Hőárnyékolás *

Átírás

1 Hőárnyékolás * A következőkben a zöldtetők épületenergetikai hatásait fogjuk részletesebben elemezni, ehhez azonban elengedhetetlen magáról az épületenergetikáról néhány szót ejteni, mivel a zöldtetők olyan pozitív tulajdonságokkal is rendelkeznek, melyeket a mai (szabványokkal dolgozó) épületenergetikai szakma egész egyszerűen nem képes figyelembe venni. Amikor maga az épületenergetika és az épület hőszigetelés fogalma megszületett, néhány nagyon egyszerű alapfeltevésből (alapvető fizikai/hőtani törvényszerűségből) indultak ki, melyek mind a mai napig az épületenergetikai szabályozás alapját adják. Az alkalmazott hőtechnikai szabvány: Az alapfeltevés (mely elsőre nagyon is racionálisnak tűnik) a következő: van az épület belső tere és van a külső tér. A kettő közötti határt a külső falak (homlokzatok) illetve a tető adja. Mivel a belső térben fenn kell tartani egy állandó hőmérsékletet, mely általában eltér a külső hőmérséklettől, ezért a két térrészlet között hőmérsékletkülönbség áll fenn, mely a fizika alaptörvényei szerint egy állandó hőáramlást eredményez a magasabb hőmérsékletű tér felől az alacsonyabb hőmérsékletű felé. Mivel a kettőt a külső falak, illetve a tető választják el, ezért teljesen logikusan ezen határolók hővezetési képességeinek változtatásával lehet elérni a hőáram mértékének változtatását. A cél természetesen a minél kisebb hőáram elérése, mivel így veszít minél kevesebb energiát az épület. Tehát alapvetően a falak hővezető képességének a változtatása jelentheti a megoldást. Tanulmányozva a falak hővezető képességének a törvényszerűségeit, különösebben részletes levezetés, vagy bizonyítások mellőzésével [1] a következő állítható: - minden anyagnak más a hővezető képessége - minden egyes anyag esetében minél vastagabb a fal, annál kisebb az átvezetett hő mennyisége (kétszer olyan vastag fal kétszer olyan jól szigetel) - minden egyes anyag esetében minél nagyobb a falfelület, annál nagyobb az átvezetett hő mennyisége. - Minél nagyobb a külső és a belső hőmérséklet közötti különbség, annál nagyobb az átvezetett hő mennyisége Mivel a falvastagság általában adott, így a mérőszám, a hőátadási tényező, mely az épületek energetikai jellemzőjét hivatott leírni (jele U, korábban K) mértékegysége W/m 2 K. A W a Watt, ami a teljesítmény mértékegysége (vagyis, hogy adott idő alatt mennyi energiát veszít az épület), a m 2 a falfelület nagyságát mutatja, a K pedig a hőmérséklet mértékegysége (1 K= 1 C és 0 C=273 K). Vagyis a hőátadási tényező mértékegysége tükrözi a fent leírt arányosságokat. A falak általában több rétegből állnak és van egy külső és belső felületük, mely a kinti illetve a benti légrétegekkel érintkezik. Ennek megfelelően a hőátadási tényező (U) is egy összetett mérőszám, mely tartalmazza az ún. külső és belső oldalon jelentkező felületi hőátadási tényezőket, melyek a fal szilárd anyaga és a levegő között lépnek fel, valamint az egyes anyagok fajlagos hővezetési tényezőit és azok vastagságát.

