Hőhidak az épületszerkezetben

Átírás

1 Erkélyek és hőhidak Szikra Csaba egyetemi adjunktus Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék Mi az optimális balkon energetikai és kondenzációkockázati szempontokat is figyelembe vevő kialakítása? Időszerű kérdése ezek az Épületenergetikai Szabályozás bevezetésének környékén. Az épület energiaveszteség-csökkentésének módja a természetes levegőforgalom akadályozása, légtömör nyílászárókkal. Ekkor azonban emelkedik a belső tér nedvességtartalma. A nedvességtartalom emelkedése a hideg felületeken felületi kondenzációhoz vezethet. A szerkezeti csomópont számítógépes szimulációjával megtalálható az optimális balkonkialakítás, mely a legkisebb kondenzációs kockázatot eredményezi. Hőhidak az épületszerkezetben A határoló szerkezetek azon helyein, ahol például a geometriai formát vagy különböző hővezetési tényezőjű anyagokat alkalmaznak, télen megnövekszik a szerkezet síkfalhoz viszonyított hővesztesége. Ezen helyek közelében a belső oldalon jellemzően alacsonyabb a felületek hőmérséklete. Az épület szerkezetén e helyeket, geometriájuk szerint vonalszerű (pl.: födémek-falak vagy külső és belső falak találkozásai) vagy pontszerű (klasszikus falsarok) alakkal jellemezhetjük. Mivel egy adott belső légállapot (hőmérséklet, relatív nedvességtartalom) esetén, a kondenzáció kockázata már csak a belső felület hőmérsékletétől függ, a hőhidakat úgy is megfogalmazhatjuk, mint azon kritikus helyek (pontok vagy vonalak), ahol a legmagasabb a kondenzáció kockázata. A kondenzáció pedig előbb vagy utóbb a felület penészedéséhez vezet. A belső térben kialakuló nedvességviszonyok az adott térben a nedvesség felszabadulásától (melynek forrásai: emberek, növények, mosás, szárítás, tisztálkodás stb.), a helyiség és környezete közötti levegőforgalomtól (melynek módjai: gépi szellőzés, természetes vagy filtrációs légcsere valamint a használati mód, szellőztetés mértéke), valamint a levegő nedvességfelvevő képességétől függ. Ugyan télen, az alacsony külső hőmérséklet, a kritikus helyeken alacsonyabb felületi hőmérsékletet okoz, de az alábbi ábrán látszik, hogy ezekben a hónapokban jobb a levegő nedvességfelvevő képessége, azaz azonos levegőcsere több nedvességet szállít. Ha tehát a helyiség használati módja nem változik, alacsonyabb belső nedvességtartalmak alakulnak ki. Magasabb külső hőmérséklet ( ) mellett a felület nedvességfelvételének kockázata nő, mert a környezetből a helyiségbe belépő levegő abszolút nedvességtartalma nagyobb, illetve a természetes levegőforgalom nedvességszállító képessége kisebb. Talán ez az egy gondolatsor is igazolhatja, hogy a meteorológiai viszonyok, a hőhidak (azok fizikai és geometriai tulajdonságai) és a helyiség használati módja komplexen határozzák meg a kondenzáció kockázatának feltételeit. Elegendő egyetlen változás, például a használati módé (kevesebb szellőztetés, több növény stb.), elindulhat a nedvesedés folyamata, ami először nem feltétlenül a felületi kondenzációval kezdődik. A hideg felület közelében kialakuló magasabb relatív nedvességtartalom, kapilláris erővel segítve, már elegendő lehet az intenzívebb nedvességvándorláshoz. Az építőanyag nedvességtartalmának növekedése javítja a hővezetőképességet, melynek okán tovább csökken a felületi hőmérséklet. Így a folyamat önmagát

2 erősíti, hiszen a belső felületen a csökkenő hőmérséklet, előbb vagy utóbb már felületi kondenzációt is okoz m Megengedett nedvességtartalom [] A levegő nedvességfelvevő képessége a belső térben megengedhető nedvességtartalom függvényében (január, február, március hónapban) A felületi kondenzáció akkor lép fel, ha a felület hőmérséklete a harmatponti hőmérséklettel megegyezik vagy az alá csökken. A belső levegő állapota meghatározza azt a hőmérsékletet, amely mellett a felületi kondenzáció bekövetkezik. Ez a hőmérséklet a megengedhető legalacsonyabb felületi hőmérsékletet, melyet harmatponti hőmérsékletnek nevezünk. Az alábbi ábra a harmatponti hőmérséklet függvényében mutatja belső tér relatív nedvességtartalmát 20 -os belső levegőhőmérséklet mellett: 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, A belső levegő nedvességtartalma a harmatponti hőmérséklet függvényében A kissé szokatlan, fordított gondolkodásmód oka, hogy a belső tér relatív nedvességtartalma megmutatja a szerkezeten még megengedhető felületi hőmérsékletet.

