Szoláris épületek. Szikra Csaba tudományos munkatárs BME Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

Átírás

1 Szoláris épületek Szikra Csaba tudományos munkatárs BME Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék 2010.

2 Bevezető A félév programja, ajánlott irodalom Hősugárzás alapjai, sugárzásnak kitett épületszerkezetek viselkedése (opaque és transzparanes szerkezetek energiamérlege); Klimatikus környezet, sugárzási intenzitás. Üvegházhatás, naptényező; Szoláris építészeti tervezés főbb szempontjai; Passzív, aktív és hibrid technikák. Építmények energiamérlege. Veszteségáramok, nyereségáramok és azok hasznosulása, szoláris nyereség számítása. Árnyékoló szerkezetek. Passzív szoláris szerkezetek (tömegfal, trombe fal, transzparens szigetelésű fal). Passzív szoláris szerkezetek (télikert, üvegház, átrium); Hibrid rendszerek (szoláris légtechnika, OM szolár rendszer, szolárkémény), a szoláris építészet tűzvédelmi kérdései. A szoláris építészeti példák, tervezési segédletek. Szoláris tervezési feladatok. Szoláris épületek számítógéppel segített tervezése.

3 A hősugárzás alaptörvényei 1. Elektromágneses sugárzás Az elektromágneses sugárzás egymásra merőlegesen haladó oszcilláló elektromos és mágneses tér, mely a térben hullám formájában terjed fénysebességgel energiát és impulzust szállítva. Részecskéi (kvantumai) a fotonok. A 380 nm és 780 nm közötti hullámhosszú elektromágneses sugárzás az emberi szem számára is látható, emiatt látható fénynek nevezik. Az elektromágneses (hő-) sugárzáshoz nem kell közvetítő közeg. Mi csak a sugárzás hullám természetének mérnöki gyakorlat számára is fontos részeivel foglalkozunk

4 A hősugárzás alaptörvényei 2. A testek energia forgalmának dinamikus egyensúlya A test által a környezetének sugárzással átadott hőáram a kibocsátott és az elnyelt energiaáramok különbségével egyenlő: Q& = E A ( W, J / s) A test szempontjából fogalmazva: Egy besugárzott test belső energiájának időegység alatti megváltozása: Q τ = E A ( W, J / s) A konvekcióval és a vezetéssel terjedő hővel szemben kétirányú az energia közlés A testek között dinamikus egyensúly van, az energia forgalom a két test energiaáramának különbségéből adódik Energiaforgalom termikus egyensúly esetén is van, csak a két energiaáram egyenlő egymással

5 A hősugárzás alaptörvényei 3. Sugárzásnak kitett testek viselkedése 1 E = A + T + = 1 A E = + T E + a + t + R R E E = A ( ω, λ ) + T ( ω, λ ) + R ( ω, λ ) 1 = a + t + r ω, λ ω, λ ω, λ Ideális testek: Ideális tükör (mindent visszaver r=1) Ideális üveg (mindent átenged t=1) Abszolút fekete (mindet elnyel, a=1, legtöbbet sugároz) Építészet: Opaque szerkezetek (t=0 a+r=1) Transparens szerkezetek (t 0 a+t+r=1) r Ha egy test felületét sugárzás éri, a felületre jutó energiával három dolog történhet: a felület az energia egy részét elnyeli, az elnyelt hányad nagyságát az "a" elnyelési (abszorpciós) tényező jellemzi, a felület a sugárzás egy részét visszaveri, a visszavert hányadot az "r" visszaverési (tükrözési, reflexiós) tényező jellemzi, a felület és a mögöttes anyag a sugárzás egy részét átereszti, az áteresztett hányadot a "t" áteresztési (transzmittálási) tényező jellemzi. Az elnyelt, visszavert és áteresztett energia összeg megegyezik a felületre jutó energiával

6 I 0, λ W m ( 3 ) A hősugárzás alaptörvényei 3. A fekete test diffúz sugárzása (Wien Törvénye) A Egy felület által kibocsátott sugárzás intenzitása függ a felület hőmérsékletétől. A kisugárzott energiának egy bizonyos hullámhosszon maximuma van. A maximumhoz tartozó λ m hullámhossz és a felületi hőmérséklet közötti összefüggést a Wien törvény határozza meg, amely szerint λ max T=2.9mmK ahol T a felszín (abszolút skálán mért) hőmérséklete

7 A hősugárzás alaptörvényei 4. A testek diffúz sugárzása (Lambert Törvénye) I ω, λ = 1 di λ ( cos ϕ d ω W m 3 ) Egy adott irányba kisugárzott energia, egységnyi térszögre vonatkoztatott intenzitása: Ha I λ,ω erőssége irány független, a féltér teljes sugárzása π-szerese a tetszőleges irányú sugárzásnak.

8 A hősugárzás alaptörvényei 5. Az abszolút fekete test sugárzása (Plank törvénye) Az abszolút fekete test minden hullámhosszon sugároz (folytonos színkép) I o, λ = 3,74 10 e 16 λ W m 1, λ T 1 5 A fekete test tetszőleges irányban egységnyi térszögre eső sugárzási intezitása c az elektromágneses sugárzás terjedési sebessége = ^8m/s, h= Js, a PLANCK állandó, k= J/K, a BOLTZMANN állandó, T az abszolút hőmérséklet K-ben, λ a sugárzás hullámhossza m-ben.

9 A hősugárzás alaptörvényei 6. A fekete test sugárzása Stefan, Boltzmann törvénye I oλ (W/m 3 ) E 0 = I = o, λdλ λ E E λ 3,74 10 e 16 λ 1, λ T 1 5 dλ W m 4 0 = σ T Stefan - Boltzmann állandó 4 T 0 = c0 100 σ = 5, W/m 2 K 4 C =5,669 W/m K A felületegység által kisugárzott energia (sugárzó képesség) az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával arányos λ (µ)

10 A hősugárzás alaptörvényei 7. A szürke és diffúz sugárzó test energia-áram sűrűsége A nem fekete testek emisszióját az azonos hőmérsékletű fekete test emisszió-képességéhez viszonyítjuk. A két sugárzás hányadosát fekteségi foknak nevezzük. Szürke testnek nevezzük azt a diffúz sugárzót, amelynek relatív emisszió-képessége nem függ a hullámhossztól, minek következtében minden irányban olyan mennyiségű energiát sugároz ki, ami azonos hőmérsékletű fekete test sugárzásának egy meghatározott hányada ε = E E 0 A szürke test sugárzása: E = σ ε T 4

11 A hősugárzás alaptörvényei 8. Szürke test hőmérlege Kirchoff törvénye E E o Abszolút fekete test Adott egy szürke test T hőmérséklettel, mely E= T 4 sugárzást bocsát ki illetve a szemben lévő abszolút fekete testről E 0 a sugárzás éri. A szürke testre hőmérlege: E o a E o (1-a) Szürke test q& = a E o E Feltételezzük, hogy T=T 0 termikus egyensúly áll fenn, tehát q=0, ezért: E = 0 a E a Bármely test sugárzóképességének és elnyelési tényezőjének hányadosa azonos, de mivel E=E 0 ε ezért: = ε Bármely test elnyelő képessége a fekete test sugárzóképességével egyenlő

12 A hősugárzás alaptörvényei 9. Szürke testek közötti hőcsere két párhuzamos felület Látszólagos sugárzás a test által kisugárzott illetve visszavert sugárzás összege. Távolságukhoz képest nagy egymással szembenéző felületek a sugárzásos hőcsere, mely a látszólagos surgárzások különbsége: Q& = ε σ ε 1 2 ( 4 4 T ) T2 = 1 ε ε ε 1-2 redukált feketeségi fok, kölcsönös besugárzási együttható 2: T 2, ε 2

13 A napsugárzás 1. Precesszió Nutáció Excentricitás (Milankovitch ciklus) A napsugárzás értéke a föld légkörének külső határán: NAPÁLLANDÓ: 1,352 kw/m 2 Precesszió (Ekliptikus; Aspidális): A Föld nem gömb alakú, hanem ún. forgási ellipszoid. Egyenlítői átmérője 43 km-rel hosszabb, mint a sarki átmérő. Az egyenlítő a földpálya síkjával 23 27'-es szöget zár be. Ennek következtében a Nap forgatónyomatékot fejt ki a a Föld tengelyére, melynek hatására a földtengelyt igyekszik az ekliptikára merőleges irányba fordítani. Precesszió periódusa: (Tavaszpont, őszpont): (platoni) év, szöge 23.5 de 41e éves ciklussal változik Nutáció: a Hold a Naptól eltérően nem egyenletes forgatónyomatékot fejt ki a Föld tömegére és forgástengelyére. Ennek oka, hogy a Hold pályája 5 -os szöget zár be a földpálya síkjával. A két sík metszésvonala a Nap zavaró gravitációs hatása miatt 18,6 év alatt körbefordul. A precesszió 26 ezer éves periódusán belül 1400 nutációs periódus van. Excentricitás: éves ciklus

14 A napsugárzás 2. mennyiségi jellemzői; spektrális eloszlás, ibolyán innen infrán túl A Nap (fotoszféra) hőmérséklete: 6000 K Sugárzási teljesítménye: 4 x kw Napállandó (extraterresztrikus sugárzás): 1366Wm -2 N Január =1412Wm -2, N Július =1321Wm kW 127, Km 2 =174 PW (P=10 15 ) Földfelszínre érkező sugárzás (~51%): 89 PW A világ energiafelhasználása: 16 TW (T=10 12 ) 5560 x annyi érkezik a napból a föld felszínére, mint amennyire emberiségnek szükséges van.

15 A napsugárzás 3. Intenzitása Direkt sugárzás irányított sugárzás, intenzitása jellemzően a nap és földfelszín normálisára merőlegesen bezárt szögtől függ: Merőleges vetülés A légkörben megtett út Diffúz sugárzás sokirányúság jellemzi Szórt Légkörben elnyelt sugárzás hosszabb hullámhosszúságú kisugárzása talaj, hó, burkolat visszavert sugárzása (rendelkezhet némi irányultsággal)

16 A napsugárzás 4. A közvetlen és a szórt sugárzás aránya Magyarországon Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8 és 48,6 között található. A napsütéses órák száma megközelítőleg évi 2100 óra, a vízszintes felületre érkező napsugárzás hőmennyisége ~1300 kwh/m 2 év. Magyarországon a szórt sugárzás részaránya jelentős, meghaladja az 50%-ot. A napsugárzás csúcsértéke nyáron, a déli órákban, derült, tiszta égbolt esetén eléri, esetenként meghaladja az 1000 W/m 2 értéket.

