Megújuló energiaforrások az épületgépészetben

Átírás

1 Megújuló energiaforrások az épületgépészetben Alacsony energiafelhasználású épületek Passzív napenergia hasznosítás 2 Csoknyai Tamás Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék 1

2 2 AZ ENERGIATUDATOS TERVEZÉS

3 Energiatudatos tervezés elemei 1 ALAPKONCEPCIÓ: Kompakt forma, alacsony ΣA/V arány Defenzív/szoláris tervezés Táj- és klimatikus adottságok kihasználása 3

4 Energiatudatos tervezés elemei 2 TRANSZMISSZIÓS VESZTESÉGEK CSÖKKENTÉSE: Határolószerkezetek hőszigetelése U-érték Ψ-érték Nyílászárók hőtechnikai minősége Ug Uw: keret+üvegezés Ψ-érték: beépítés függvénye Éjszakai külső árnyékolás hőellenállása 4

5 Energiatudatos tervezés elemei 3 SZELLŐZÉSI VESZTESÉGEK: Légtömörség Kiegyenlített hővisszanyerős szellőzés Természetes szellőzés lehetősége (pl. napkémény) 5

6 Energiatudatos tervezés elemei 4 NYÁRI HŐVÉDELEM: Külső árnyékolás/integrált árnyékolás Speciális hővédő üvegezések 6

7 Energiatudatos tervezés elemei 5 ÉPÍTÉSI KÖRNYEZETTERHELÉS: Ökológikus anyagválasztás: Tartós anyag jobb, mint az újrahasznosítható Újrahasznosítható anyag jobb, mint a nem újrahasznosítható Teljes életciklusra tervezés 7

8 Energiatudatos tervezés elemei 6 PASSZÍV-SZOLÁR ESZKÖZÖK: Nagy benapozott üvegfelületek Napterek: télikert, átrium Tömegfal, trombe-fal, vízfal Transzparens hőszigetelés Fázisváltó anyagok 8

9 ALAPKONCEPCIÓ 9

10 Tervezési stratégiák 1 Defenzív stratégia: Célja a hőveszteségek csökkentése (negatív tagok az energiamérlegben) Defenzív épület jellemzői: Kompakt forma, kis felület / térfogat arány Vastag hőszigetelés Kis ablakok, gyakran hővédő üvegezéssel Jó légzárás Hővisszanyerő Hatékony árnyékoló rendszerek Példa: Földbe integrált épület 10

11 Példák defenzív tervezési stratégiára 11

12 Tervezési stratégiák 2 Szoláris vagy interaktív tervezési stratégia: Célja a hőnyereségek maximalizálása (kivétel belső hőnyereségek) Szoláris épület jellemzői: Déli tájolás Magas tájolástól függő üvegezési arány Passzív és aktív szoláris rendszerek Hőtárolás és konvektív hőáramok tudatos használata Esetenként hővisszanyerő Hatékony és intelligens árnyékoló rendszerek 12

13 Példák szoláris tervezési stratégiára 13

14 Átmeneti tervezési stratégiák 14

15 TELJES ÉLETCIKLUSRA VETÍTETT MÉRLEG 15

16 16

17 17

18 ÉPÜLETBUROK TRANSZMISSZIÓS VESZTESÉGEINEK CSÖKKENTÉSE 18

19 Hőszigetelés Hőszigetetelési rendszerek minden szerkezet típusra: cm U=0,1..0,15 W/m 2 K 19

20 Hagyományos és ökológikus szigetelőanyagok 20 Hagyományos: Polisztirol (λ= 0,0333-0,035 W/m K, beépített energia c= 450 kwh/m 3 ) Ásványgyapot (λ= 0, W/mK, c= 250 kwh/m 3 ), Üveggyapot (λ= 0,036-0,039 W/mK, c= 250 kwh/m 3 ) Üveghab (λ=0,05, magas beépített energia) Stiropor, neopor (grafit adalék) Alu-rétegek vákumban (λ=0,0001 W/mK) Ökológikus Cellulózpehely (λ=0,04..0,05, beépített energia: c=50 kwh/m 3 ) Gyapjúalapú szigetelések (λ= 0,037 W/mK) Kenderrost gyékény (λ= 0,05 W/mK) Természetes parafahulladék (λ= 0,06 W/mK) Fagyapot (λ= 0,06..0,085 W/mK)