3 A penészképződés hő- és páratechnikai feltételei: A gombaspóra jelenléte a levegőben elkerülhetetlen, tápanyag jelenléte ugyancsak elkerülhetetlen, így a nedvesség jelenléte az egyetlen tényező, amely épületszerkezeti és épületgépészeti eszközökkel befolyásolható. A gombák a tápanyagot csak vízben oldva képesek felvenni, így huzamosabb ideig fennálló nedvesség a penészképződés előfeltétele. A huzamosabb fennállás, a tapasztalat szerint, három-öt egymásra következő napot jelent. A fentiekből levonható az a következtetés, hogy a penészképződés vizsgálatának igen fontos eleme a hőhidas szerkezetek hőmérsékletviszonyainak elemzése. A kritikus helyek hőmérsékletének vizsgálata mellett azonban elengedhetetlen, hogy a helyiség nedvességmérlegét is vizsgálat tárgyává tegyük. A számítások közben rögzített feltételek: A felület páratechnikai ellenőrzése esetén a méretezés alapjául szolgáló külső hőmérséklet értéke t e : -5. Az alkalmazott hőmérsékletet a vizsgált folyamatok lassúsága magyarázza. A -5 alatti középhőmérsékletű napok száma kevés és ezek ritkán alkotnak hosszabb, összefüggő időszakot, így a nedvességfelvételhez, a gombásodás kialakulásához egyszerűen nincs elegendő idő. A belső hőátadás mérőszáma függ ugyan a helytől (alacsonyabb értéke kisebb felületi hőmérsékletet eredményez), azonban a kondenzációkockázat elemzéséhez α=5w/m 2 K értéket használnak. A vizsgálati módszer: Vizsgálat tárgyává tett legfontosabb paraméterek: A vizsgált csomópont többlethővesztesége, mely mivel jellemzi a szerkezeti hőhidat, kiválóan alkalmas a különböző esetek összevetésére. Egy vonalszerűen kiterjedő hőhíd többlethőveszteségét az Q = kl l ( ti te ) [ W ] összefüggéssel jellemezhetjük, mely egyenletben Q a szerkezet hőhíd miatti többlethővesztesége, l a vonalszerűen kiterjedő hőhíd geometriai hossza, (t i - t e ) a külső és belső tér között a hőmérsékletkülönbség, mely a rögzített feltételek alapján 25, illetve k l a hőhíd többlethőveszteségére jellemző, úgynevezett vonalmenti hőátbocsátási tényező. A kritikus hely és a közelében kialakuló hőmérséklet, valamint annak eloszlása. Az a relatív lég-nedvességtartalom, amikor a vizsgált csomópont kritikus helyén felületi kondenzáció kezdődik. Az a relatív lég-nedvességtartalom, amikor a vizsgált csomópont felületén megindul a kapilláris nedvességvándorlás. Az első két jellemző meghatározásához számítógépes szimulációt használtunk, mely az adott geometria, anyagjellemző és környezeti feltételek alapján numerikus módszerekkel számol. A második és harmadik jellemző, a belső légállapot miatt - a vizsgált csomópont felületének közelében - kialakuló kondenzáció kockázatára utal. A kondenzáció kockázata a kapilláris nedvességvándorlással kezdődik és a felületi kondenzációval válik teljessé.