2 Mindenféle bonyolultabb képletet nélkülözve tehát a hőveszteséget meghatározza, hogy a fal mennyire képes felvenni és leadni hőt a kinti és benti felületein, valamint a falban levő anyagok vastagsága és fajlagos hővezetési (hőszigetelési képessége). Az alkalmazott hőtechnikai szabvány problémái: több olyan problémát is felvet ezen fajta számolás kizárólagossága az épületenergetikában, amely épp a zöldtetők esetében került napvilágra. Elsőként meg kell említeni, hogy itt csupán hővezetési és felületi hőátadási képességekről van szó, melyek egyáltalán nem képesek figyelembe venni hősugárzásból származó hőtöbbleteket. Közismert, hogy a tűző napon jóval melegebb van, mint az árnyékban, azonban a jelenleg használt hőtechnikai szabvány mindezzel nem tud mit kezdeni, hiszen a használt képletben nem szerepel a hősugárzás. Tehát olyan, mintha az épület állandóan árnyékban lenne és csupán a külső levegő hőmérséklete melegítené vagy hűtené. Ezen jelenség (a hősugárzás) figyelmen kívül hagyása annál inkább probléma, mivel egyes épülethomlokzaton vagy tetőn megjelenő anyagok esetében (jellemzően a sötét színű anyagokról van szó) napsütéses időszakban jóval magasabb hőmérséklet tapasztalható (magának az anyagnak a felszínén), mint a külső levegő hőmérséklete. Meg kell jegyeznünk, hogy a sötét színű anyagok használata télen sem kívánatos, hiszen nem csupán jobban elnyelik, hanem jobban ki is sugározzák a hőt [2], amely az épületek jelentős többlet hőveszteségéhez vezethet hideg téli éjszakákon. A másik jelentős probléma, amely elsősorban a mérsékelt égövi klímánál jelentkezik már magában a hőátadási tényező definíciójában megjelenik: egységnyi felületen, egységnyi idő alatt, egységnyi hőmérsékletkülönbség mellett átadott hőáram stacioner viszonyok között [3]. Ami nagyon fontos az a stacioner viszonyok között. Vagyis abban az esetben, hogyha a külső és a belső hőmérséklet is állandó. Azonban, míg a belső hőmérséklet tekinthető állandónak, a külső hőmérsékletingadozás rendkívül jelentős napi szinten, míg állandó külső hőmérsékletet csupán egyenlítői, illetve téli sarkvidéki körülmények között lehet feltételezni. Ami a Magyarországi klímát illeti itt gyakorlatilag az év több, mint felében a külső hőmérséklet gyakorlatilag minden nap átlépi a szobahőmérsékletet kétszer (nyári időszakban jellemzően éjszaka, míg az átmeneti időszakban pedig jellemzően napközben). A mediterrán klímán ezen időszak az év akár 9 hónapjában is fennáll, míg a sivatagi éghajlaton gyakorlatilag az év minden egyes napján, napi kétszer átlépi a külső hőmérséklet (reggel és és este) az ideális szobahőmérsékletet. Mindez azt jelenti, hogy bizonyos klimatikus körülmények között a hővezetési képességeknél sokkal fontosabb az épület minél jobb hőtároló képessége, vagyis a minél nagyobb hőkapacitás. Jellemzően a mesterséges, kifejezetten hőszigetelésre kifejlesztett (nagy pórustérfogatú) hőszigetelő anyagoknak a legjobb a hőszigetelő képessége, azonban, mint azt az alábbi ábrán is láthatjuk, a zöldtetőben felhasznált anyagok, talajkeverék, növényzet, illetve azok nedvességtartalma együttesen rendkívül nagy hőtehetetlenséget eredményeznek, melynek következtében a zöldtető és az épület teherhordó szerkezete között gyakorlatilag majdnem teljesen megszűnik a napi hőingadozás.

3 A nyári és téli hőmérsékleti mérések eredménye zöldtetőknél A zöldtetők ezen előnyeire (elsősorban a jóval korábbi és elterjedtebb alkalmazás miatt) Németországban sokkal korábban felfigyeltek, mint hazánkban és ennek megfelelően ott már korábban elvégeztek különböző méréseket, melyek a zöldtetők épület hőháztartására gyakorolt hatását volt hivatott számszerűsíteni. A fenti két ábra jól láthatóan egy zöldtetővel és egy hagyományos tetővel ellátott födémszerkezetben mért napi hőingadozást mutatja téli és nyári időszakban. Két dolog rendkívül szembeszökő, az egyik hogy a napi hőingadozás a zöldtető esetében sem télen, sem nyáron nem éri el a 10 C-ot, míg a másik pedig, hogy a nyári esetben a 80 C-os hőmérsékletmaximumok helyett (!) csupán 25 C a maximum, míg téli esetben a -30 C-os hőmérsékletminimumok helyett legfeljebb -10 C-al kell számolni. Az egész évre vetítve pedig a hőmérséklet tartomány, melyben a födém hőmérséklete mozog a harmadára csökken (!) 100 C-ról mintegy 35 C-ra. Nagyon fontos hozzátennünk, hogy ezeket az értékeket Németországban mérték, így azok az ottani klimatikus adottságokat tükrözik. Mivel maga zöldtető, mint rétegrend nem igazán paraméterezhető olyan könnyedén, mint hagyományos épületanyagok (épp ezen nem paraméterezhető tulajdonságai az igazán előnyösek), ezért rendkívül fontos volt, hogy hasonló méréseket hazánkban is elvégezzenek, melyek a Magyarországra jellemző külső hőmérsékleti és csapadékviszonyok mellett tükrözik a zöldtetők valódi hatását a mi klímánkon. Fontos megjegyezni, az épületanyagok parametrizálásával kapcsolatban, hogy a zöldtető azért mostoha az épületgépészet és a hőtechnikusok számára, mivel nem igazán jellemezhető állandó paraméterekkel. Az egyetlen paraméter, melynek megállapítására az épületfizikában törekednek, az a már korábbiakban említett U hőátadási tényező. Ennek értéke azonban rendkívüli mértékben függ az adott anyag nedvességtartamától. A zöldtető esetében a legfontosabb hőszigetelő anyag, maga az ültetőközeg (talajkeverék) rendszeres időközönként teljes mértékben átnedvesedik és csak nagyon lassan szárad ki. Pont ez az egyik nagy előnye, vagyis hogy jó a csapadék visszatartó képessége, valamint a lassú kiszáradás folyamatos párolgást eredményez napsütéses időszakokban, mely kifejezetten előnyös hőtechnikailag). Azonban az U értéke általában minden épületanyag esetében valamelyest lecsökken, amennyiben azok átnedvesednek. Mindez önmagában

