Szalmaházak energiahatékonysági elemzése

Átírás

1 Szalmaházak energiahatékonysági elemzése Igaz Titusz, Ph.D. hallgató, Dr. habil. Lakatos Gyula, Ph.D Debreceni Egyetem, Ökológiai Tanszék Godó Zoltán Attila, Ph.D Debreceni Egyetem, Környezet- és Vegyészmérnöki Tanszék Kozmáné Szirtesi Krisztina Debreceni Egyetem, Épít mérnöki Tanszék Abstract Not long ago in Hungary red mud disaster destroyed a lot of houses. Some houses have been rebuilt by donations. One of them was designed to be really environmentally friendly, insulated with natural straw bales. Is this construction energy efficient as well? At our University the Department of Ecology and Environmental Engineering have made a cooperation to investigate the straw insulated structures if they work properly. The insulating property, energy transfers and the durability of the structures are tested at the same time. It was designed to place seven high-precision sensors into each measuring points into the structures. The high number of sensors are controlled by microcontrollers and the data transfer is made online. The real-world measurements of environmentally friendly constructions can help the future be modernized and sustainable. Szalmaházak története Az els szalmaházakat Nebraskában a 19. század vége felé, a bálázó gépek feltalálása idején építették. A homokos dombokkal jellemezhet tájban nem találtak építésre alkalmas anyagot. Fát csak a folyók partjain él k alkalmazhattak. Sok helyen gyeptéglák segítségével építettek kunyhókat, de bizonyos területeken ebb l sem lehetett megfelel min ség t fellelni, így adódott a telepeseknek az ötlet, hogy a szalmabálákat, mint téglákat egymásra építve készítsenek házat (1.a,b. ábra). El ször csak ideiglenes jelleggel építették, de id vel rájöttek, hogy ha bevakolják, akkor nagyon is komfortos és tartós házakat kapnak. Az els ilyen házak már több mint 100 éve épültek, és közülük sok még ma is épségben áll és lakják (LACINSKI P. ÉS BERGERON M, 2000). 1.a. ábra. Teherhordó típusú szalmaház építés közben 1.b. ábra. Szalmabála falazattal épült templom az USA-ban (1927)