17 A napsugárzás 5. Átlagos globális sugárzás eloszlása függőleges felületen (Budapesten) A függőleges felületekre jutó globális sugárzás átlagos havi és évi értékei Budapesten (kwh/m2). Hónap Észak Dél Kelet Ny Január Február Március Április Május Június Július Augusztus Szeptember Október November December ÉV A függőleges felületekre jutó globális sugárzás átlagos havi értékei fűtési idényben, Budapesten (kwh/m2). Hónap Észak Dél Kelet Ny Január 12,0 40,0 19,0 19,0 Február 16,0 59,0 32,0 31,0 Március 27,0 86,0 54,0 51,0 Április 2/3 25,3 61,3 50,7 46,0 Május Június Július Augusztus Szeptember Október 2/3 14,7 58,7 31,3 30,0 November 14,0 55,0 25,0 23,0 December 10,0 38,0 17,0 16,0 Fűtés 119,0 398,0 229,0 216,0

18 A napsugárzás 6. Direkt és diffúz sugárzás Magyarország egyes területei között a napsugárzás szempontjából nincsenek jelentős eltérések. A legnaposabb rész az ország középső, déli része, a legkevesebb a napsütés az északi és nyugati részen. Az eltérés az egyes országrészek között 10% alatti.

19 A napsugárzás 7. A hasznosítható sugárzás irányérzékenysége A hasznosítható napsugárzás mennyiségét befolyásolja a hasznosító berendezés dőlésszöge és tájolása. Magyarországon a legtöbb napsütés - megközelítőleg évi 1450 kwh/m 2 - déli tájolású és os dőlésszögű felületre érkezik. Jelentős csökkenés csak függőleges dőlés, és keleti vagy nyugati tájolás közelében tapasztalható, mivel a napsugárzás jelentős része határozott irány nélküli szórt sugárzás.

20 Opaque felület energiamérlege. q s = ε T e 4 e A felületre jutó napsugárzás intenzitása E (W/m 2 ). Ennek r E hányadát a felület visszaveri, ez a rész a továbbiakban a vizsgált szerkezet szempontjából érdektelen. E q v Az elnyelt hányad: q N =a N E, amelynek következtében a felület és a közvetlenül alatta fekvő réteg felmelegszik. q k = α e re ( t t ) f e q N = a N E A felmelegedett felületről vezetéses hőáram indul meg a szerkezet mélyebben fekvő rétegei felé (q v ), amely részben az útjába eső rétegeket melegíti fel, részben továbbjut a helyiség felé. A felület és a külső levegő között hőátadás játszódik le q k = α(t f -t e )a összefüggés szerint. A felület saját maga is bocsát ki - hosszúhullámú infravörös tartományban sugárzást (q s ) Az egyensúly feltétele: 0=q N +q v +q k +q s

21 Opaque felület energiamérlege. q s = ε T e 4 e Csillapítás: ν = A A T V E q v ν - hőmérséklet csillapítási tényező, A T - amplitúdó a támadott oldalon, A V - amplitúdó a védett oldalon Késleltetés q k = α e re ( t t ) f e q N = a N E Hőkésleltetés alatt azt a jelenséget értjük, hogy a külső hőmérsékletváltozás a belső felületek hőtároló kapacitásának hatására csak bizonyos idő elteltével képes a belső léghőmérséklet megváltoztatására. Szelektivitás: Az alacsonyhőmérsékletű abszorbciós tényező egyenlő az alacsony hőmérsékletű emissziós tényezővel Így magas hőmérsékletű elnyelés és az alacsony hőmérsékletű kisugárzás kifejezhető az

22 Opaque felület energiamérlege. q s = ε T e 4 e Szelektivitás: Az alacsonyhőmérsékletű abszorbciós tényező egyenlő az alacsony hőmérsékletű emissziós tényezővel E q v Így magas hőmérsékletű elnyelés és az alacsony hőmérsékletű kisugárzás kifejezhető az a N /a A viszonyszámmal N A q k = α e re ( t t ) f e q N = a N E Egyes különleges felület-bevonatolási megoldásokkal igen szélsőséges a N /a A viszonyok érhetők el, e megoldások a szelektív felületképzések.

23 q E E r E ke =α e ( t t ) ü e q se A transzparens testek Áteresztés, elnyelés, visszaverés a E q si q ki =α i t E ( t t ) ü i A külső felületre érkező napsugárzás egy része visszaverődik. Egy másik részt a test átereszt, ez változatlan hullámhosszúságú sugárzás formájában a helyiségbe jut. A külső felületre érkező sugárzás egy része elnyelődik, ettől a szerkezet felmelegszik. Miután többnyire kis tömegű és igen vékony rétegről van szó, a felmelegedés gyors és gyakorlatilag a teljes keresztmetszetben (vastagságban) egyenletes. A felmelegedés következtében az ablak mindkét irányban sugárzással és konvekcióval is lead hőt a környezetének.

24 A transzparens testek Különböző jellegű üvegezések Elnyelő Visszaverő

25 t, r, a 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 A transzparens testek transzmisszió, reflekció, abszorbció és a beesési szög Beesési szög

26 A transzparens testek Átbocsájtási tényező Az üveg átbocsájtási tényezője a hullámhossz függvényében változik: a hosszúhullámú infra sugárzás az üvegen nem tud áthatolni.

27 Síküveg hő-átbocsátó képessége

28 Síküveg hő-átbocsátó képessége

29 Szelektivitás

30 3mm q& = Vizsgált üveg N I SRG I SRG A transzparens testek Különböző üvegezések naptényezői: A naptényező bevezetésének alapja: Tapasztalatok szerint két különböző transzparens szerkezeten keresztül haladó hőáram aránya (azonos tájolás és dőlésszög mellett) állandó bármely időszakban (beesési szögtől való függetlenség). Etalonszerkezet: E tapasztalat alapján választottak egy etalonszerkezetet amely egy 3 mm vastag tiszta síküveg (ablaküveg), amelyre vonatkozóan meghatározták, hogy különböző beesési szögek mellett mennyi hő jut át rajta a helyiségbe. Ezeket az adatokat I SRG - vel jelöljük és táblázatokban rendelkezésre állnak. Adott transzparens szerkezet esetén a naptényező: egy adott beesési szög mellett meg kell állapítani (mérni) a helyiségbe jutó hőáramot, (q o ). Ugyanarra a tájolásra, adott időszakban táblázatokból adódik az I SRG. A mérés ismeretében a naptényező meghatározható: A naptényező a hőnyereség minden formájára együttesen - jellemző. Mivel a naptényező értéke állandó, bármilyen más tájolásra az új transzparens szerkezeten át a helyiségbe bejutó energiaáram: q& = = q& 0 N I SRG N I SRG

31 A transzparens testek. Teljes szoláris energia átbocsátási tényező (g) Árnyékolás nélküli üvegek Naptényező N(-) Teljes sugárzás áteresztő tényező g (-) E q& az árnyékolatlan épületszerkezeten átjutó, valamint az arra ráeső teljes szoláris energia időben átlagolt hányada. Egyszeres üvegezések: Normál üveg (3mm) 1,00 0,87 Táblaüveg (6mm) 0,94 0,82 Abszorbens üvegek: a=40-48% 0,80 0,70 a=48-56% 0,73 0,64 a=56-70% 0,62 0,54 Kettős üvegezések: Normál üveg (3mm) 0,90 0,78 Vizsgált üveg Táblaüveg (6mm) 0,80 0,70 Abszorbens üvegek: Kívül a=48-56%, 0,52 0,45 belül normál üveg = I N = E g + α t Kívül a=48-56%, 0,50 0,44 belül tábla üveg (6mm) Hőszigetelő üvegezések: U= 0,87 0,72 g 0, 87 N U= 0,81 0,67 U= 0,78 0,65 Fényvédő üvegezések: r= 0,58 0,48 r= 0,45 0,37 r= 0,30 0,25 q& SRG Hármas üvegezések: Normál üveg (3mm) 0,83 0,72 Táblaüveg (6mm) 0,69 0,60 Hőszigetelő üvegezés 0,60 0,50

32 A transzparens testek. Napléghőmérséklet E Vizsgált üveg q& A tervezési gyakorlat megkönnyítése végett bevezetett fiktív szám - ezt a szokásos q =U(ts ti) összefüggésbe behelyettesítve azt az eredményt kapjuk, mintha az egyensúlyt tételesen számítottuk volna. A napléghőmérséklet a szerkezet (abszorpciósemissziós tényezők) és a környezet (sugárzásintenzitás, hőmérséklet) függvénye. q& = U(t s - t i )

33 A transzparens testek. Többszörös üvegezések energiamérlege 2a a a N1>N2!

34 A transzparens testek és az árnyékolószerkezetek

36 A transzparens testek és az árnyékolószerkezetek? 100%? 100% 50% 50%

41 A transzparens testek árnyékolószerkezetek naptényezői Naptényezők - N(-) Világos Közép Sötét Fekete r>0,5 r=0,3..0,5 r=0,1..0,3 r<0,1 BELSŐ reluxa 0,55 0,65 0,75 0,85 roló 0,4 0,55 0,65 0,75 függöny 0,45 0,6 0,7 0,8 KÖZBENSŐ reluxa 0,35 0,4 0,45 0,5 roló 0,3 0,35 0,4 0,45 KÜLSŐ esslingeni redőny 0,09 0,09 0,1 0,1 reluxa 0,1 0,1 0,12 0,12 redőny (rolplast) 0,1 0,1 0,1 0,11 Fa zsalutábla nyitott levelekkel 0,17 0,15 0,14 0,13 félig nyitott levelekkel 0,12 0,13 0,14 0,15 Fém zsalutábla nyitott levelekkel 0,16 0,14 0,14 0,14 félig nyitott levelekkel 0,13 0,14 0,15 0,16 H h Árnyékolók naptényezői: Külső N= Közbenső N=0,3-0,5 Belső N= d D; h/h=1;d/h=0,1 N=0,65 Teljes rendszer naptényezője: N N 1 N 2 K N i

42 Szoláris hozam egyszerűsített számítás Tájolás É D K-N Direkt sugárzási energiahozam a fűtési idényre fajlagos hőveszteségtényező számításához Q TOT [kwh/m 2 a] Q sd ε AÜ g Q = TOT Q sd hasznosult direkt sugárzási nyereség fűtési idényben (kwh) ε - hasznosulás mértéke A ü Az üvegezés felülete (m 2 ) g (-)Teljes szoláris energia átbocsátási tényező

43 Az üvegezés hő-mérlege fűtési idényben számítási példa Vizsgáljuk meg egy tisztán déli tájolású, 3mm-es kettős üvegezés hő-mérlegét. A fűtési hőfokhíd 20 C belső hőmérséklet és 8 C egyensúlyi hőmérsékletkülönbség mellett: 72000hK, a fűtési idény hossza 4400h. Az ablak üvegezésének hőátbocsátási tényezője: Uü=1,6W/m2K Dél K-NY g 0,78 0,78 Qtot A (m2) 1 1 Qsd (kwh/m2,a) A*g*Qtot H (hk) Uü(W/m2K) 1,6 1,6 Qtrü(kWh) A*Uü*H/ ,2 115,2 Qhm(kWh) Qsd-Qtrü 196,8 40,8