21 Forrás: Othmar Humm: Alacsony energiájú épületek, 83. o. Nyílászárók Üvegtáblák száma Töltet Résméret mm U g W/m2K g-érték Fényáteres ztés 3 LEC Xenon 8 mm 0,4 0,42 64% 3 LEC Kripton 10 mm 0,5 0,42 64% 2 LEC Xenon 8 mm 0,8 0,57 76% 2 LEC Argon, kripton 16 mm 1,1 0,65 78% 2 LEC Levegő 20 mm 1,5 0,65 78% 2 Levegő 3,0 0,75 80% ,8 0,9 90% 21

22 Forrás: Hauser, Höttges, Otto-Stiegel: Energieeinsparung in Gebaudebestand Nyílászárók Üvegezés típusa No. 1-5: fa vagy műanyag keret Uf = 1,7 W/m 2 K Hőátbocsátási tényező Fényátereszté s Felület ihőm. Napen ergia átbocs átás Ekvivalens U Ug Uv τ l θ si g dél kelet/ nyugat No. 6: Uf = 0,7 W/m 2 K W/m 2 K - o C - W/m 2 K W/m 2 K W/m 2 K 1 Egyrétegű üveg 5,8 5,2 0,9-2,6 0,9 3,04 3,72 3,72 2 Kétrétegű üveg 3,0 2,6 0,8 8,3 0,75 0,80 1,36 1,36 észak 22 3 Kétrétegű hőszigetelt üveg 4 Kétrétegű hőszigetelt üveg (LEC, argon) 5 Háromrétegű hőszigetelt üveg (LEC, kripton) 6 Háromrétegű hőszigetelt üveg (LEC, kripton) 1,8 1,8 0,7 13,0 0,63 0,29 0,76 0,76 1,1 1,4 0,75 14,9 0,58 0,01 0,44 0,44 0,7 1,1 0,65 17,3 0,50-0,14 0,24 0,24 0,7 0,7 0,65 17,3 0,50-0,5-0,13-0,13

23 Nyílászárók 23

24 Hőhídmentes beépítés modell szimuláció termovíziós felvétel 24

25 Hőhídmentes beépítés modell szimuláció termovíziós felvétel 25

26 SZELLŐZÉSI VESZTESÉGEK 26

27 Légtömörségi problémák Ablakbeépítések Tetőtérbeépítések Könnyűszerkezetes épületek Panelépületek fúgái Minden pont, ahol a szigetelés megszakad: Szerkezeti csomópontok Gépészeti vezetékek (légcsatornák, belső esőcsatorna, kémények) 27

28 Rossz légtömörség következményei Ellenőrizhetetlen szellőzés Állagromlás infiltráció és exfiltráció esetén Huzatérzet, diszkomfort Energiaveszteségek Akusztikai problémák 28

29 Mesterséges szellőzés Alacsony energiafelhasználású épületekben, passzívházakban hővisszanyerős kiegyenlített szellőzés Azt hihetnénk nincs filtráció Elszívás: konyha, fürdő, WC depresszió infiltráció Befúvás: nappali, háló túlnyomás exfiltráció Kisebb átöblítés a lakáson, hővisszanyerőn kevesebb szellőző levegő megy keresztül visszanyert hő kevesebb 29

30 30 A légtömörség minősítése és mérőszámai n 50 w 50, q 50

31 Minősítő eljárás MSZ EN Épületek hőtechnikai viselkedése. Épületek légáteresztő képességének meghatározása. Túlnyomásos eljárás. [4] Blower-door (ventilátoros ajtó) / Épületszellőzési rendszer ventilátorai 50 Pa túlnyomás létrehozása Térfogatáram mérése: V 50 [m 3 /h] 31

