Využití solární energie v římských domech a lázních (Heliocaminus)
Římané dokázali ve svých lázních nejen topit pomocí zvýšené podlahy, které jsou známé pod názvem hypocaustum, ale dokázali také skvěle využívat solární energie, především v místnostech zvaných heliocaminus. Slovo by se dalo přeložit jako solární pec. Čísla při pokusech ukázala, že v poledne při zimním slunovratu by typická „solární místnost“ v římské lázni ztratila o něco více tepla, než by získala za předpokladu, že oproti nízké venkovní teplotě –1° C bychom požadovali 37° C uvnitř. Při mírnějším klimatu nebo ve dnech se silnějším sluncem by okna pravděpodobně nabídla dostatek solárních zisků, aby vyvážily ztráty.
Sluneční energie
Slunce samotné za slunečných dnů by mohlo poskytnout většinu tepelné energie k udržení teplot 37° C. Skutečně, při slunečných dnech by pravděpodobně tepelná energie (ze slunce) akumulovaná ve stropech a stěnách, mohla udržovat teplotu i když slunce zapadlo. Ve dnech, kdy byla obloha zamračená, se mohla pomocí zvýšené podlahy položené na sloupcích (suspensuare), mezi kterými proudil teplý vzduch, zvýšit teplota na požadovanou úroveň, systém se nazýval hypocaustum. Při mírném ohni bylo možné udržovat teplotu 37˚C uvnitř, i při teplotě –1˚C venku. Ukazuje se, že dvoje největší římské lázně Caracallovy a Diokletianovy, nebyly přesně ortogonálně orientovány podle hlavních směrů. Místo toho byly postaveny tak, aby hlavní skleněné stěny směřovaly na jihozápad a mohly tak přijímat co nejvíce slunečního svitu. To ostatně platilo prakticky pro všechny římské lázně. To ale znamená, že jeden z největších problémů byl potenciál pro letní přehřátí.
Dřevo v římských lázních
V římských lázních pomáhalo udržet vyšší teplotu sluneční teplo díky velkým, rozměrným oknům spolu s klasickým ohřevem prostřednictvím systému hypocaustum. Technologie hypocaustum je fascinující. Lázně zahrnovaly varné místnosti s tanky, boilery, kde se horká a teplá voda dosáhla spalováním dřeva. Vytápěné místnosti v lázních měly zvýšenou podlahu a často duté stěny, tvořené tubuli, dutými cihlami, takže buď v dutinách cirkuloval horký vzduch a tím se v místnostech vytvořilo sálavé vytápění nebo minimálně duté cihly tvořily dobrou izolační vrstvu. To je koncepčně stejné jako dnešní technologie podlahového vytápění, které samozřejmě funguje dobře i v kombinaci s pasivním solárním vytápěním. A pokud někoho napadne, že „museli spálit hodně dřeva“, tak má pravdu. [1]
Ve skutečnosti se pravděpodobně Římané obrátili na sluneční teplo z ekonomické nutnosti. Docházelo dřevo a ceny prudce rostly. Ve 4. stol. n. l. celá jedna lodní flotila byla určena k převozu dřeva z Galie a severní Afriky do Itálie; z místních zdrojů toho moc nezbylo. Uvádí se, že vytápění jedné vytápěné místnosti caldarium [2] středně velkých lázní spotřebovalo 114 tun dřeva ročně, to při průměrné tvrdosti 580 kg/m znamená objem cca 200 m³ dřeva za rok.
[1] V experimentálních v tureckém městě Sardy pro televizní seriál Nova se ukázalo, že je možné zahřát místnost pomocí dřeva až na nebezpečných 62º Celsia (Miliaresis)
[2] Caldarium nebo někdy calidarium, byla velmi horká místnost vytápěná pomocí podlahového topení. V místnosti byl bazén s horkou vodou.