44 Az épület veszteségáramai Fűtési hőfokhíd származtatása (1) Az épület veszteségáramainak teljesítményét a fűtési idényben az alábbi összefüggéssel számíthatjuk: Q& ( W ) = ( A U ) ( ti te ) + ( l Ψ) ( ti te ) n fl V ( ti te ) Az additív tagok sorban: Felületszerű (ablak, ajtó, födém, fal stb.) illetve vonalszerű veszteségek (hőhidak, talajjal érintkező szerkezetek) valamint a filtrációs veszteségek. Mindhárom veszteség csoport a belső parancsolt és a külső meteorológiai hőmérséklet-különbséggel arányos ezért: ( ( A U ) + ( l Ψ) + 0. n V ) ( t t ) Q& ( W ) = 35 Az első zárójelen belüli tagokat egy fűtési idényben állandónak tekintve (ekkor pl. n fl a fűtési időszak átlagos filtrációs légcsereszámát jelenti), az egyenlet két jól elkülönülő részre bontható: Az épülettől függő állandóra (EA), illetve a belső és külső hőmérséklettől függő változóra: Q& ( W ) = EA ( ) t i t e Fejezzük ki az épület veszteségáramát energia jellegű mennyiséggel ( τ vizsgált időegység - s, t e a vizsgált időegység alatt az átlagos külső hőmérséklet C ) Q ( J ) fl ( t i t ) τ = EA e A hőmérsékletkülönbség és az idő szorzata integráló jellegű mennyiség (nagysága az időintervallum növekedésével szintén nő). A fenti egyenletben a szokásos időegység (s) helyett 1 órát használva, az épületállandót 1000-el osztva J helyett kwh mértékegységet kapunk: EA Q( kwh) = i e ( t t ) h i e

45 Az épület veszteségáramai Fűtési hőfokhíd származtatása (2) A kwh-ban kifejezett energiaveszteség egyenlet alapján definiálható az órafok (OF) OF = ( ti te, h ) 1 h [ h K] Szokásos mértékegysége hk vagy h C. t e,h a külső hőmérséklet a vizsgált órában az átlagos külső hőmérséklet. Órafok arányos lesz tehát egy adott épületállandójú (EA) építmény egy órai veszteségével, vagyis: EA Q( kwh) = 1000 ti indexel jelezzük, hogy az órafok egy adott belső hőmérséklet mellett érvényes. Az órafokok napi összegzésével kapjuk a napfokot: NF = OF = 24 h 24 h OF ti ( t t ) 1 h[ h K] mely az órai átlaghőmérsékletek helyett számítható a napi átlaghőmérséklet alapján is. Az órafok mértékegység napfok mértékegységre is váltható, mely természetesen 24-ed része az órafoknak. NF = 24h OF = i A teljes fűtési szezon órafokainak összege a fűtési hőfokhíd (H), melyet szokás órafokban és napfokban is kifejezni (az órafok mértékegység szerencsésebb a Wh mértékegység miatt.). e, h ( t t ) h( hk) = ( t t ) h( napk) i e,24h 24 i e, 24h H ti Z = OFj = j= 1 Z j= 1 ( t t ) 1 h [ h K] i e, h, j Az egyenletben Z a fűtési órák száma. H értékét tehát adott parancsolt belső hőmérséklethez tartozó érték.

46 Az épület veszteségáramai. A külső hőmérséklet gyakoriság és a fűtési hőfokhíd Hőfokgyakoriság: egy évben előforduló napi középhőmérsékletek száma. A sokéves átlag alapján számított külső hőmérsékletek napi átlaga grafikonba rendezhető oly módon, hogy az adatbázisból megkeressük azon napok számát amikor a külső hőmérséklet egy adott érték, vagy ennél alacsonyabb. A görbe arra is információt ad, hogy mi a valószínűsége az egyes hőmérséklet előfordulásoknak. A meredekség az adott hőmérsékletű napok számával fordítottan arányos. A nagyon magas és nagyon alacsony hőmérsékletek előfordulása kicsi. Pl.: Nagyon alacsony pl -10 C alatti napok száma évente kevesebb, mint 5., nagyon magas, 25 C feletti hőmérsékletű napok száma kevesebb,mint 15.

47 Az épület veszteségáramai. A külső hőmérséklet gyakoriság és a fűtési hőfokhíd Mivel az épület hővesztesége arányos a pillanatnyi belső és külső hőmérsékletek különbségével és a vizsgált időszakkal (vízszintes tengely), ezért a határhőmérsékletnél húzott függőleges (fűtési napok vagy órák száma), a belső hőmérséklet a hőmérsékletgyakoriság által határolt terület a hőfokhíd.

48 Az épület veszteségáramai. A külső hőmérséklet gyakoriság és a fűtési hőfokhíd A fűtési idény kezdetén definiálható a fűtési határhőmérséklet ekkor az épület veszteségáramai (kék) megegyezik a nyereségáramokkal (piros), vagyis fűtés nélkül kialakul az egyensúlyi hőmérséklet, mely a belső parancsolt hőmérséklettel egyenlő. Ez tehát az a nap, amikor még nem kell a fűtési rendszert bekapcsolni. Az egyensúlyi hőmérséklet görbéje ezen a ponton halad keresztül. A téli napok felé haladva az egyensúlyi hőmérséklet görbéje tart a hőfokgyakoriság görbéjéhez, mivel a nyereségáramok csökkennek. A fűtőberendezés csak a z egyensúlyi hőmérséklet és a parancsolt belső hőmérséklet közötti területet energiaigényét szolgáltatja. Egyensúlyi hőmérsékletkülönbségnek nevezzük a belső és az egyensúlyi hőmérsékletek különbségét.

49 Az épület veszteségáramai A külső hőmérséklet gyakoriság és a fűtési hőfokhíd A belső hőmérséklet parancsolt értékének növekedésével növekszik a fűtési órák száma, illetve növekszik a hőfokhíd. Mivel a fűtési időszak hosszabbodik, a fűtési határhőmérséklet napján a nyereségáram is nagyobb.

50 Az épület veszteségáramai A külső hőmérséklet gyakoriság és a fűtési hőfokhíd A nyereségáramok növekedése csökkenti az egyensúlyi hőmérséklet különbséget, mely által egyszerre csökken a fűtési órák száma illetve a fűtőberendezéssel bevitt energia.

51 Építmények energiamérlege stratégiák, egyensúlyi hőmérséklet QTBL te QTRL QST QLG QTRL QSG tib QVG Fűtetlen tér QFIL QGRL QOG Q SG +(Q LG +Q OG +Q VG ) = (Q TRL +Q GRL +Q TBL )+ Q FL ± Q st.

52 Üvegház hatás 1 Ha egy áteresztő szerkezetet napsugárzás ér, a sugárzás naptényezővel jellemezhető mértéke a szerkezet mögötti helyiségbe érkezik. A helyiségbe jutó hányad valamelyik belső határolószerkezet vagy a bútorzat felületére esik, ahol egy része elnyelődik (a szokásos belső felületképzésekre a N =0,8-0,9), másik része pedig visszaverődik. A visszavert hányad ismét belső felületeknek ütközik, két-három visszaverődés után a helyiségbe bejutó sugárzás gyakorlatilag teljes mértékben elnyelődik. Az elnyelt energiától a felület felmelegszik és hőátadással a felület melegíti a vele érintkező levegőt. A hőátadás következtében a belső levegő hőmérséklete mindaddig nő, amíg el nem éri a belső felületek hőmérsékletét. Ez gyors folyamat, a levegő felmelegedése néhány perc késéssel követi a sugárzás változásait, tekintettel arra, hogy (az épületszerkezetek tömegével összehasonlítva) elhanyagolható tömegű levegő felmelegítéséről van szó.

53 Üvegház hatás 2 Az elnyelt energiától a felület felmelegszik és vezetéssel hőáram indul a szerkezet belsejébe, - minél nagyobb a szerkezet hőtárolóképessége, annál nagyobb mennyiségű energiát (annál kisebb hőmérsékletnövekedés mellett) vesz fel. A szerkezet nagyobb mélységben lévő rétegeinek átmelegedése (a hőtárolás folyamatába való bekapcsolódása) időt vesz igénybe. Ugyanez persze fordított irányú folyamatnál is igaz (amikor a szerkezet kihűl, a tárolt hő a helyiségbe jut), ezért lehetséges napközben "begyűjtött" energia (fűtési célú) hasznosítása az éjszaka folyamán. Az elnyelt energiától a felület felmelegszik és a felület - a saját hőmérsékletének megfelelő - hosszúhullámú infrasugárzást bocsát ki, ezt a helyiség más (a közvetlen napsugárzás által el nem ért) felületei elnyelik és ettől melegszenek. Ez a folyamat, valamint a "dobozba" bezárt levegő felmelegedése és természetes áramlása a belső felületek közötti hőmérsékletkülönbségek kiegyenlítődése irányában hat.

54 Üvegházhatás példa Legyen a helyiség alapterülete: 50m2(5x10m), belmagassága 3m. A napsugárzás miatt a helyiség felülete egyenletesen 5 C melegebb. A felületek átlagos hőátadási tényezői: 5 Mennyit melegszik a szoba 5 perc alatt, ha a levegő sűrűsége 1,2kg/m 3, fajhője 1,1KJ/KgK a (m) 5 b (m) 10 A (m2) 50 m (m) 3 DTw ( C) 5 alfa (W/m2K) 5 idő (perc) 5 c (J/Kg/K) 1100 ro(1,2kg/m3) 1,2 F (m2) 2(a*b+a*m+b*m) 190 V(m3) a*b*m 150 Q(W) F*alfa*DTw 4750 DTh ( C) idő*60*q/(v*ro*c) 7,20

55 A hasznosítás lehetséges módjai

56 Szoláris elemek osztályozása a funkció szerint Passzív Mindhárom funkciót az épület elemei teljesítik, a folyamatok "spontán" módon mennek végbe, külső energia-bevezetés nincs. Az egyes funkciók térbelisége szerint: Direkt (Mindhárom funkció ugyanabban a térben) Indirekt (A funkciók térben szétválnak) Aktív Mindhárom funkciót gépészeti elemek teljesítik, a folyamatok szabályozhatók, külső energia-bevezetés (ventilátorok, szivattyúk meghajtására) van. Hibrid A funkciók zömét az épület elemei teljesítik, de az energia szállításában gépészeti elemeket is alkalmaznak. Az aktív és a passzív rendszerek közti lényeges különbség az, hogy a passzív rendszerek többsége alacsony sugárzási nyereség esetén is csökkenti az épület hőveszteségét, a mesterséges fűtéstől igényelt teljesítményt (direkt rendszerek, energiagyűjtő falak, napterek, nyitott áramkörű szoláris rendszerek és több hibrid rendszer). Az aktív rendszerekből (és a zárt áramkörű hibrid rendszerekből) csak akkor nyerünk fűtőteljesítményt, ha a hőhordozó közeg hőmérséklete, azaz a sugárzás energiahozama egy bizonyos szintet elér.