4 Balkonok hőhídjai: Hogy a különböző változatokat értékelni lehessen, először egy, a valóságban talán nem is alkalmazott alapesetet vizsgálunk, mely a következő: a vízszintesen elhelyezkedő, vasalattal is átszúrt betonlemez alulról 38 cm vastag, kisméretű téglán támaszkodik, felülről nyílászáró választja el a külső és belső teret egymástól. Az alábbi kétdimenziós modell ábráján az alkalmazott anyagok, és hővezetési tényezőjük látható. A szerkezeten a szokásos lejtést adó betonon és teherelosztó betonon kívül csak a tölgyfa burkolat, az ablakot rögzítő poliuretán hab, illetve maga a fa kialakítású ablakkeret javít valamit a csomópont hőtani tulajdonságain. Az alapesetként használt balkon kétdimenziós metszete, a felhasznált anyagok hővezetési tényezőkkel és környezeti jellemzők A hőmérsékleteloszlás megmutatja, hogy a balkonnak három kritikus helye van: 1. az ablakkeret és parketta találkozása, 2. az ablak nélküli vakolt sarok, 3. az aljzatbeton és az ablakkeret találkozása (mivel a parketta szegőléce nem minden esetben biztosít megfelelő párazárást). A három hőmérséklet a már tárgyalt környezeti paraméterekkel (-5, 25 W/m 2 K 20, 5 W/m 2 K) rendre: t 1 =11.2, t 2 =10.3, t 3 =8.5. A számított a hőmérsékletek mellett a felületi kondenzáció φ 1 = 56.8; φ 2 = 53.6; illetve φ 3 = 47.5 relatív nedvességtartalom felett következik be. A teljes csomópont egyméternyi hosszának hővesztesége 68.6 W/m, vonalmenti hőátbocsátása: k l = 1.13 W/mK. Érdemes megfigyelni, hogy a vizsgált csomópont leginkább kritikus helye szegőléc, a fal és a betonsík találkozása. Ez a felületi kondenzáció szempontjából is igen kritikus hely, hiszen

5 35.6-os relatív nedvességtartalom felett már ebben a vonalban megindul a kapilláris nedvességképződés. A hőmérséklet-eloszlásból még egy igen fontos következtetés is levonható: az ablak környezetében a padló hőmérséklete igen alacsony, ami a kondenzációkockázat mellett hőérzeti problémákat is felvet. Ez tehát a negatív etalon. A következőkben vizsgáljuk meg, hogy az egyes változtatásoknak milyen hatása van a kritikus vonal hőmérsékletére, illetve a kondenzáció kockázatára: Az igen jó hővezető, kisméretű téglából épült fal helyett válasszunk a ma inkább szokásos falazóelemek közül, melyek hővezetési tényezője kevesebb mint egynegyede a kisméretű tégláénak (λ=0.21). A vizsgált szerkezeti csomópont hőmérséklet-eloszlásában szembetűnő a változás. Az ablaktalan rész megmelegedett ugyan, sarkában a hőmérséklet enyhén, t 2 =11.2 -ra emelkedett, az ablakkeret oldalára azonban ennek a változásnak nincs számottevő hatása: t 1 =11.2, t 3 =8.4. A parketta továbbra is hideg maradt. A teljes csomópont hővesztesége 43.3 W/m (az eredeti hőveszteség 63.1-a), vonalmenti hőátbocsátása k l = 1.15 W/mK. Az egyetlen pozitív hatás tehát a szerkezeti csomópont teljes hőveszteségének csökkenése. A következő példákban, megtartva a ma inkább szokásos, jobb hőszigetelő képességű téglafalazatot, vessük össze a vasalt könnyűbeton viselkedését egy hőhídmegszakító szerkezettel, valamint vizsgáljuk mindkettőre a bennük elhelyezkedő vas zavaró hatását. A., Könnyűbeton Az alkalmazott könnyűbeton hővezetési tényezője λ=0.7 W/mK. A hőmérséklet eloszlásából látszik, hogy a fal melletti hideg sáv csökkent. Az ablaktalan és az ablakos oldal kritikus helyeinek hőmérséklete jelentősen emelkedett (zárójelben a felületi kondenzációhoz tartozó nedvességtartalom): t 1 =13.1 (φ 1 =64,5), t 3 =11.2 (φ 3 =56,9), t 2 =13.5 (φ 2 =66,2). A teljes csomópont hővesztesége Q=38.6 W/m, a vonalmenti hőátbocsátás: k l = 0.96 W/mK. Megállapítható tehát, hogy a vasalt könnyűbeton-szerkezet esetén (mind az ablakos, mind pedig az ablaktalan oldalon) normál használati mód