2 Id vel, a korszer épít anyagok megjelenésével és a mobilizáció fejl désével, ezek a házak feledésbe merültek, ám kés bb, az 1970-es évek energiaválsága idején újra felfedezték ket. Azóta a világ számos országában készültek és készülnek ilyen házak. Napjaink gazdasági és környezeti válsága idején egyre többen ismerik fel a környezet és energiatudatos házak létjogosultságát, így a szalmaházak is nagy jöv elé nézhetnek. Szalmaházak Európában Az EU számos országában (Anglia, Franciaország, Németország, Dánia, Spanyolország, Ausztria, ) készültek már szalmaházak különböz építési technológiákkal. A legtöbb esetben hagyományos, kézi kivitelezés házak épültek, de több példa található el re gyártott panelek alkalmazására is. A különböz építési módok függvényében változik az így létrehozott házak beépített energia igénye, ami a kivitelezéshez felhasznált épít anyagok alapanyagainak kibányászásához, el állításához és helyszínre szállításához szükséges. Mindegyik építési módra igaz, hogy nagyságrendekkel kevesebb energiát igényel, mint a konvencionális (tégla, beton) házak létrehozása. Egy épület teljes életciklusa alatt felhasznált energia és nyersanyagok mérlegébe beletartozik az épület rendeltetésszer üzemeltetése során elhasznált javak mennyisége is. Ezek részben a lakók szokásaitól is függenek, de legnagyobb mértékben az épület tulajdonságai határozzák meg. Az épületek energia felhasználásának legnagyobb hányadát a f tési (MEDGYASSZAY P, OSZTROLUCZKY M, 1999) és (bizonyos helyeken) a h tési energia teszi ki, így ezek minimalizálása a legfontosabb egy környezet és energiatudatos épület kapcsán. A manapság egyre divatosabb passzívházak messzemen kig teljesítik az energiatudatosság követelményét. Viszont nem szabad megfeledkezni arról, hogy az energiatudatos ház nem feltétlenül környezettudatos is, ugyanis az utóbbi esetében nem elég, ha az üzemeltetés során kevés energiát használ fel, hanem lehet leg az építése során is minél kisebb mértékben terhelheti a környezetét (MEDGYASSZAY P, 2007). Jól szemlélteti a különbséget egy osztrák tanulmány (2.a-d. ábra), amely többek között egy hagyományos (beton + polisztirol felhasználásával készül ) és egy szalmabála vályog kombinációjú passzívház ökológiai lábnyomát veti össze. A vizsgálat tanulsága szerint a hagyományos passzívház több mint ötször annyira terheli a környezetét, mint a szalmabálás megoldás (REINBERG G. ÉS MEINGAST R, 2007). Ennek okát jobban megérthetjük, ha szemügyre vesszük a 2.b. ábrát, amely a különböz épít anyagok beépített energiaigényét fejezi ki CO 2 egyenértékben. Megfigyelhet, hogy a manapság el szeretettel használt mesterséges épít anyagokkal (fémek, m anyagok, szilikátok) szemben a természetes, növényi eredet anyagok használata esetén nemhogy CO 2 ot juttatunk a légkörbe, hanem éppen ellenkez leg, a növény által megkötött CO 2 ot a leveg b l és - az épület élettartamának idejére - a körforgásból kivonva, negatív el jel értékeket is kaphatunk (WIHAN J, 2007). Ennek is köszönhet tehát, hogy a szalmaházak igazán környezetkímél alternatívát nyújtanak, míg a passzívházaknak csupán az üzemeltetése tekinthet energiatudatosnak. Egy teljesen közönséges épület esetében pedig, melynek üzemeltetése is rendkívül gazdaságtalan, a környezetterhelés még a passzívházakhoz képest is sokkal nagyobb. A magyarországi épületállomány m szaki állapotát figyelembe véve megállapíthatjuk, hogy nálunk még lesújtóbb a helyzet.

3 Ϯ Ă Ϯ ď Ϯ Ě Ϯ Đ 2.a. és c. ábra. Tattendorfi (Ausztria) passzív szalmaház külsę és belsę képe 2.b. ábra. ÉpítĘanyagok beépített energiája CO2 egyenértékben 2.d. ábra. Tattendorfi (Ausztria) passzív szalmaház építése elęregyártott panelekbęl Magyarországi helyzet bemutatása Ugyan hazánkban is egyre többet hallani a passzívházakról és megújuló energiákról, de nagy áttörés még nem történt e téren. Az igazán környezettudatos (és gyakran olcsóbb) természetes megoldások itthoni elterjedését pedig a jogi környezet is hátráltatja. ϯ Ă ϯ ď 3.a. ábra. Vakolt szalmabála fal tħztesztje az ÉMI Szentendrei Laboratóriumában (2008) 3.b. ábra. A tħzmentett oldal felületi hęmérsékletnövekedésének alakulása a tħzteszt során