32 Származtatott mennyiségek Referencia nyomáskülönbség melletti légcsere: n 50 =V 50 / V [1/h] Légáteresztés (határoló felületre vetített légcsere): q 50 =V 50 / A E [m/h] Alapterületre vonatkoztatott levegőszivárgás: w 50 =V 50 / A F [m/h] 32

33 n 50 légcsereszámok nagyságrendje [1] n 50 Meglévő 7.. Mai új épület HU Mai új épület DE 2..6 Alacsony en. 0,17..5 Passzív ház 0,17..0,6 33

34 Légtömörségi fokozatok [5] Többlakásos Családi ház Légtömörségi szint n 50 <2 n 50 <4 Magas 2<n 50 <5 4<n 50 <10 Közepes 5< n 50 10< n 50 Alacsony 34

35 Légcsereszám becslése [5] Családi házakra és többlakásos házakra táblázatos értékek n[h -1 ] = f(légtömöségi szint, szélhatásnak kitett homlokzatok száma, szélvédettségi fokozat) 35

36 Szellőzési veszteségek [5] MSZ EN 832 Épületek hőtechnikai viselkedése. A fűtési energiaigény számítása. Lakóépületek Szellőzési hőveszteség: Q V& V = V& ρaca ( θi θe) t = V& + V& f x V f : ventilátorok, V x : tömörelen határoló szerkezetek V& x = f ( n, szélvéd. int) 50 sz 36

37 37 A filtrációs veszteségek nagyságrendje

38 Egy 30 cm-es falon levő repedés okozta hőveszteség szélessége a nyomáskülönbség és a résszélesség függvényében [2] 38 fajlagos szellőzési veszteség [W/mK] Pa 5 Pa 3 Pa 1 Pa 0 0,5 1 1,5 2 résszélesség [mm]

39 Számpélda filtrációs veszteségekre [1] Infiltrációs légcsere természetes szellőzésű épületre (MSZ EN 832): n inf = n 50 e e = f(szélhatásnak kitett homlokzatok száma>1, szélvédettségi fokozat=közepes) = 0,07 Mai új épületre n 50 =2..6 n inf =0,14..0,42 [h -1 ] 0,4 h -1 39

40 Hatás az éves energiafelhasználásra [1] Q inf = n inf V r lev c lev Θ a Θ a =84 kkh: fűtési hőfokhíd (DE) Q inf = 0,4 h -1 *300 m 3 * 0,33 * 84 kwh/(m 3 /h) = 3326 kwh Q inf = 33,3 kwh/(m 2 a) Passzív ház: n 50 < 0,6 h -1 Q inf = 3,5kWh/(m 2 a) 40

41 Épületek éves energiafelhasználása 50 0 Ø Állomány WSchVO 1982 WSchVO 1995 Direktíva HU EnEV 2002 Passzívház 41

42 HŐNYERESÉGEK NÖVELÉSE 42

43 A napsugárzás A sugárzás energiahozamát a sugárzás intenzitásával (W/m 2 ) fejezzük ki. A földi atmoszférán kívül a napsugárzás intenzitása éves periodicitással W/m2 között ingadozik (extrateresztriális sugárzás). Hogy ebbõl mennyi jut egy a Föld felszínén elhelyezett felületre, az függ attól, hogy: a sugárzás milyen szög alatt éri a felületet a sugárzásnak milyen hosszú utat kell megtennie a légkörön keresztül, mennyi a vizsgált helyszín tengerszint feletti magassága mennyi a légkörben a vízgõz, a köd, a felhõzet, a többatomos gázok, a légköri szennyezõdés (szilárd lebegõ részecskék - aeroszol). 43