6 mellett igen alacsony a felületi kondenzáció kockázata. Az alapesetben 10 mm átmérőjű vasalt síkot helyeztünk el a szerkezet közepén. Nézzük meg, hogy változnak a jellemzők az extrém szélsőértékek esetén: a.) ha egyáltalán nem vasaljuk a lemezt. Ekkor a hőmérsékletek és a hozzájuk tartozó relatív nedvességtartalom: t 1 =15.1 (φ 1 =73,4), t 3 =13.9 (φ 3 =68,0), t 2 =14.5 (φ 2 =70,6). A teljes hőveszteség: Q=29.6 W/m és a vonalmenti hőátbocsátás: k l = 0.51 W/mK b.) 20 mm átmérőjű vasat alkalmazunk. Ekkor a hőmérsékletek és a hozzájuk tartozó relatív nedvességtartalom: t 1 =12.7 (φ 1 =62,8), t 3 =10.6 (φ 3 =54,7), t 2 =13.0 (φ 2 =64,0). A teljes hőveszteség: Q=45.8 W/m és a vonalmenti hőátbocsátás: k l =1.25 W/mK. A beépített vasalás hatása a hőmérséklet-eloszlásra könnyűbeton alkalmazása esetén (balra vasalás nélkül, jobbra 20 mm átmérőjű vasalással) Vasalás nélkül t φ 1 t 2 φ 2 t 3 φ 3 Q [W] k l [W/mK] Ø10mm vasalással Ø20mm vasalással A beépített vasalás hatása a kritikus hőmérsékletekre könnyűbeton alkalmazása esetén (λ=0.7w/mk) B., Hőhídmegszakító szerkezet Könnyűbeton helyett a modellben 6 cm extrudált polisztirol hőszigeteléssel szakítottuk meg a vasbeton szerkezetét. Alapesetünkben korszerű falazóelemet (λ=0.21 W/mK) és igen jó hővezető vasbetont (λ=2.20 W/mK) használtunk. A hőszigetelés visszafordul a vízszintes síkra is, hiszen csak ekkor hatásos.

7 A hőhídmegszakító modellje és a kialakuló hőmérséklet-eloszlás, 10 mm átmérőjű vasalással A beépített vasalás hatása a hőmérséklet-eloszlásra hőhídmegszakítás esetén (balra vasalás nélkül, jobbra 20 mm átmérőjű vasalással) Vasalás nélkül t φ 1 t 2 φ 2 t 3 φ 3 Q [W] k l [W/mK] Ø10mm vasalással Ø20mm vasalással A beépített vasalás hatása a kritikus hőmérsékletekre hőhídmegszakítás esetén Látható, hogy könnyűbeton esetén a szerkezet igen érzékeny a benne elhelyezkedő vas mennyiségére, azonban a teljes szerkezet hővesztesége a hőhídmegszakító esetén kisebb. Minél kevesebb a vas a szerkezetben, annál előnyösebb tulajdonságokat mutat a hőhídmegszakító. Mindkét szerkezeti megoldásról elmondható, hogy még nagy mennyiségű vas alkalmazása esetén is alacsony a kondenzációs kockázat. Az energetika és a padlóhőmérséklet szempontjából ugyan mindkét eset romló képet mutat, ne felejtsük el, hogy a teherelosztó beton alatt még nem alkalmaztunk hő- és lépéshanggátló szigetelést. A lépéshanggátló szigetelés hatása a szerkezet hőmérséklet-eloszlására

8 A lépéshanggátló szigetelésnek sem a hőmérsékletekre, sem a hőveszteségre nincs számottevő hatása (sőt az alsó oldalon még ront is a falsarok hőmérsékletén), azonban a padlót melegen tartja. A könnyűbeton szerkezet esetében még érdemes megvizsgálni azt, hogy milyen hatása van a beton és könnyűbeton határának a hőtani tulajdonságokra. Ezt a vizsgálatot ablak nélküli, szimmetrikus modell segítségével vizsgáljuk: Könnyűbeton határa t φ 1 t 2 φ 2 t 3 φ 3 Q [W] k l [W/mK] Külső fal síkja Belső fal síkja , , , Teljes födém , , , A könnyűbeton határának hatása a szerkezetre A könnyűbeton határának hatása a szerkezet hőmérséklet-eloszlására (külső fal síkja, belső fal síkja, teljes födém) A táblázatot és a hőmérséklet-eloszlást figyelve látható, hogy kritikus hely szempontjából a könnyűbetont célszerű a belső fal síkjában megszakítani, hiszen a falsarok ekkor a legmelegebb. Ennek oka, hogy a jobb vezetőképességű vasbeton a fűtött térből több hőt szállít a falsarok felé, mint a könnyűbeton. Ekkor persze egy kicsit nagyobb a szerkezet hővesztesége, de a melegen tartás érdekében áldozhatunk energiát.