4 A jogi akadályok leküzdése érdekében az utóbbi id ben számos kezdeményezés történt szakmai és civil oldalról is. A Magyar Építész Kamarán belül egy szakmai bizottság is m ködik a korábban említett jogi visszásságokból ered problémák leküzdéséért (ERTSEY A., 2009). M emlékvédelemmel foglalkozók számára is nap, mint nap okoz problémát a jogszabály, így k is küzdenek ellene. A szalmaházak hazai népszer sítését célul kit z Energia és Környezet Alapítvány pályázati forrásból egy t ztesztet is megfinanszírozott, amely eredményei tanúsítják, hogy szalmából készíthet ek megfelel en t zálló falak. (ÉMI, 2008) A t zteszthez épített demó fal (3.a,b. ábra) készítésében és a t zteszten magán is jelen voltam, így tanúja lehettem, hogy a vizsgálati szabályoknak megfelel en közel 1000 Cº-os h mérsékletig hevített próbafal t zmentett oldalán csupán 7 Cº-os átlagos h mérséklet emelkedés volt megfigyelhet. Ez jóval alul marad a megengedett 140 Cº-os értékhez képest, továbbá a vizsgálat közben természetesen a próbafal meg rizte a teherbíró képességét, és sem lángáttörés nem történt, sem gyúlékony gázok nem jutottak át a falon (TAKÁCS L, 2008). Szalmabálával szigetelt autonóm ház Devecserben a cikk írása idején épül pont egy szalmabála ház egy a vörösiszap katasztrófa során tavaly elpusztított épület helyett. Ez a kísérleti épület egy igazán fenntartható autonóm ház lesz, amely megújuló energiával lesz üzemeltetve és a lehet legtöbb természetes anyag felhasználásával készül. A ház fa tartószerkezete beton alapokról indul. Az épület több érdekes szerkezetet is tartalmaz majd, amelyek különösen érdemessé teszik vizsgálatok/monitorozás céljára. Az épület bels terében, és magukban az épületszerkezetekben megfigyelhet páravándorlás mérésre kerül majd. Szintén érdekes lesz megfigyelni a h transzport folyamatokat is, továbbá az épület gépészeti berendezései által termelt és fogyasztott energia viszonyát. Az el zetes számítások alapján a ház alacsony energiaigény épület lesz, amely els sorban a kiváló h szigetel képesség szalmabáláknak köszönhet, melyeket nem csak a falban, hanem a padlószerkezetben és a födémben is megtalálhatunk. Fontos, hogy az épület részletei úgy legyenek kidolgozva, hogy a szerkezetek a különböz nedvességformáktól megfelel mértékben megóvásra kerüljenek. Ennek ellen rzésére is szolgál majd az épületben alkalmazott monitorozó rendszer, amely rengeteg információt szolgáltat majd az épületben zajló folyamatokról. H mérséklet és páratartalom mérés a falban A szalma bála épületek falának objektív vizsgálatát a legmodernebb szenzorok (SHT75) és mikrokontrollerek (BS2SX) felhasználásával végezzük. A fal közvetlen felületén és különböz mélységekben 7 szenzort helyezünk el. A szenzorok által küldött adatok hitelesen mutatják a h mérsékleti és páratartalom viszonyok eloszlását. A felületeken lév szenzorok a bels és a küls tér leveg jét érzékelik amely közvetlenül érintkezik a fallal. Itt a fal módosító hatásait tudjuk vizsgálni. A következ szenzorpár a vakolat alatt helyezkedik el. Ez a vakolat h mérsékleti és páratartalom átereszt képességér l ad információt. Ezután a fal szélén és középen elhelyezked szenzorok vannak. A három szenzor a falban kiépül gradiensr l ad információt, amely a küls és a bels tér között kialakul. Integrált szenzorokat alkalmazunk, amely a h mérsékletet és a páratartalmat is egy id ben és egy helyen detektálja. Az integrált mérés azért is szerencsés, mert a szenzornak így lehet sége van a páratartalom kalibrálására a h mérséklet függvényében. Ezért nem csak az abszolút, hanem a relatív páratartalomról is információt kapunk. Az integrált szenzor el nye, hogy rendelkezik bels kalibrációval, referenciafeszültséggel az analóg/digitál átalakításhoz és adat transzfer protokollal. Így a hibalehet ségek számát is nagymértékben lecsökkenti. A kiolvasott h mérséklet és páratartalom értékeket kalibrálja, digitalizálja majd I2C adatátviteli