44 Direkt, diffúz, saját és visszavert sugárzás 1 44 Direkt sugárzás: A sugárzási energia egy része párhuzamos nyalábok formájában érkezik. Diffúz sugárzás: A légkörben lévõ - elõbb felsoroltrészecskék által visszavert sugárzás már nem jellemezhetõ ilyen határozott irányítottsággal (zárt felhõzet, köd esetén szinte csak ez érkezik a földi felszínre) Saját sugárzás: A részecskék az õket érõ sugárzás egy részét elnyelik és õk maguk is bocsátanak ki - hosszabb hullámhosszon Visszavert sugárzás: a felszínrõl (talaj, hó, burkolat)

45 Direkt, diffúz, saját és visszavert sugárzás 2 45

46 Áteresztés, elnyelés, visszaverés Ha egy test felületét sugárzás éri: a felület az energia egy részét elnyeli, az elnyelt hányad nagyságát az "a" elnyelési (abszorpciós) tényezõ jellemzi, a felület a sugárzás egy részét visszaveri, a visszavert hányadot az "r" visszaverési (tükrözési, reflexiós) tényezõ jellemzi, a felület és a mögöttes anyag a sugárzás egy részét átereszti, az áteresztett hányadot a "t" áteresztési (transzmittálási) tényezõ jellemzi. Az elnyelt, visszavert és áteresztett energia összeg megegyezik a felületre jutó energiával, azaz a + r + t = 1 46

47 Opaque szerkezet energiamérlege 1 47

48 Opaque szerkezet energiamérlege 2 Az érkező sugárzás egy részét a felület visszaveri, ez a rész a továbbiakban a vizsgált szerkezet szempontjából érdektelen. Egy részét elnyeli, amelynek következtében a felület és a közvetlenül alatta fekvõ réteg felmelegszik A felmelegedett felületrõl vezetéses hõáram indul meg a szerkezet mélyebben fekvõ rétegei felé, mely részben az útjába esõ rétegeket melegíti fel, részben továbbjut a helyiség felé. A felület és a külsõ levegõ között hõátadás játszódik le a összefüggés szerint. A felület saját maga is bocsát ki - hosszúhullámú infravörös tartományban -sugárzást 48

49 Transzparens szerkezet energiamérlege 1 49

50 Transzparens szerkezet energiamérlege 2 A külsõ felületre érkezõ napsugárzás egy része visszaverõdik. Egy másik részt a test átereszt, ez változatlan hullámhosszúságú sugárzás formájában a helyiségbe jut. A külsõ felületre érkezõ sugárzás egy része elnyelõdik, ettõl a szerkezet felmelegszik. Miután többnyire kis tömegû és igen vékony rétegrõl van szó, a felmelegedés gyors és gyakorlatilag a teljes keresztmetszetben (vastagságban) egyenletes. 50

51 A napsugárzás spektrális eloszlása 1 A látható fény az ibolyától a vörösig. Ebben az intervallumban érkezik a sugárzási energiának majdnem a fele. Természetes világítás és fütõhatás szempontjából egyaránt fontos. 51

52 A napsugárzás spektrális eloszlása 2 A rövid hullámhosszú infravörös sugárzás. Ebben az intervallumban a sugárzási energiának valamivel több, mint a fele érkezik. Fütõhatása fontos. 52

53 Szerkezetek hősugárzás-spektruma A földi felszinek (talaj, épület) által kibocsátott sugárzás spektruma a hosszabb hullámhosszú infravörös tartományba esik 53

54 Az üveg hőáteresztő képessége 4 µm hullámhossz alatt 0, Hosszúhullámú infravörös tartományban az üveg átlátszatlan Ez a jelenség az üvegházhatás oka. 54

55 Az üvegházhatás 1 55

56 Az üvegházhatás 2 56

57 Az üvegházhatás 3 57

58 Az üvegházhatás 4 58

59 Az üvegházhatás 5 59

60 A Waldram diagram származtatása A Nap pályáját vetítsük egy henger palástjára. A szemlélõ az alapkör középpontjában áll (ez egy meghatározott földrajzi hely, adott szélességi körön) és az Egyenlítõ felé néz. 60

61 Nappálya diagram A Nappályák hengeres vetületei Vágjuk fel a henger palástját az Egyenlítõvel átellenes alkotó mentén és terítsük ki. A vetületen látható görbékrõl leolvasható, hogy adott hónap reprezentáns napjának adott órájában a Nap milyen szögek alatt látszik. 61