Solární architektura Řeků
Řecká technika spočívala v zásadě v pochopení, že výška Slunce se v průběhu ročních období mění. Nebo, jinak řečeno, že sklon slunečních paprsků byl proměnlivý. Přesně z řeckého slova pro sklon pochází moderní slovo pro klima. Pro zeměpisnou šířku 40 stupňů je v létě slunce v jižních oblastech Evropy vidět vysoko v poledne, pod úhlem více než 70 stupňů na zenitu, zatímco v zimě se Slunce pohybuje po nižší dráze se zenitem na cca 26 stupních. Stačilo tedy před fasády postavit portiky, jejichž výšky a hloubky tvořily trojúhelník se sklonem přepony asi 80 stupňů, aby byla fasáda v létě bez slunce. A navíc, pokud by volný prostor před portikem byl takový, že jeho šířka a výška budovy vpředu tvořily trojúhelník, jehož přepona by neměla sklon větší než 26 stupňů, byla by fasáda v zimě vhodná pro proslunění. Sokrates v roce 400 př. n. l. zvážil principy solárního designu při stavbě domů a radil aby stavby si vypomohly sluncem. V domech orientovaných na jih proniká hřejivé sluneční světlo přes portik hluboko do domu v zimě, zatímco v létě je slunce tak vysoko, že sloupoví umožní, aby byl interiér v chladném stínu. Využití tohoto fenoménu je charakteristickým znakem domu zvaného řecky mégaron (μέγαρον). [3] Logicky se tento princip promítl i do obytných zón pro využití místností.
[ 3 ] U megaronu ve své klasické podobě vybíhaly podélné stěny dopředu (anty) a tvořily krytou předsíň se dvěma sloupy před vchodem. Předsíň tak sloužila jako ochrana před sluncem a v zimě se dokázala prohřát nízkým sluncem.
V řeckém solárním designu se proto oceňují dva aspekty: design samotné budovy (proporce portika) a její vztah k přilehlé budově. Dům s centrálním patiem umožnil vyřešit oba vztahy zároveň, protože protější budova je vstupem do samotného domu. (viz obrázek Priene) I při tomto řešení, které umožňovalo naprostou autonomii každého bydlení, bylo nutné, aby městský řád umožnil toto inteligentní uspořádání. Proto síť ulic byla Hippodámem z Milétu orientovaná od východu na západ řeckých měst.
Architektura Římanů
Římané převzaly mnohé dobré ze stavitelství a empirických zkušeností Řeků. Jádro mnoha měst vzniklo na půdorysu vojenského tábora castrum, který tak většinou využíval jasně dané ulice decumanus a cardo, jenž vytvářely uliční sítě a od dob Augusta bylo praxí využívat sluneční energii pro domy a lázně, nicméně to ale přineslo jakési právo na slunce. Právník Ulpianus ze 2. stol. n. l. ve prospěch vlastníků prohlásil, že právo na slunce heliocaminus nemůže být porušeno. Jeho úsudek byl začleněn do velkého Justiniánského zákoníku o čtyři století později. To přináší jistotu, že výstavba budov přihlížejících na využití solární energie, pokračovala i v 6. stol. n. l.
Heliocaminus v Hadrianově vile v Tivoli
Regulační zařízení v místnostech, která sloužila jako místnosti k pocení laconicum nebo sudatorium se jmenovalo clypeus. Otvor v kupoli tedy bylo možné zakrýt clypeem, většinou z bronzu a do tvaru kupole tvarovanou nádobou, která mohla být podle potřeby zdvižena nebo snížena, aby bylo možné regulovat teplo v místnosti. Heliocaminus se někdy nekombinoval s hypocaustem a velká okna musela být v létě v horní částečně zakryta kvůli možnému přehřátí. Hadrianova vila v Tivoli obsahuje lázně nazvané Heliocaminus, což byla zřejmě potní místnost, sudatorium, ve které byla instalována velká okna směrem na jihozápad vsazená do rámů z olova nebo bronzu a vysokou teplotu v místnosti podporoval teplý vzduch z podlahové vytápění vedený v terakotových trubkách tubulis fictilibus. [4] Někdy se používaly terakotové distanční kolíky pro vytvoření dutých vyhřívaných prostorů ve stěnách. Místnost disponovala třemi schody vedoucími k bazénu na podlaze, který však nebyl naplněn vodou, ale byly zde detekovány trubky, jimiž snad do místnosti proudila pára. Myšlenka, že by lázně zvané Heliocaminus byly vytápěny pouze slunečními paprsky se tedy opouští, nicméně okna významně podporovala vysokou teplotu v této kruhové místnosti, sudatorium (potní místnost). Vodní pára byla tvořena v Hadrianově vile prostřednictvím praefurnia, topeniště a bojleru nebo se získala pomocí kamen, jako například v Herculaneu anebo se získávala z geotermálních zdrojů (přístav Baie).
Římský přístav Ostia
Rovněž jedna z místností oktagonálního tvaru ve velkých Lázní u Fora v Ostii patrně plně využívala solární energii, neboť disponovala velkými okny a byla nejvíce natočena na jihovýchod a sloužila jako heliocaminus. Dále jedna z místností, které byly používány jako tepidaria, tedy tranzitní místnosti s mírnou teplotou, obsahuje skutečně velmi rozměrné okno, rozdělené dvěma sloupy, na nichž jsou patrné otvory pro uchycení rámečků oken (místnost 18 v plánku). To vše vyplňuje celou jižní stranu místnosti. Pokusy v této místnosti ukázaly, že v konzervativním předpokladu, polovina tepelné energie ze slunce by se ztratila v zamračeném dni a vedlo by to ke ztrátě tepla bez solární kompenzace přes nezasklená okna.