57 Direkt rendszerek

58 Indirekt rendszerek

59 Indirekt rendszerek Barra Constantini, Termoszifon, Légkollektor, Ablakkollektor

60 Indirekt rendszerek

61 A szoláris épülettervezés főbb szempontjai 1 az épület sugárzási nyereségét növelő megoldások ne vezessenek a veszteségek növekedéséhez, a veszteségek csökkentését célzó megoldások ne vezessenek az épület sugárzási nyereségének csökkenéséhez, az épület sugárzási nyerségét növelő megoldások nyáron ne vezessenek az épület kellemetlen túlmelegedéséhez, miután az előző követelmények gyakran ellentmondásosak, kiegyensúlyozott kompromisszumot kell keresni, a sugárzási nyereséget növelő vagy épületgépészeti rendszerekben hasznosító megoldások építészeti és szerkezeti szempontból harmonikusan illeszkedjenek az épülethez. Szoláris fűtési rendszerek Szoláris fűtési rendszerek: Mindazon rendszerek, amelyek a napsugárzás energiáját az épületek transzmissziós és/vagy szellőzési hőveszteségének fedezésére hasznosítják, akár az épület sugárzási nyereségének növelése, akár épületgépészeti rendszerekben való hasznosítása révén.

62 Értékelési módszerek A. Klimatikus viszonyok elemzése B. Épület programja, használati módja C. Épület forma, határolószerkezet D. Klimatikus viszonyok, Épület program, Épületszerkezet kombinált vizsgálata E. Világítás, HMV termelés vizsgálata

63 Szoláris építészet Indirekt rendszerek Energiagyűjtő falak Az opaque réteg előtt transzparens réteg van. Az üvegházhatás a szerkezetben jön létre. Az elnyelt energia (vagy annak nagy része) a hőtárolóként is funkcionáló opaque rétegen keresztül vezetés révén, csillapítva-késleltetve jut a helyiségbe. Ha adott időjárási feltételek mellett az elnyelő felület hőmérséklete nem is haladná meg a helyiséghőmérsékletet, a hőveszteség akkor is csökken. A szokásos nehéz szilikátrétegek késleltető hatása kb. 1 óra/3 cm, vagyis egy 30 cm vastag fal belső síkján a besugárzás maximuma után 10 órával észlelhető a legmagasabb hőmérséklet. Az energiagyűjtő falak nyári árnyékolásáról gondoskodni kell. Fő típusai: Tömegfal Trombe fal Transzparens szigetelésű fal Napterek A naptér (csatlakozó vagy beharapott üvegház, télikert, olyan tér, amelynek van transzparens külső térhatárolása, kapcsolódik az anyaépülettel, nincs mesterséges fűtése. Szoláris légtechnika Az energia szállítása áramló levegővel történik (általában hibrid rendszer). A légáramlás természetes Fajtái: Nyitott és zárt áramkörös rendszerek

64 Tervezői stratégiák Az építmény méretének növekedésével a szoláris eszközök alkalmazhatósága csökken. A nagyobb épület összetettebb, az üzemvitel feltételei szigorúbbak, a számítási eljárások megbízhatatlanabbak. Több tartózkodó, magasabb elégetetlen szám A., A hagyományos és passzív rendszerek méretezése csúcsigények ellátására B., Domináns passzív rendszer kiegészítő hagyományos rendszerrel C., Domináns hagyományos rendszer, kiegészítő passzív berendezéssel

65 Szoláris rendszerek funkciói: Direkt rendszer A napsugárzásból érkező energia elnyelése tárolása leadása Tehát a nap sugárzási energiájának tudatos és jó hatásfokú hasznosítása az épületszerkezeti és épületgépészeti rendszerekben A nap sugárzási energiája soha nem akkor áll rendelkezésre, amikor igazán szükség van rá soha nem olyan kapacitással és hőmérséklet tartományban, mely kényelmessé tenné a felhasználását. Ezért a szoláris rendszerek tervezése kényelmetlen, nem a mindennapi tervezői rutin része, holott számos esetben nem jár a beruházási költségek számottevő növekedésével.

66 Direkt rendszer Működése, nyeresége, hasznosulási fok Tájolás Direkt sugárzási energiahozam a fűtési idényre fajlagos hőveszteségtényező számításához Q TOT [kwh/m 2 a] q sd ε AÜ g Q = TOT É D K-N q tr = U H 1000 q ny = q sd q tr

67 Napterek energetikai működése 1(3) A naptér puffer-zónát képez az anyaépület és a külső tér között, ezzel az anyaépület hő-veszteségét csökkenti. A naptér üvegezésén átjutó sugárzás egy része a naptér és az anyaépület közötti üvegezésen át az anyaépületbe jut és ott ugyanúgy fejti ki hatását, mint a direkt rendszerekben A naptér üvegezésén átjutó sugárzás egy része a naptér és az anyaépület közötti átlátszatlan szerkezetekre esik, amelyek a tömegfalhoz hasonlóan viselkednek.

68 Napterek energetikai működése 2(3) A naptér üvegezésén átjutó sugárzás egy része a naptér padlójára esik. Ennek egy részét a padló elnyeli. A felmelegedett padló- és falfelületekről átadott hő a naptérben a léghőmérsékletet növeli, ezáltal az anyaépület hővesztesége tovább csökken, sőt egyes időszakokban az anyaépületbe nyereségáram jut. Padló- és falszerkezetek az elnyelt hőt éjjel leadják, ami az éjszakai órákban is csökkenti az anyaépület hőveszteségét.

69 Napterek energetikai működése 3(3) Ha a friss levegőt vagy annak egy részét a naptéren át vezetjük az anyaépületbe, a friss levegő a naptérben előmelegedik, ezzel az anyaépület szellőzési hővesztesége csökken. Ha a friss szellőző levegőt télen a naptéren át vezetjük az anyaépületbe, akkor az utóbbi energiamérlegét javítjuk, de a naptér hőmérséklete alacsonyabb lesz. Ha a naptér hőmérséklete 20 C-nál magasabb, a naptér és az anyaépület közötti nyílászárókon vagy szellőzőkön át konvektív hőáram juttatható az anyaépületbe.

70 Napterek lakhatósága A naptér az év tetemes részében értékes lakótér-bővület. Ha hőmérséklete eléri a 20 C-t, akkor az anyaépülettel összenyitható. Derült időben már C esetén is kellemes hőérzet várható, mert az alacsonyabb hőmérsékletet az ott tartózkodókra jutó sugárzás kompenzálja, ilyenkor azonban a naptér és az anyaépület közötti nyílászárókat zárva kell tartani. Nyáron a lakhatóság alapfeltétele a jó árnyékolás és a nagyon intenzív természetes szellőztetés- a felső levegőkivezetésről feltétlenül gondoskodni kell.

71 Napterek Alaprajzi és metszeti tagoltsága, üvegezése, árnyékolása Nagyobb körülölelő hőtároló és hőt elvezetni képes tömeg növeli a késleltetés és a csillapítást. Az alaprajzi tagoltság mértékében növekszik a tároló-képesség. Az üvegezés típus meghatározza a veszteségeket. Az árnyékolás minősége meghatározza a lakhatóságot, illetve a nyári hővédelem minőségét.

72 Napterek Építési példák

81 Napterek Építési példák (Bio-klimatikus ház)

82 Tömegfal alapok, részei, hőtárolás szerepe Alapok A legegyszerűbb indirekt napenergiát gyűjtő épületszerkezeti elem. A tömegfal egy jó hővezetőképességű, nagy tömegű fal, melynek nap felé néző oldala hőelnyelő felület, mely a hőveszteségek csökkentése érdekében üvegezéssel burkolt. Egyes változataiban a szilikát alapú falazat helyett vizet (vízfal), illetve fázisváltó anyagot helyeznek. Részei: Nagy tömegsűrűségű, jó hővezető-képességű, és nagy fajhőjű (tehát jó hőtárolóképességű) külső falból ("tömegfal") és az elé épített üvegezésbőláll. Ezt mozgatható árnyékoló-szerkezet egészítheti ki. A tömegfal külső felületét nagy hőelnyelő képességű, sötét felületképzéssel látják el. Az ablakon átjutó napból érkező sugárzás jelentős részét ez a felület nyeli el. A nagy hőtároló-és hővezető-képességű fal az elnyelt energiát késleltetve jutatja a helyiségbe. Az árnyékoló az éjszakai veszteségáramokat csökkenti télen, nyáron napközben a túlzott felmelegedés ellen véd. Az üvegfelület ellátható kiszellőztetést segítő szárnyakkal melynek célja a nyári hővédelem. Hőtárolás szerepe: Télen a teljes hőveszteség 65%-a éjjel, míg 35%-a nappal következik be. Tehát a napközben bejutó energia 65%-át tárolni kell éjszakára. A hőtárolás fontos szerepe abban rejlik, hogy a nagy felületű ablakokon bejutó napsugárzás energiája az a fal tárolja, éjjel pedig a fal mögötti helyiségnek átadja. A tömegfal késleltetése a méretezés fontos eleme.

83 Tömegfal energetikai működése, késleltetés, csillapítás A tömegfal energetikai működése: napsugárzás 15-20%-át az üvegfelület visszaveri. Az üvegezésen átjutott maradék hányad 80-90%-a tömegfal külső síkján elnyelődik. Az elnyelt hő egy része - a tömegnek megfelelő késleltetéssel a helyiségbe jut. A külső oldalon is felmelegedett tömegfal felülete konvekcióval melegíti az üveggel bezárt légréteget, illetve infra tartományban kifelé is sugároz. A tömegfal energetikai hatékonyságát jelentősen befolyásolja, hogy az infra tartományú hőt milyen hatékonyan lehet a nagy tömegű fal és üvegezés között tartani. Az indirekt energiagyűjtő szerkezetekre jellemző, hogy légkör szórt sugárzásából kevesebbet hasznosít, mint a direkt rendszerek (like solar place) Késleltetés: Késleltetés kisméretű tégla vagy avval egyenértékű falazat esetén centiméterenként perc. Helyesen méretezett késleltetés esetén a téglában tárolt hő abban az időszakban fejti ki hatását, mikor a direkt energiát gyűjtő szerkezeteknek már benapozatlanságuk miatt hozamuk már nincs. Egynapos ciklust felételezve az energiagyűjtő szerkezetet délfelé tájolva, 12 óra a megfelelő késleltetést. Kelet felé hajló homlokzat esetén növelni, nyugat felé hajló homlokzat esetén csökkenteni kell a késleltetési időt. 12 órás késleltetés 34cm kisméretű téglafalazat két oldalán 2-2 cm cementvakolat esetén alakul ki. Csillapítás: A téglában tárolt hő a fűtött tér felöli oldalon alacsonyabb hőmérsékleten jelenik meg, mint a sugárzásnak kitett oldalon, mely azt jelenti, hogy a hőleadás (kisütés) ideje hosszabb, mint a hőfelvétel ideje. A csillapítás jelensége mivel a helyiség felőli oldal felületi hőmérsékletváltozása kisebb, ezért közelebb van a helyiség hőmérsékletéhez csökkenti a túlfűtésének kockázatát.