62 Árnyékmaszk-szerkesztés Az eddigi elméleti ismertető, valamint az árnyékmaszk szerkesztésének módszere megtalálható a következő honlapon: SZOLÁRIS RENDSZEREK Alapismeretek 62

63 Passzív szoláris térfűtés A fejezet anyaga részletesen olvasható a következő honlapon: Direkt rendszerek Energiagyûjtõ falak Napterek Szoláris légtechnika Hibrid rendszerek Aktív rendszerek 63

64 Energiagyűjtő falak Tömegfal: Transzparens hőszigetelésű fal: 64 Trombe-fal:

65 Tömegfal télen Nappal: Éjjel: 65

66 Tömegfal nyáron Nappal: Éjjel: 66

67 Vízfal 67

68 Fázisváltó fal 68

69 Trombe-fal télen Nappal: Éjjel: 69

70 Trombe-fal nyáron Nappal: Éjjel: 70

71 Transzparens hőszigetelés 1 71

72 Transzparens hőszigetelés 2 Télen nappal: Nyáron nappal: 72

73 Napterek működése Éjjel 73 Frisslevegő előmelegítés Frisslevegő előmelegítés 20 C naptérhőm. felett éjjel

74 Naptér példák Beüvegezett lodzsa Átrium Télikert 74

75 PASSZÍV HÜTÉS HŐTÁROLÁS, IDŐÁLLANDÓ ÁRNYÉKOLÁS ÉJSZAKAI ÁTSZELLŐZTETÉS 75

76 A hőtároló tömeg jelentősége Az időállandó arányos a hőtároló tömeggel és a határolófelületek hőellenállásával A kívülről szigetelt nehéz szerkezetek időállandója nagy A könnyü szerkezetek időállandója kicsi A nagy időállandó helyes épülethasználat (éjszakai átszellőztetés, nappal alacsony légcsere, árnyékolás) mellett kedvező: Csökkenti a nyári napi hőingást, ezért a passzív hütés egyik fontos eszköze Csökkenti a téli csúcshőigényt, ezáltal a beépített teljesítményt Könnyüszerkezetek időállandójának megjavításához elegendő néhány belső nehéz szerkezet alkalmazása 76

77 Példa: Léghőmérséklet egy nyári napon (ideális árnyékolás, ablaknyitás) - szimuláció Konnyuszerkezet Eredeti szerkezet 77 Nehez szerkezet

78 Árnyékolás 1 Külső árnyékoló lényegesen jobb, mint a belső Vízszintes árnyékolók déli tájolás esetén. Fő megoldások: Folytonos felület Lamellák 78

79 Árnyékolás 2 79

80 Árnyékolás 3 80

81 Árnyékolás 4 Keleti és nyugati tájolás esetén függőleges árnyékoló szükséges 81

82 Árnyékolás 5 A függőleges elemek télen és nyáron is ugyanúgy árnyékolnak. Ez mozgatható, forgatható elemekkel oldható meg. 82

83 DELTA -COOL 83

84 A PCM működési elve hőmérséklet érzékeny érzéketlen érzékeny szilárd olvadás folyadék 84 Hőmennyiség

85 PCM-típusok 500 olvadás hő [kj] sók vizes oldatai víz sóhidrátok, és sóhidrát keverékek parafinok olvadás pont [ C] 85

86 A PCM hőtároló képessége Téglafal Beton Tömör fa Könnyű szerk. PCM Különböző anyagok vastagsága 5700 kj hőtároló képesség mellett (Hőmérséklet emelkedés 10 K) 86

87 Kísérleti beépítés eredménye hőmérséklet [ C] idő PCM-mel PCM nélkül külső hőmérséklet 87

88 ENERGIAMÉRLEG 88

89 Energiamérleg példa Új építésû ház Passzív ház 89

90 Ajánlott irodalom: Zöld András: Energiatudatos építészet