Celkové množství paliva potřebného ke kompenzaci čistých tepelných ztrát za každou denní hodinu je cca 11,4 kg jasanového dřeva u nezasklených oken a cca 0,7 kg jasanového dřeva u prosklených oken (i v případě nečirého skla)! Tyto výsledky ukazují, že zasklení oken, místo aby je nechala zcela otevřená vzduchu, by vždy šetřilo palivo. Nehledě na použití dvojitých skel. Rovněž další místnosti mohly obsahovat okna, ale není to zcela jisté i když nejlogičtější závěr zní, že většina oken byla ve Forum Baths prosklená. Skla se našly v lázních v Herculaneum a v africkém městě Lepcis Magna také v Perge, přičemž je doložena existence dvojitých skel v Předměstských lázních v Herculaneu!
Zprávy antických autorů
V architektuře řešili Římané problém stejným způsobem jako Řekové. Vitruvius, přední římský architekt architektonický spisovatel z 1. století př. n. l., radil stavitelům na italském poloostrově: „Budovy by měly být důkladně uzavřeny spíše než vystaveny směrem na sever a hlavní část by měla směřovat k teplejší jižní straně.“ Varro, Vitruviův současník, ověřil, že většina domů alespoň z římské vyšší třídy se řídila Vitruviovou radou a prohlásil: „To, o co se muži naší doby snaží, je, aby jejich zimní pokoje čelily padajícímu slunci (na jihozápad)“. Římané vylepšili řeckou solární architekturu tím, že okna směřující na jih zakryli čirými materiály, jako je slída nebo sklo, tento způsob výplně Řekové nepoužívaly.
Heliocaminus také zmiňuje Plinius mladší v dopise svému příteli Gallovi, kde podrobně popisuje svojí vilu v Laurentinu blízko Ostie: „in hac heliocaminus quidem, alia xystum, alia mare, utraque solem“. Hovoří o solární lázni, která je obrácená z jedné strany na terasu (xystum) a z druhé k moři, aby přijímalo slunce ze dvou stran. Pro přesnost musíme dodat, že okna jeho vily byla vybavena skly. Okenní tabule byly známy minimálně již od doby Senecy, který v dopise z roku 65 n. l. poukázal na to, že „v poslední době došlo k určitým vynálezům; jedním z nich je použití okenních výplní, které umožňují průchod světla průhledným materiálem“. Plinius starší zase psal o sklenících, tedy místa, kde se využívalo sluneční energie, jenž během roku zásobovaly kuchyni císaře Tiberia. Rovněž jedna z místností vily básníka Horatia, elipsovitého tvaru bylo soláriem nebo heliocaminem, čemuž odpovídá i orientace na jih a blízkost lázeňských místností.
Příklady z dávné historie jak využít solární energii máme, tak nám tedy nic nebrání ji pořádně využít. Snad jen finanční zdroje.
Zdroje:
Marcus Vitruvius Pollio: De Architectura (Deset knih o architektuře, 2009) Plinius Secundus: Natural History, book XXII, Perseus
Perlin A.: A forest Journey Wood and Civilization, 1980 Cech, B.: Technika v antice, 2013 Miliaresis, I.: Heating Roman Baths at Ostia Beyond Vitruvius in CAMSW, 2012 Miliarensis, I.: Throwing money out of the window: fuel in the Forum Bath at Ostia, in ed. Veal and Leitch: Fuel and Fire in the Ancient Roman World, 2019 Ring, James W.: Windows, bath, and solar energy in the Roman empire (AJA) Garcia Alyssa C.: The Heliocaminus Bath at Villa Adriana, 2014 Columbu, Antonelli, Lezzerini, Miriello, Adembri, Blanco: Provenace of marbles used in the Heliocaminus Baths of Hadrian´s Villa (Tivoli, Italy), 2014 Espí, M. V.: Uny brevísima historia de la arquitectura solar, 1995 Lepore, M.: The right to the sun in the urban design, 2017 Hastings, S. Robert: The Evolution of Solar Architecture, Columbu, S., Stitzia, F., Ennas, Q.: The ancient pozzolanic mortars and concretes of Heliocaminus baths in Hadrian’s Villa (Tivoli, Italy)