84 Tömegfal veszteségek A tömegfal hatékony működését jelentősen befolyásolja az energiagyűjtő felület sugárzásra jellemző abszorpciója és szelektivitása, valamint a környezet és a helyiség felé néző oldalak hőellenállasainak aránya. Veszteségek: Az üvegezés mögé érkező hő egy része elnyelés nélkül verődik vissza a falazatról, mely az eredeti hullámhossz tartományban tér vissza környezetbe. A visszatérő hő egy részét az üvegfelület reflexiója és abszorpciója visszatartja, de ez a mennyiség nem számottevő. A Krichof törvényből tudjuk, hogy az anyagok elnyelő képessége adott hullámhosszon azonos a sugárzás kibocsátó képességével. A felmelegedett tömegfal felületről infra sugárzás indul a környezet felé. Az infra tartományú visszasugárzás szelektívbevonatok alkalmazásával csökkenthető. A hő egy része a légrétegen és az üvegezésen át (késleltetés nélkül) a környezetbe távozik. A visszasugárzás veszteségei kettős üvegezéssel és éjszaka az árnyékoló szerkezet zárásával mérsékelhető. Árnyékoló helyzete télen hozam hiányában zárva

85 Az indirekt energiagyűjtő szerkezetek paradoxonjai Az energia gyűjtő felületek energetikai paradoxonjai: A tömegfal hatékonysága a helyiség felé a hővezetés és a hőtároló képesség növelésével javítható. Mivel a sugárzással érkező hő vezetéssel és konvekcióval halad a helyiség felé az energiagyűjtő szerkezet hatékonyabb, ha a konvekciós és vezetéses ellenállások aránya a helyiség felé számottevően kisebb. Egy 30cm két oldalán vakolt kisméretű téglafal esetében, mely előtt U win = 1,1 W/m 2 K üvegezés van, az árnyékolót éjszaka zárva tartják a kifelé és befelé haladó konvektív és vezetéses áramok ellenállásának arány 1:2. Ez esetben a teljes energiagyűjtő szerkezetre vonatkozó hőátbocsátási tényező nagyjából U wal =0,6 W/m 2 K. A fal hőszigetelő képességének növelése rontja a befelé haladó nyereség áramát. A tömegfal hatékonysága tehát a benapozottságtól erősen függ. Felhős időszakban a tömegfal vesztesége jelentős, mely az árnyékoló zárva tartásával csökkenthető. Az energiagyűjtő szerkezet hatékonyabb, ha az üvegezés hőátbocsátási tényezője alacsonyabb. Az üvegezés hőátbocsátási tényezője alacsony emissziós bevonattal, a rétegek közötti gáztöltéssel, illetve vákuummal javítható (csökkenthető). Az üvegezés hőátbocsátási tényezőjének javításával együtt jár a nyereségáram csökkenése. Építészeti szempontból paradoxon, hogy az energiagyűjtő falak kitakarják a homlokzatról azokat az üvegezett felületeket, melyek fényt illetve direkt sugárzási nyereséget szállítanak az épületbe.

86 A tömegfal teljesítménye jobb, ha az üvegezés keretaránya kicsi, Tömegfal teljesítménynövelésének eszközei az üvegezés hőátbocsátási tényezője kicsi, éjjel a hőveszteséget a társított szerkezet csökkenti, az elnyelő felület abszorciós tényezője nagy, vagy felületképzése szelektív az az üveg mögötti tömeg réteg hőtároló-képessége hőátbocsátási tényezője nagy Szelektivitás: Az alacsonyhőmérsékletű abszorbciós tényező egyenlő az alacsony hőmérsékletű emissziós tényezővel Így magas hőmérsékletű elnyelés és az alacsony hőmérsékletű kisugárzás kifejezhető az a N /a A viszonyszámmal Egyes különleges felület-bevonatolási megoldásokkal igen szélsőséges a N /a A viszonyok érhetők el, e megoldások a szelektív felületképzések.

87 Tömegfal nyári üzemállapotok Nyáron napközben: A nyáron fölösleges nyereségáramok csökkentése érdekében az árnyékolót zárva kell tartani Amennyiben az üveg és a tömegfal által határolt térben a hőmérséklet melegebb, mint a külső hőmérséklet a kifelé néző alul-felül elhelyezett ablakokat is nyitva kell tartani. A tömegfal hővédelme nyáron hatékonyabb, ha az árnyékoló külvilág felé néző felülete reflektív bevonattal van ellátva. Árnyékoló helyzete nyáron hozam esetén zárt, az ablakok nyitottak a fölösleges nyereségek csökkentése érdekében Nyáron éjszaka: Hozam nélküli időszakban a tömegfal főleg derült időszakban hűtési potenciállal bír, ha a felületről infra tartományban képes hőt visszasugározni a környezetbe. A hatás javítható az ablakok nyitott állapotban tartásával. Árnyékoló helyzete nyáron hozammentes esetén nyitott, az ablakok szintén nyitottak

88 Számítási paraméterek betű-jel ti belső hőmérséklet ( C): 20 H Fűtési hőfokhíd (h C): gü Üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége, a keretaránnyal együtt (hőszigetelő, 2x) 0,78 Aü/An Üvegezett részarány: Aüveg/Anévleges (%) 0,9 an Tömegfal abszorpciója (-) 0,8 Qtot Sugárzás hozama fűtési idényben (kwh/m2) 400 Tömegfal számítási példa Tömegfal Légréteg, árnyékoló ablak R arány Veszt eség Eredmények α hőátbocsátás λ hővezetés b vastagság R ellenállás W/m2K W/mK cm m2k/w i Belső oldali hőátadás 8 0,125 v Cementvakolat 0,87 1,5 0,017 t km tégla falazat 0,78 30,0 0,385 v Cementvakolat 0,87 1,5 0,017 e Külső oldali hőátadás 8 0,125 Ufie Falazat hőátbocsátási tényezője (W/m2K) 1,495 Ellenállás a külső falsíktól befelé Rbe 0,544 (vakolat+fal+vakolat+alfai), (m2k/w) Rle Levegőréteg egyenértékű ellenállása árnyékoló nélkül 0,200 Rá Árnyékoló többlet ellenállása (redőny, mely éjszaka zárt állapotban van, ~/2 0,100 Uat Az ablak katalógus szerinti hőátbocsátása (W/m2K) 1,100 Rat Az ablak ellenállása: Rat= 1/Uat (W/m2K) 0,909 Ra Ablak ellenállása a belső oldali hőátadás nélkül Ra=Rat-1/8 (m2k/w) 0,784 Rki Ellenállás a külső falsíktól kifelé: Rki=Rle+Rá+Ra (m2k/w) 1,084 Rki/Rbe A kifelé és befelé mutató ellenállások aránya: Rki/Rbe (-) 1,992 Uie A teljes rendszer hőátbocsátása Uie=1/(Rbe+Rki) 0,614 qtr Transzmissziós veszteség: (1*Uie*H/1000 (kwh/m2)) 44,22 A Fal felületen elnyelt hő: A= Qtot*g*aN*Aü/An (kwh/m2) 224,6 qsg Az ellenállások arányában a helyiségbe érkező szoláris hőnyereség: qsg=a*rki/(rki+rbe) (kwh/m2) 149,57 gtf A sugárzás éves hozamára vetített hőnyereség: qsg/qtot (kwh/m2) 0,37 Ntf A tömegfal naptényezőhöz hasonló hányadosa: Ntf=gtf/0,87 (-) 0,43 qhm A fal hőmérlege fűtési szezonban: qhm=qsg-qtr (kwh/m2) A sugárzás éves hozamára vetített hőmérleg: qhm/qtot (kwh/m2) 105,35 0,263 R ki R be A tömegfal hőátbocsátási tényezője a szokásos összefüggéssel: U fie =1/(R i + R v + R t + R v + R e ), Mivel a fal mindkét oldala belső térnek tekinthető, ezért a belső alfa szokásos értékével számoljuk az ellenállást. Az ellenállások rendre: R i =1/α i, R v =b v /λ v,r t =b t /λ t, R v =b v /λ v, R e =1/α e Az ellenállások arányát a tömegfal külső felületére számítjuk, a befelé irányuló ellenállásba nem számoljuk bele a fal külső oldalának ellenállását, tehát: R be = R i + R v + R t + R v. A légréteg egyenértékű ellenállása (zárt légréteg) R l. A zárva tartott árnyékoló növeli a légréteg egyenértékű ellenállását, de csak éjszaka, így R á - t a valóságos érték felével közelíthetjük. Ekkor a biztonság felé tévedünk, hiszen a tapasztalatok szerint a vesztesek 2/3-a épp hozamszünetben következik be, amikor az árnyékoló zárva van. Az ablak hőátbocsátási tényezője, a teljes elnyelő felületre vonatkoztatva, általában katalógus adat. Ebből az ellenállás R at =1/U at Az ablak ellenállását a belső hőátadás nélkül számoljuk, mert az egyenértékű légrétegben már figyelembe vettük: R a =R at -1/α i A teljes rendszer hőátbocsátása az ellenállások összegének reciproka, számítható pl: U ie =1/(R be +R ki ) összefüggéssel. Az energiagyűjtő falon a fűtési idényben kifelé haladó hőáramot (felület egységenként) számíthatjuk a hőfokhíd segítségével: q tr =1 U ie H /1000. A fenti összefüggéssel CH (órafok) hőfokhíddal, kwh-ban az eredmény. Az energiagyűjtő felületen elnyelt hő: A=Q tot g a N A ü /A n (kwh/m 2 ) Ez a hő az ellenállások fordított arányában halad konvekcióval és vezetéssel a helyiség (q sg ) illetve vissza a környezet felé: q sg = A R ki /(R ki +R be ) A teljes sugárzásátbocsátással analóg szám a g tf =q sg /Q tot, azért nem g, mert abba nem értik bele a konvekciót, a belső oldalon leadott hő zöme pedig az. A naptényezővel analóg szám is képezhető (mely közelebb lenne a valósághoz, ha a kiinduló Q tot helyett egy fűtési szezonra összegzett I srg kwh-ban rendelkezésre állna): N tf =gtf/0,87 ez a 3mm-es tiszta üveggel összevetett g és N alapján készített közelítés. g tf és N tf a nyereség mutatószámai, melyek a hozamtól nem függenek. A nyereség és veszteség különbsége a hőmérleg q hm =q sg -q tr. Végül a sugárzási hozamra vetített mérleg (nyereségarány), neki még nincs betűjele. Pozitív érték esetén jobb, mint a hőszigetelés.

89 Tömegfal építészeti példák

92 Tömegfal Vízfalak-fázisváltó falak Vízfal Olyan tömegfal, amelyben az átlátszatlan tömegfal helyett tározó (esetleg üvegből készült) edényekben víz van. Víz és a szilikát bázisú fal hőtároló-képességének összevetése: dq=mcdt > dq/dt=mc Szilikát: 0,9*1700=1560; Víz: 4,2*1000=4200 A víz keveredik a tárolóedényben, így a teljes keresztmetszet tárol Fázisváltó fal Hőtárolásra előnyösen használhatók olyan anyagok, amelyek szilárd-folyékony fázisváltása alkalmas hőmérsékletszinten megy végbe. Ilyen anyagok 16, 20, 29, 32, 35, C fázisváltási hőmérséklettel, kj/kg fázisváltási hővel ismeretesek. Addig, amíg a fázisváltás le nem játszódik, a hő felvétel vagy leadás állandó hőmérsékleten megy végbe. Ilyen anyagok edényekben, méhsejt szerkezetekben, műanyagmátrixokban való beépítésével egy szerkezet vagy helyiség hőtároló képessége jelentősen növelhető. Egy különleges beépítési módot mutat az ábra: a forgatható elemeknek nappal a tárolós, éjjel a hőszigetelt oldala néz kifelé.