5 protokollon keresztül elküldi a mikrokontroller felé. (4. ábra) Ennek az adattovábbítási módnak az el nye, hogy a tápellátáson (amely párhuzamosan beköthet a szenzorokba) csak egy Rx és egy Tx vezetéket igényel. Így a mérési pontonként 7 szenzornak csak 14 adatvezetéket kell kiépíteni. 4. ábra. A szenzor és a mikrokontroller kapcsolata A vezetékek számának redukálása nem csak a munka megkönnyítését célozza. A vezetékek fém szálai ugyanis jó h vezet képességgel rendelkeznek, valamint felületük mentén a nedvesség is másképpen diffundál, mint az intakt szalma testben. Ezáltal h és nedvesség hidakat hoz létre a falban. Így maga szenzor befolyásolhatja a falban kialakuló természetes mikroklímát. 5.ábra A monitorozó rendszer és a szenzorok elhelyezkedése Ezt a hatást kiküszöbölni csak vezeték nélküli adatátvitellel lehetne, de akkor a tápellátás problémája merülne fel. A falat pedig a mérések miatt nem bonthatjuk újra meg, az ott él család életét etikátlan ilyen okból zavarni. A hatást azonban minimálisra lehet csökkenteni azzal, hogy a vezetékeket nem vezetjük ki a fal síkjára mer legesen,( 5.a,b. ábra) hanem egy hosszabb szakaszon el ször a fallal párhuzamosan vezetjük. A falban ugyanis mer legesen alakulnak ki a gradiensek a küls és bels tér között, de viszonylag állandóak a fallal párhuzamos rétegekben. A beépítésre került szenzorok igen nagy érzékenység ek és megbízhatóak.(6. ábra) A páratartalom mérése 0,03 % pontosságú. A h mérséklet felbontása 0,01 o C ábra A relatív páratartalom, a h mérséklet és a harmatpont mérési pontossága

6 Még egy probléma felmerül a falon belüli mérés során. Ha a szenzort egyenesen a falba helyezzük el, akkor a szalmaszálak közvetlenül hozzáérnek a mér felülethez. Ez fals eredményt adhat. Ugyanis a szalmaszál h és nedvesség vezet képességgel rendelkezik és nagyobb a s r sége is, mint a közöttük lév légzárványoknak. Ezért a szenzorokat egy mesterségesen kialakított légzárványba helyezzük el (7. ábra). Ennek a legnagyobb felülete szell zik, csak a mechanikai stabilitás, a szenzor védelme érdekében zárt a palástja. A nagy légátereszt felület következtében a szenzor körül ugyan az a mikroklíma alakul ki, mint a szalmaszálak által közrezárt térben. Így ez a probléma jó hatásfokkal kiküszöbölhet. 7. ábra A közvetlen kontaktus elkerülése érdekében a szenzort véd házba helyezzük Irodalom ERTSEY A. (2009): Betelt a pohár-nyílt levél a Magyar Építész Kamarához és építészeinkhez, Építészfórum. ÉMI, Építésügyi Min ségellen rz Innovációs Kht. (2008): Vizsgálati jegyz könyv a kétoldali agyagvakolattal ellátott szalmabála kitöltés, nyílás nélküli teherhordó falszerkezet t zállósági vizsgálatáról. LACINSKI, P., BERGERON, M. (2000): Serious straw bale, A home construction guide for all climates, Withe River Junction, Vermoount, Chelsea Green Publishing Company. MEDGYASSZAY P. (2007): A földépítés optimalizált alkalmazási lehet ségei Magyarországon - különös tekintettel az építésökológia és az energiatudatos épülettervezés szempontjaira, Ph.D. értekezés, Budapest. MEDGYASSZAY P., OSZTROLUCZKY M. (1999): Energiatudatos építés és felújítás, Budapest, Az épített - környezetért alapítvány. REINBERG, G., MEINGAST, R. (2007): Working- and living qualities in loam - prefabricated passive house, 11. Passzívház nap (Bregenz). TAKÁCS L.(2008): T zvédelmi alapfogalmak, BME Épületszerkezettani Tanszék, Épületek t zvédelme kurzus jegyzet. WIHAN, J (2007) : Humidity in straw bale walls and its effect on the decomposition of straw, Ph.D. értekezés, University of East London School of Computing and Technology.