurčuje jen COP (poměr topného výkonu vůči příkonu), ale i ztráty na potrubí, čerpadlech, třícestných ventilech, výměnících a také ztráty při předávání tepla do vzduchu i jeho limitní vliv na tepelnou pohodu člověka.

U tepelných čerpadel je dále třeba započítat i vyšší ztrátu při větrání, protože pokud ohříváme vzduch, který pak vyměňujeme za čerstvý, tak spotřebujeme na jeho ohřev více, než když topíme sálavě. A také je třeba připočíst i náklady na servis a samozřejmě amortizaci velmi vysoké pořizovací ceny.

Když tuto celkovou bilanci tepelného čerpadla postavíme proti bezeztrátovému sálavému teplu od topných skel, které působí na člověka přímo ze zdroje bez mezičlánků a navíc u velkých ploch s velmi nízkou povrchovou teplotou (≈ 21°C), která znamená minimální tepelné ztráty, vyjde nám bilance topných skel téměř vždy lepší, nemluvě o tom, že sálavé topení je mnohem příjemnější než jakékoliv jiné, ať už od radiátorů či od podlahového topení.

Pořizovací cena topných skel a hlavně jejich instalace ve srovnání s jakýmkoliv jiným topným systémem je až legrační – skla s nízkoemisivním pokovem se dnes používají v každém zasklení, je třeba tedy jen najít výrobce, který je dokáže vyrobit jako topná. Vytápění je ovládáno buď ručně pomocí nastavení tepelné pohody, které řídí povrchovou teplotu skel v závislosti na aktuální teplotě vzduchu v místnosti, nebo od regulace zónového topení.

Graf 7

S regulací zónového topení získávají topná skla další velkou výhodu. Lze díky němu snížit spotřebu energie na vytápění naprosto zásadně, kdy i standardně zateplený dům dosahuje spotřeb téměř jako pasivní a pasivní jako nulový, protože se v místnostech topí pouze pokud se v nich obyvatelé právě nacházejí. Pro tento účel jsou nejvhodnější trojskla s jednou fólií (U_g ≈ 0,25 W/m²K + vynikající akustika), kde statiku zajišťuje prostřední tlusté sklo, aby to topné, interiérové mohlo být co nejtenčí. Sklovina s tloušťkou 3 mm se totiž rozehřeje z 5 °C na 30 °C během několika sekund, čímž zajistí téměř okamžitou tepelnou pohodu.

Trojsklo s jednou fólií, kde statiku zajišťuje prostřední tlusté sklo, aby topné, interiérové mohlo být co nejtenčí

Než se tedy obyvatelé po návratu domů stačí svléci z kabátů a vyzout z bot, je díky rychlosti sálání ≈ 300.000 km/s v denních zónách (obývací hale, kuchyni, koupelně a dalších nastavených místnostech) příjemně.

Jak se sáláním skel ohřívají i ostatní předměty a stěny, a od nich i vzduch, snižuje se postupně povrchová teplota skel ze startovních 30 °C na udržovacích 20–21 °C, což u velké plochy skel bohatě stačí, ale především takto nízká povrchová teplota znamená oproti radiátorům s teplotou 40–50 °C nebo podlahovému topení s teplotou cca. 30 °C podstatně menší tepelný spád a tedy i mnohem menší únik tepla.

Rychlejšímu prohřátí prostoru a tedy i snížení celkové spotřeby tepla velmi účinně napomáhají termo-izolační stěrky na stěnách a stropu a na podlaze korek, tedy „teplé“ a sálavé materiály, jejichž hlavní funkcí je, že vyzáří absorbované teplo rychleji, než jej stačí vedením odvést do zimy (viz graf 8). Bohužel s tímto jevem dnes žádné tepelně technické výpočty nepočítají, izolační vlastnosti materiálů se měří pouze v ustáleném stavu (který nikdy reálně nenastane), takže i když tyto materiály uspoří hodně energie, tak jsou odbornou veřejností odmítány.

Graf 8

Všechny předměty, které se od skel během jejich sálání prohřívaly (zdi, nábytek…), po jejich vypnutí své nabité teplo postupně vyzařují. Tedy náběh tepelné pohody může být díky rychle rozehřáté velké ploše skel okamžitý, ale ochlazení je velmi pozvolné. I tohoto jevu topný systém využívá (spínací hysterezí), aby co nejefektivněji využil již naakumulovanou energii.

V nočních zónách (ložnice) se s příchodem obyvatel domů skla na tak vysokou teplotu nerozehřívají, ale jen např. na 15 °C, později i na 18 °C, aby místnost postupně do večera rozehřály.

Odchodem obyvatel z domu se pak celý dům přepne na temperování (např. 5 °C) a čeká na jejich příchod, aby se opět bleskově nastartoval.

Nastavení zónového topení lze samozřejmě libovolně přeprogramovat podle vlastních představ pro každou místnost zvlášť (webová aplikace, tedy i vzdálené ovládání) nebo lze řídit topení pouze manuálně – k tomu je na každém regulátoru teploty skel přepínač (MAN – AUT).

Důležitá je tedy co největší plocha topných skel, aby mohl být jejich povrch ohříván na co nejnižší teplotu – tím je zajištěn maximální komfort i nejnižší spotřeba. Pokud by ale plocha skel byla malá, je třeba ji pro docílení stejného topného výkonu ohřívat na vyšší teplotu, kdy již vzniká riziko, že začne proudit v komorách plyn, který přenese mnohem více tepla ven do zimy (hnacím motorem pro proudění plynu v komoře je právě rozdíl teplot na stěnách). Proto i vícekomorové řešení (ekvivalent čtyřskla nebo pětiskla) má zde velké opodstatnění, protože rozděluje komory na více přepážek s menším teplotním rozdílem, takže proudění plynu uvnitř komor nevzniká ani při několikaminutové náběhové fázi topení (30 °C) než dojde k postupnému vyhřátí vzduchu na teplotu 21 °C.

Autor: Radomír Čapka s využitím technických informací Energy IN s.r.o.
Kontakt: radomir.capka@gmail.com
Foto: archiv autora a Energy IN