93 Tömegfal Vízfalak alkalmazásai

94 Trombe fal alapok, részei Indirekt napenergiát gyűjtő épületszerkezeti elem. A trombe fal egy jó hővezető-képességű, nagy tömegű fal, melynek nap felé néző oldala hőelnyelő felület, mely a hőveszteségek csökkentése érdekében üvegezéssel burkolt. A tömegfal és a fűtött tér között alul-felül zárható csappantyúkat helyeznek el. Részei: Nagy tömegsűrűségű, jó hővezető-képességű, és nagy fajhőjű (tehát jó hőtároló-képességű) külső és falból ("tömegfal"), az elé épített üvegezésből áll illetve a Az alsó-felső nyithatózárható szellőzőnyílásokból áll Ezt mozgatható árnyékolószerkezetegészítheti ki. A tömegfal külső felületét nagy hőelnyelő képességű, sötét felületképzéssel látják el. Az ablakon átjutó napból érkező sugárzás jelentős részét ez a felület nyeli el. A nagy hőtároló- és hővezetőképességű fal az elnyelt energiát késleltetve jutatja a helyiségbe. Az átszellőzők, gravitációs hajtóerővel képesek a levegő segítségével jóval kisebb késleltetéssel a hőt a fűtendő helyiségbe szállítani. Az árnyékoló az éjszakai veszteségáramokat csökkenti télen, nyáron napközben a túlzott felmelegedés ellen véd. Az üvegfelület ellátható kiszellőztetést segítő szárnyakkal melynek célja a nyári hő-védelem. A csappantyúk éjszakai zárva tartásának páravédelmi okai is vannak. Ide az energetikai alapelv ábrája A gravitációs beszellőzés a befelé mutató ellenállást csökkenti! Az üvegtérből kimosott hő az amúgy is az üvegtérben akkumulálódott konvektív hő (elméleti maximum: 1-aN) A levegő áramlási miatt megnövekedett fal és levegő közötti hőátadás (növekvő alfa, hidegebb áramló levegő)

95 A napsugárzás 15-20%-át az üvegfelület visszaveri, az üvegezésen átjutott maradék hányad 80-90%-a tömegfal külső síkján elnyelődik. Az elnyelt hő egy része - a tömegnek megfelelő késleltetéssel a helyiségbe jut. A külső oldalon is felmelegedett tömegfal felülete melegíti az üveggel bezárt légréteget. A felmelegedett levegő a csappantyúk nyitott állása esetén, a gravitációs hajtóerő segítségével a helyiségbe áramlik. Mivel a helyiségből érkező levegő hidegebb, így ennek hűtőhatása csökkenti az infra visszasugárzás veszteségét. Télen napközben a csappantyút zárva kell tartan, ha a helyiségnek nincs szükséges hőnyereségre, ekkor a hőtárolás és késleltetés hatás erősödik. Trombe fal energetikai működése

96 Trombe fal átszellőző mérete, javasolt falvastagságok:

97 Trombe fal késleltetés, csillapítás veszteségek Késleltetés, csillapítás: A trombe fal működésére késleltetés szempontjából a kettősség jellemző: A légréteg felmelegedése a besugárzottság kezdete után néhány perccel már számottevő, így a helyiség felé igen hamar elindul a konvekciós hőáram. A nagy hőtároló-képességű faltömegbe induló hőáram esetén hasonló késleltetési és csillapítási jelenség játszódik le, mit a tömegfal esetén. Veszteségek: A trombe fal alkalmazásának egyik legnagyobb hátránya, hogy besugárzás nélküli időszakban jelentős a kifelé haladó veszteség. A visszasugárzás vesztesége,hasonlóan a tömegfalhoz, szelektív bevonatolással, kettős üvegezéssel, éjszaka az árnyékoló szerkezet és a csappantyúk zárásával mérsékelhető. Télen éjszaka a zárva tartott csappantyúnak páravédelmi szerepe is van. A hideg ablakfelület negatív felhajtóerővel a helyiség páradúsabb levegőjét az ablakhoz szállítja, mely esetleg felületi kondenzációhoz vezet.

98 Trombe fal Paradoxonjai A trombe fal hatékonysága a helyiség felé a hővezetés és a hőtároló képesség növelésével javítható. Mivel a sugárzással érkező hő vezetéssel és konvekcióval halad a helyiség felé az energiagyűjtő szerkezet hatékonyabb, ha a konvekciós és vezetéses ellenállások aránya a helyiség felé számottevően kisebb. Egy 30cm két oldalán vakolt kisméretű téglafal esetében, mely előtt U win = 1,1 W/m 2 K üvegezés van, az árnyékolót éjszaka zárva tartják a kifelé és befelé haladó konvektív és vezetéses áramok ellenállásának arány 1:2. Ez esetben a teljes energiagyűjtő szerkezetre vonatkozó hőátbocsátási tényező nagyjából U wal =0,6 W/m 2 K. Az ellenállás arány a trombe fal légcsappantyúival javítható, hisz a kialakuló konvektív légáram, a befelé mutató ellenállást csökkenti. Az éjszaka nyitva hagyott csappantyúk épp az ellenkező hatást érik el, az átlagos U wal növekszik. A fal hőszigetelő képességének növelése rontja a befelé haladó nyereség áramot. A trombe hatékonysága tehát a benapozottságtól erősen függ. Felhős időszakban a veszteség jelentős. Az energiagyűjtő szerkezet hatékonyabb, ha az üvegezés hőátbocsátási tényezője alacsonyabb. Az üvegezés hőátbocsátási tényezője alacsony emissziós bevonattal, a rétegek közötti gáztöltéssel, illetve vákuummal javítható (csökkenthető). Az üvegezés hőátbocsátási tényezőjének javításával együtt jár a nyereségáram csökkenése. Építészeti szempontból paradoxon, hogy az energiagyűjtő falak kitakarják a homlokzatról azokat az üvegezett felületeket, melyek fényt illetve direkt sugárzási nyereséget szállítanak az épületbe.

99 Trombe fal nyári üzemállapotok Nyáron napközben: A nyáron fölösleges nyereségáramok csökkentése érdekében az árnyékolót zárva kell tartani Amennyiben az üveg és a tömegfal által határolt térben a hőmérséklet melegebb, mint a külső hőmérséklet a kifelé néző alul-felül elhelyezett ablakokat is nyitva kell tartani. A trombe fal csappantyúi zárva vannak. A trombe fal hővédelme nyáron hatékonyabb, ha az árnyékoló külvilág felé néző felülete reflektív bevonattal van ellátva. Nyáron éjszaka: Hozam nélküli időszakban a tömegfal főleg derült időszakban hűtési potenciállal bír, ha a felületről infra tartományban képes hőt visszasugározni a környezetbe. A hatás javítható az ablakok nyitott állapotban tartásával. A csappantyúk általában zártak. Amennyiben a külső oldali hőmérséklet alacsonyabb, éjszakai szellőzetést a nyitott csappantyúk segíthetik. Árnyékoló helyzete nyáron hozam esetén zárt, az ablakok nyitottak, a csappantyúk zártak. Árnyékoló helyzete nyáron éjszaka nyitott, az ablakok nyitottak, a csappantyúk zártak.

100 Számítási paraméterek betű-jel ti belső hőmérséklet ( C): 20 H Fűtési hőfokhíd (h C): gü Üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége, a keretaránnyal együtt (hőszigetelő, 2x) 0,78 Aü/An Üvegezett részarány: Aüveg/Anévleges (%) 0,9 an Tömegfal abszorpciója (-) 0,8 Qtot Sugárzás hozama fűtési idényben (kwh/m2) 400 Trombe fal számítási példa Tömegfal Légréteg, árnyékoló ablak R arány Veszt eség Eredmények α hőátbocsátás λ hővezetés b vastagság R ellenállás W/m2K W/mK cm m2k/w i Belső oldali hőátadás 8 0,125 v Cementvakolat 0,87 1,5 0,017 t km tégla falazat 0,78 30,0 0,385 v Cementvakolat 0,87 1,5 0,017 e Külső oldali hőátadás 8 0,125 Ufie Falazat hőátbocsátási tényezője (W/m2K) 1,495 Ellenállás a külső falsíktól befelé Rbe 0,544 (vakolat+fal+vakolat+alfai), (m2k/w) Rle Levegőréteg egyenértékű ellenállása árnyékoló nélkül 0,200 Rá Árnyékoló többlet ellenállása (redőny, mely éjszaka zárt állapotban van, ~/2 0,100 Uat Az ablak katalógus szerinti hőátbocsátása (W/m2K) 1,100 Rat Az ablak ellenállása: Rat= 1/Uat (W/m2K) 0,909 Ra Ablak ellenállása a belső oldali hőátadás nélkül Ra=Rat-1/8 (m2k/w) 0,784 Rki Ellenállás a külső falsíktól kifelé: Rki=Rle+Rá+Ra (m2k/w) 1,084 Rki/Rbe A kifelé és befelé mutató ellenállások aránya: Rki/Rbe (-) 1,992 Uie A teljes rendszer hőátbocsátása Uie=1/(Rbe+Rki) 0,614 qtr Transzmissziós veszteség: (1*Uie*H/1000 (kwh/m2)) 44,22 A Fal felületen elnyelt hő: A= Qtot*g*aN*Aü/An (kwh/m2) 224,6 qsg Az ellenállások arányában a helyiségbe érkező szoláris hőnyereség: qsg=a*rki/(rki+rbe) (kwh/m2) 149,57 gtf A sugárzás éves hozamára vetített hőnyereség: qsg/qtot (kwh/m2) 0,37 Ntf A tömegfal naptényezőhöz hasonló hányadosa: Ntf=gtf/0,87 (-) 0,43 qhm A fal hőmérlege fűtési szezonban: qhm=qsg-qtr (kwh/m2) A sugárzás éves hozamára vetített hőmérleg: qhm/qtot (kwh/m2) 105,35 0,263 R ki R be A trombe fal hőátbocsátási tényezője a szokásos összefüggéssel: U fie =1/(R i + R v + R t + R v + R e ), Mivel a fal mindkét oldala belső térnek tekinthető, ezért a belső alfa szokásos értékével számoljuk az ellenállást. Az ellenállások rendre: R i =1/α i, R v =b v /λ v,r t =b t /λ t, R v =b v /λ v, R e =1/α e Az ellenállások arányát a tömegfal külső felületére számítjuk, a befelé irányuló ellenállásba nem számoljuk bele a fal külső oldalának ellenállását, tehát: R be = R i + R v + R t + R v. A légréteg egyenértékű ellenállása (zárt légréteg) R l. A zárva tartott árnyékoló növeli a légréteg egyenértékű ellenállását, de csak éjszaka, így R á - t a valóságos érték felével közelíthetjük. Ekkor a biztonság felé tévedünk, hiszen a tapasztalatok szerint a vesztesek 2/3-a épp hozamszünetben következik be, amikor az árnyékoló zárva van. Az ablak hőátbocsátási tényezője, a teljes elnyelő felületre vonatkoztatva, általában katalógus adat. Ebből az ellenállás R at =1/U at Az ablak ellenállását a belső hőátadás nélkül számoljuk, mert az egyenértékű légrétegben már figyelembe vettük: R a =R at -1/α i A teljes rendszer hőátbocsátása az ellenállások összegének reciproka, számítható pl: U ie =1/(R be +R ki ) összefüggéssel. Az energiagyűjtő falon a fűtési idényben kifelé haladó hőáramot (felület egységenként) számíthatjuk a hőfokhíd segítségével: q tr =1 U ie H /1000. A fenti összefüggéssel CH (órafok) hőfokhíddal, kwh-ban az eredmény. Az energiagyűjtő felületen elnyelt hő: A=Q tot g a N A ü /A n (kwh/m 2 ) Ez a hő az ellenállások fordított arányában halad konvekcióval és vezetéssel a helyiség (q sg ) illetve vissza a környezet felé: q sg = A R ki /(R ki +R be ) A teljes sugárzásátbocsátással analóg szám a g tf =q sg /Q tot, azért nem g, mert abba nem értik bele a konvekciót, a belső oldalon leadott hő zöme pedig az. A naptényezővel analóg szám is képezhető (mely közelebb lenne a valósághoz, ha a kiinduló Q tot helyett egy fűtési szezonra összegzett I srg kwh-ban rendelkezésre állna): N tf =gtf/0,87 ez a 3mm-es tiszta üveggel összevetett g és N alapján készített közelítés. g tf és N tf a nyereség mutatószámai, melyek a hozamtól nem függenek. A nyereség és veszteség különbsége a hőmérleg q hm =q sg -q tr. Végül a sugárzási hozamra vetített mérleg (nyereségarány), neki még nincs betűjele. Pozitív érték esetén jobb, mint a hőszigetelés.

101 Trombe fal Összefoglalás trombe fal teljesítménye A Trombe fal teljesítményének növelése az üvegezés keretaránya kicsi az üvegezés hőátbocsátási tényezője kicsi, éjjel az árnyékoló zárva, az elnyelő felület abszorciós tényezője nagy, vagy felületképzése szelektív, az a tömeg hőtároló képessége nagy, jó hővezető-képességű, a szellőzőcsappantyúk nyitása-zárása a megfelelő időben történik. A Trombe falban hőszigetelő réteg nem alkalmazható, hiszen az akadályozná a helyiség felé irányuló hőáramot. A Trombe fal teljes rendszerére jellemő U értéket a kifelé mutató ellenállás növelésével lehet javítani. Két rétegű üvegezés, éjszaka zárva tartott csappantyúk és árnyékoló esetén a szokásos elnyelő felület értékeivel számolva 0,6-1,0 W/m2K A szellőző csappantyúk helytelen működtetése a teljesítményt rontja, állagkárosodáshoz vezethet (ha éjjel a helyiség levegője a hideg légrétegbe jut, páralecsapódással kell számolni).

102 Trombe fal építészeti példák

107 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat alapok Ahogy a tömegfal és a trombe fal esetében is láthatjuk, az energiagyűjtő szerkezet hatékonysága jobb, ha a környezet felé akadályozzuk a hő visszaáramlását. Az átlátszó hőszigetelés egy olyan anyag, mely a napból érkező sugárzást átengedi (átlátszó), az abszorber felületről illetve a helyiségből visszainduló konvektív hővel szemben viszont szigetelőként viselkedik. Legegyszerűbb formájában kapilláriscsövek összeillesztéséből készül. Az átlátszó kapillárisokból álló műanyag méhsejt-szerkezet az abszorbens felületre erőlegesen helyezkedik el, így a hőt merőlegesen továbbítja a felületre. Egy felület abszorbciója a merőleges besugárzás esetén a leghatékonyabb. A zárt kapilláris csövecskékben szinte mozdulatlan levegőnek, így a leghatékonyabb a szigetelőképessége. A szigetelő hatás növelhető a kapilláris fal felőli oldalának zárásával. Átlátszó szigetelés két üvegréteg között, építészeti elemként alkalmazható az egyszerű üvegezés helyett is. Ekkor dirket-diffúz energiagyűjtő szerkezetről beszélünk. A kapilláriscsövekhez leggyakrabban használt műanyag a polikarbonát illetve a polimetil-metakrilát. t, r, a 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Beesési szög

108 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat energiagyűjtő szerkezeteinek elvi felépítése Klasszikus: Nagy tömegsűrűségű, jó hővezető-képességű, és nagy fajhőjű (tehát jó hőtároló-képességű) külső és falból ("tömegfal"), melynek kifelé néző oldala abszorbens felületképzéssel van ellátva, az elé épített átlátszó szigetelésből, valamint a szigetelést védő (általában) üvegezésből áll. A nyári hővédelem érdekében az abszorber felületet védeni kell, melynek legegyszerűbb módja a mobil árnyékoló-szerkezet alkalmazása. Átlátszó vakolat: Az átlátszó szigeteléssel épített falazatok leggyakoribb változata hasonló az utólagos homlokzati hőszigetelő rendszerekhez: szigetelő lemezek helyett átlátszó szigetelő lemezeket rögzítenek a homlokzaton. Mivel az abszorber felület hőmérséklete igen magas is lehet, az általában műanyag alapú kapilláris szerkezetet védeni kell a túlmelegedéstől.

109 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat energiagyűjtő szerkezeteinek energetikai működése A külső üvegrétegen és az átlátszó szigetelés külső felületén beesési szög függvényében napsugárzás 25-35% visszaverődik. Az átlátszó szigetelőrétegbe jutó sugárzás erősen szóródik. Az infravörös tartományú sugárzás jelentős részét a műanyag kapilláriscsövecskék elnyelik, a maradék sugárzást az abszorber felület felé vezetik. A felületek a merőlegesen érkező sugarakat hatékonyabban nyelik el. Az abszorber felületen a hő 85-95%-a nyelődik el. Az elnyelt hő egy része - a tömegnek megfelelő késleltetéssel a helyiségbe jut. A meleg abszorber felületről a környezet felé konvekcióval és sugárzással indul vissza hőáram. A konvekciós áramot kapilláriscsövekbe zárt levegő akadályozza. Az infra tartományú visszasugárzást jelentős részét a műanyag alapú méhsejt szerkezet elnyeli. Hőtárolás szerepe: Az abszorber felület felmelegszik. A felmelegedett felületről a jó tároló és vezetőképességű fal mélyebb rétegei felé vezetéses hőáram indul. A felületen elnyelt hő tehát késleltetve és csillapítva érkezik a fűtendő helyiség felé. A késleltetés és csillapítás jelensége hasonló a tömegfal és trombe fal esetéhez.

110 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat hatékonyság növelése A homlokzat szoláris hatásfoka jelentősen javul ha nagyobb az abszorber felület mögött lévő fal hővezető-képessége. Tömör téglafalak, mészhomoktégla-falak, és beton falak megfelelőbbek, mint a könnyebb, kisebb hővezetőképességű, porózus szerkezetű építőanyagok. Átlátszó hőszigeteléssel burkolt homlokzatok teljesítménye relatíve jobb hideg, napsütéses éghajlat alatt. A hosszabb fűtési szezon több nyereséget is jelent. Tájolás szerint a legjobb energiamérleg (nyereségáramok és veszteségáramok különbsége) déli homlokzaton érhető el. Várhatóan pozitív a mérleg a keleti és nyugati homlokzaton is. Jól tervezett épületszerkezet esetén a direkt (üvegegezett nyílászárók) és indirekt(pl.: átlátszó szigetelésű fal) szerkezetekkel gyűjtött hő egyensúlyban van oly módon, hogy a hozam alatti időszakban a kisebb késleltetésű direkt, a hozam szüneti időszakban a nagyjából 12 óra késleltetésre méretezett indirekt szerkezet nyereségárama érvényesül. A megfelelően méretezett csillapítású faltömeg csökkenti a fölösleges túlfűtés kockázatát. Az átlátszó szigetelésű fal a diffúz sugárzást hatékonyabban hasznosítja, mint az egyéb indirekt rendszerek, mivel a sokirányból érkező sugárzást az abszorber felületre a kapillárisok merőlegesen irányítják.

111 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat Hővédelem, dilatáció: Az átlátszó szigetelésű falak esetén gyakran javasolt módszer, hogy az átlátszó szigetelésű és a csak szigetelésű részek váltogassák egymást. A két zóna határán néhány centiméteren akár 20 C hőmérsékletkülönbség is keletkezhet, ami jelentős hőtágulásbeli különbséget okoz. A repedések elkerülése érdekében függőleges irányú dilatációs hézagok beépítése szükséges. Legegyszerűbb megoldásként a teljes szintmagasságban végigfutó nyílászáró javasolt. Ennek elhagyása a belső felületen akár 1mm-es haránt irányú repedéseket eredményezhet. Az alulméretezett hőtároló tömeg szintén növeli a szerkezet túlmelegedésének kockázatát (mind az abszorber mind pedig a helyiség felőli oldalon). A túlmelegedés kockázatának csökkentése érdekében az átlátszó szigetelésű szerkezet mögötti fal sűrűsége lehetőleg legyen 2000kg/m3-nél nagyobb.

112 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat Nyári hővédelem 1. A túlmelegedés és nyári hővédelem szempontjait figyelembe véve legmegfelelőbb a külső árnyékoló alkalmazása. Működése automatizálható, a megfelelő üzemviteli szempontok szerint vezérelhető. A külső árnyékolás helyett a homlokzati hőszigeteléshez hasonlító rendszerek esetén termotróp (hőre homályosodó) és fototróp bevonatozásokat alkalmaznak. Ezek a bevonatok a nagy melegre és a nappálya meredekebb állására reagálnak a sugárzás-áteresztés csökkentésével. Nyáron a napsugárzás 10-20%-a érkezik csak az abszorber felületre. Az abszorbens felület akár 120 C is elérheti, mely károsíthatja a hőszigetelő anyagot. Ennek elkerülésére a hőszigetelést és az abszorber felületet légréteggel lehet elválasztani. Egyéb megoldások: jobb hővezető tömeg vagy árnyékolás.

113 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat Nyári hővédelem 2. üveggyöngy adalékú vakolat

114 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat Átlátszó szigetelés, a légréteg és az árnyékoló helyzete

115 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat Hajszálcsövek és egyéb struktúrák A transzparens szigetelésű falak tipikus struktúrái: a falra merőleges tengelyű, áttetsző palástú hengerekből, hatszögletű hasábokból álló (végein nyitott) sejtszerkezetek, párhuzamos fóliák, üveg és/vagy fóliák közé kasírozott granulátum, szálas-anyag, nanogel - aerogel.

116 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat Aerogel- nanogel A kapilláris struktúra helyett egyre terjed a Nanogel Aerogel alkalmazása. Mind hőszigetelő, mind pedig hősugárzás átbocsátó képessége messze meghaladja a kapilláris szerkezetű társait. Leginkább két üvegréteg között szórt fény és hőáteresztő rétegként alkalmazzák. d T g U [cm] [%] [%] [W/(m 2 K)] 1, ,4 2, ,7 3, ,57 3, , ,35 6, ,28 t: Aerogel vastagság T: Fényáteresztőképesség g: Teljes sugárzásátbocsátó képesség U: Hőátbocsátási tényező

117 Számítási paraméterek Tömegfal Légréteg Átlátszó szigetelés ablak R arány Veszt eség Eredmények betű-jel ti belső hőmérséklet ( C): 20 H Fűtési hőfokhíd (h C): gü Üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége, a keretaránnyal együtt (hőszigetelő, 2x) Aü/An Üvegezett részarány: Aüveg/Anévleges (%) 0,9 0,78 an Tömegfal abszorpciója (-) 0,85 Qtot Sugárzás hozama fűtési szezonban (kwh/m2) 400 α hőátbocsátás λ hővezeté s b vastagság R ellenállás W/m2K W/mK cm m2k/w i Belső oldali hőátadás 8 0,125 v Cementvakolat 0,87 1,5 0,017 t km tégla falazat 0,78 30,0 0,385 v Cementvakolat 0,87 1,5 0,017 e Külső oldali hőátadás 8 0,125 Ufie Falazat hőátbocsátási tényezője (W/m2K) 1,495 Rbe Ellenállás a külső falsíktól befelé (vakolat+fal+vakolat+alfai), (m2k/w) 0,544 Rle Levegőréteg egyenértékű ellenállása árnyékoló nélkül 0,200 Rá Árnyékoló többlet ellenállása (a példában nincs) 0,000 gtr Az átlátszó szigetelés teljes sugárzásátbocsátó képessége (katalógus) 0,73 Utr Az átlátszó szigetelés hőátbocsátási tényezője (katalógus) 1,4 Rtr Az átlátszó szigetelés ellenállása: Rtr=1/Utr (W/m2K) 0,71 Rtr' Az átlátszó szigetelés ellenállása, külső belső hőátadás nélkül: Rtr'=1/Utr-2*1/8 (W/m2K) Uat Az ablak katalógus szerinti hőátbocsátása (W/m2K) 1,100 Rat Az ablak ellenállása: Rat= 1/Uat (W/m2K) 0,909 Rat' Ablak ellenállása a belső oldali hőátadás nélkül Rat'=Rat-1/8 (m2k/w) 0,784 Rki Ellenállás a külső falsíktól kifelé: Rki=Rle+Rá+Rtr'+Rat' (m2k/w) 1,448 Rki/RbeA kifelé és befelé mutató ellenállások aránya: Rki/Rbe (-) 2,662 Uie A teljes rendszer hőátbocsátása Uie=1/(Rbe+Rki) 0,502 qtr Transzmissziós veszteség: (1*U*H/1000 (kwh/m2)) 36,14 A Fal felületen elnyelt hő: A= Qtot*gü*gtr*aN*Aü/An (kwh/m2) 174,2 qsg Az ellenállások arányában a helyiségbe érkező szoláris hőnyereség: qsg=a*rki/(rki+rbe) (kwh/m2) 0,46 126,66 gtf A sugárzás éves hozamára vetített hőnyereség: qsg/qtot (kwh/m2) 0,32 Ntf A tömegfal naptényezőhöz hasonló hányadosa: Ntf=gtf/0,87 (-) 0,36 qhm A fal hőmérlege fűtési szezonban: qhm=qsg-qtr (kwh/m2) 90,52 A sugárzás éves hozamára vetített hőmérleg: qhm/qtot (kwh/m2) 0,226 Átlátszó szigetelésű fal számítási példa R ki R be A tömegfal fal hőátbocsátási tényezője a szokásos összefüggéssel: U fie =1/(R i + R v + R t + R v + R e ), Mivel a fal mindkét oldala belső térnek tekinthető, ezért a belső alfa szokásos értékével számoljuk az ellenállást. Az ellenállások rendre: R i =1/α i, R v =b v /λ v,r t =b t /λ t, R v =b v /λ v, R e =1/α e Az ellenállások arányát a tömegfal külső felületére számítjuk, a befelé irányuló ellenállásba nem számoljuk bele a fal külső oldalának ellenállását, tehát: R be = R i + R v + R t + R v. A légréteg egyenértékű ellenállása (zárt légréteg) R l. Az árnyékoló ellenállását elhanyagoljuk Az ablak hőátbocsátási tényezője, a teljes elnyelő felületre vonatkoztatva, általában katalógus adat. Ebből az ellenállás R at =1/U at Az ablak ellenállását a belső hőátadás nélkül számoljuk, mert az közvetlenül érintkezik az átlátszó szigeteléssel: R at =R at -1/α i Az átlátszó szigetelést a katalógusok szintén U értékkel jellemzik. Mindkét oldalról levonjuk a felület ellenállását: R tr =1/U tr -2/α i A kifelé mutató ellenállás: Rki=Rle+Rtr +Rat A teljes rendszer hőátbocsátása az ellenállások összegének reciproka, számítható pl: U ie =1/(R be +R ki ) összefüggéssel. Az energiagyűjtő falon a fűtési idényben kifelé haladó hőáramot (felület egységenként) számíthatjuk a hőfokhíd segítségével: q tr =1 U ie H /1000. A fenti összefüggéssel CH (órafok) hőfokhíddal, kwh-ban az eredmény. Az energiagyűjtő felületen elnyelt hő: A=Q tot g a N A ü /A n (kwh/m 2 ) Ez a hő az ellenállások fordított arányában halad konvekcióval és vezetéssel a helyiség (q sg ) illetve vissza a környezet felé: q sg = A R ki /(R ki +R be ) A teljes sugárzásátbocsátással analóg szám a g tf =q sg /Q tot, azért nem g, mert abba nem értik bele a konvekciót, a belső oldalon leadott hő zöme pedig az. A naptényezővel analóg szám is képezhető (mely közelebb lenne a valósághoz, ha a kiinduló Q tot helyett egy fűtési szezonra összegzett I srg kwh-ban rendelkezésre állna): N tf =gtf/0,87 ez a 3mm-es tiszta üveggel összevetett g és N alapján készített közelítés. g tf és N tf a nyereség mutatószámai, melyek a hozamtól nem függenek. A nyereség és veszteség különbsége a hőmérleg q hm =q sg -q tr. Végül a sugárzási hozamra vetített mérleg (nyereségarány), neki még nincs betűjele. Pozitív érték esetén jobb, mint a hőszigetelés.

118 Szoláris építészet Transzparens szigetelés A transzparens szigetelés beépítése A transzparens szigetelést az időjárási hatásoknak ellenálló áteresztő réteg mögé kell beépíteni. A nem kívánt nyári felmelegedés és a szigetelőanyag ebből eredő károsodásának megelőzése végett a falat nyáron a besugárzástól védeni kell. Ez történhet külső mozgatható árnyékolóval, az üvegfedés és a szigetelés közötti mozgatható árnyékolóval, adott hőmérséklet felett elhomályosodó termotróp üvegezéssel (két üvegtábla között 1-10 mm vtg. gélréteg). A szigetelés és a fal között gyakran 1 cm légrést hagynak, hogy a szigetelőanyag a magas hőmérsékletű elnyelő-felülettel közvetlenül ne érintkezzék. Ez egyúttal a párakiszellőztetést is szolgálhatja. A transzparens szigetelés szokásos vastagsága 4-8 cm, hővezetési ellenállása 0,8-1,6 m2k/w, sugárzásáteresztő képessége 0,5-0,7. Kisebb teljesítményű rendszereknél áttetsző vakolat alkalmazása is előfordul, ezek nyári védelme nem feltétlenül szükséges. Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3.

119 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat építészeti példák City hall, Innsbruck, partial transparent and translucent facade elements

120 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat építészeti példák Low energy building south facade Stutensee-Blankenloch StoSolar

121 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat építészeti példák

122 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat építészeti példák Solar House Freiburg Thermally separated facade TI collectors with rolle blinds for solar protection Paul-Robeson-School, Leipzig Transommullion-construction Okalux glazing used in parapet

123 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat építészeti példák Technology Center, FEZ, Coburg TI-Modules with active ventilation for fresh air preheating and solar protection (summer) Senior Residence Domat / Ems South facade GlassXcrystal TI-Facade using latent heat storage and seasonal shading Solar house Ebnat / Kappel Translucent TI-Facade using latent heat storage and seasonal shading

124 Átlátszó szigetelésű fal, átlátszó vakolat építészeti példák

125 Energiagyűjtő szerkezetek Általános összefoglalás A direkt rendszerek energetikai hatékonysága jobb, mint az indirekt rendszereké, hiszen nagyobb hatásfelületen (teljes helyiség belső felületei), működnek. A hatásos működés feltétele azonban az épületszerkezet megfelelő hőtároló-képességének megléte; Az energiagyűjtő szerkezetek, energetikai szempontból átlátszóak, hiszen a helyiség oldalán konvekcióval és infra tartományú sugárzással a besugárzott energia egy részét a helyiség felé közvetítik, a saját tömegüknek és vezetőképességüknek megfelelő csillapítással és késleltetéssel. Tájolás szerint a legjobb energiamérleg (nyereségáramok és veszteségáramok különbsége) déli homlokzaton érhető el. Várhatóan pozitív a mérleg a keleti és nyugati homlokzaton is. Jól tervezett épületszerkezet esetén a direkt (üvegegezett nyílászárók) és indirekt(pl.: átlátszó szigetelésű fal) szerkezetekkel gyűjtött hő egyensúlyban van oly módon, hogy a hozam alatti időszakban a kisebb késleltetésű direkt, a hozam szüneti időszakban a nagyjából 12 óra késleltetésre méretezett indirekt szerkezet nyereségárama érvényesül. A megfelelően méretezett csillapítású faltömeg csökkenti a fölösleges túlfűtés kockázatát. Az energiagyűjtő szerkezetek teljesítménye relatíve jobb hideg, napsütéses éghajlat alatt. A hosszabb fűtési szezon több nyereséget is jelent. Az energiagyűjtő szerkezetek hatékonysága növelhető: sötét, szelektív felületképzéssel, a keretarány csökkentésével, a befelé és kifelé mutató konvektív ellenállásarány javításával Egy energiagyűjtő szerkezet (direkt, indirekt) jellemzésére az U/e arány, qsgqtr, illetve N használható. Az energiagyűjtő szerkezetek üzemeltetési viszonyai jelentősen befolyásolják a hozamot (árnyékolók, csappantyúk).

126 Kőfal utólagos üvegezése R ki R be Következtetések: Szokásos rétegrendű kőfallal takart homlokzatok esetén, a téli időszak déli homlokzatán a függőleges felületére jutó átlagos nyereségárammal számolva (400kWh/m2,év), már egyrétegű üvegezéssel is energetikailag hasznosabb a falat üveggel burkolni, mint hőszigetelni. A keleti és nyugati oldalakon szokásos minőségű kettős üvegezéssel az épület szempontjából pozitív hőmérleg alakul ki. Az északi oldalon ugyan negatív marad a hőmérleg, de a burkolatlan falhoz képest jelentősen csökken a veszteségáram. Megállapítható tehát, hogy a kőfallal burkolt, eredetileg 2,0-2,5 U értékű homlokzatokat érdemesebb üvegezéssel takarni, mint hőszigetelni.

Több megjelenítése