4 hőszigetelési/hővezetési szempontból rossznak minősül, azonban csupán azért, mert a jelenleg érvényes szabvány nem veszi figyelembe a jelentősen megnövekedett hőkapacitását (pont a víztartalom miatt) ezen rétegeknek. Tehát azt mondhatjuk, hogy amíg az épületfizika tudományága nem hajlandó több (egyformán fontos) hőháztartást befolyásoló jelenséget, fizikai tulajdonságot és az azokat jellemző paramétereket figyelembe venni, hanem csupán abból önkényesen kiragadva egy paramétert (U), csak azzal hajlandó számolni, addig szükség van minden egyes klímaterületen tényleges hőmérséklet mérésekre, grafikonokra az épületen kívül és belül, hogy a valós hőháztartási tulajdonságait megismerhessük az adott épületnek. Rendkívül illusztratív példája a jelenlegi szabvány hiányosságainak nem csupán a zöldtetők rendkívül jó (ám nem számolt) hatása, hanem egy sokkal egyszerűbb jelenség figyelmen kívül hagyása: a mai szabvány nem képes megmondani, hogy egy árnyékoló szerkezet milyen hatással van az épületre nyári napos időszakban. Mivel a szabványban nem szerepel hősugárzás ezért a szabvány szerint az épület benapozott homlokzata ugyanolyan, mint az árnyékos oldal, ami pedig józan ésszel gondolkodva teljes képtelenség. Érdekes ugyanakkor, hogy a statikusok viszont az épületszerkezeteknél és a homlokzati elemeknél igenis számolnak a besugárzás okozta hőmérséklet különbséggel és az abból adódó méretváltozásokkal. Tehát a következőkben lássuk a Magyarországon végezett vizsgálatokat a zöldtetők épületek hőháztartására gyakorolt hatásairól. A mérések körülményeiről a következő alapadatokat érdemes tudni: A külföldi szakirodalomból ismert tényezõk hazai körülmények közötti bizonyítására a kutatások 1996-ben kezdődtek [4]. A vizsgálatok egy átszellõztetett légréteggel elválasztott trapézlemez fedésû könnyû fémtetõre telepített extenzív rendszerû zöldtetõn történtek, melynek teljes vastagsága kb cm. A mérési helyeket a felszín felõl megközelítve jelölték ki, jellemzõ rétegenként. A tetõfelület terepszint feletti magassága 12,35 m. A méréseket 1996 januárjától folyamatosan végezték és számítógép segítségével rögzítették. A kijelölt mérõhelyre mechanikusan rögzítették az érzékelõ fejeket. A mérési pontatlanságok csökkenése érdekében az elásott pontok környezetében azonos kábel hosszakkal helyezték el a levegõ hõmérsékletet, valamint a tetõszigetelõ anyag hõmérsékletét mérõ kontroll pontot. Az adatokat 15 perces intervallumonként rögzítették. Összehasonlításképpen itt is mérték egy ugyanolyan szerkezetű, ám zöldtető nélküli (bitumenlemezes) tető hőmérsékleti értékeit.

5 A nyári mérés: A fenti képen a hőmérsékletingadozás napi menetét láthatjuk. Tisztán kivehető, hogy a zöldtető és az épületszerkezet között (piros vonal C-os hőmérséklettartományban) mennyivel kiegyensúlyozottabbak a napi hőingások, mint a különböző hagyományos tetőkön mért hőmérsékletek és a kinti léghőmérséklet esetében. Ez a rendkívüli kiegyensúlyozottság három okra vezethető vissza. Az első magának a zöldtető rétegrendnek a nagy hőkapacitása (az ültetőközeg/talajkeverék, a növényzet tömeg és a bennük levő víz együttesen eredményezi ezt a kiugróan nagy hőtehetetlenséget). A második ezen zöldtető rétegek további hőszigetelő tulajdonsága (itt már a további légrétegnek is rendkívül nagy szerepe van). A harmadik pedig aminek a hatása a legnehezebben számszerűsíthető, ám szintén rendkívül nagy jelentőségű, az a növények életfolyamataiból adódó hűtő hatás. Mindenféle számítás nélkül meg kell jegyeznünk, hogy a növényzet a beeső napsugárzás akár %-át képes kémiai energiává

6 transzformálni (ami így már nem hőenergiaként jelenik meg), továbbá az életfolyamataik alapvető eleme a párologtatás, amely rendkívül nagy hűtő hatást eredményez az adott felületen és mértéke pont a legnagyobb besugárzás esetén a legmagasabb. Továbbá meg kell említeni azt a tényt, hogy a zöldtető technikai szempontból még mint egy árnyékoló szerkezet is működik, melynek a rendkívül jelentős hőmérsékletre gyakorolt hatása közismert (napernyő). A téli mérés A téli mérés eredménye nagyon hasonló a nyári méréséhez, itt is jól látható a jelentős napi hőingadozás kiegyenlítődés és mivel még téli időszakban is meglehetősen ritka a hazai klímán, hogy egész nap fagypont alatt maradjon a hőmérséklet, ezért a jelentős további hőtehetlenség és a zöldtető egyéb kedvező hőtechnikai tulajdonságai miatt a zöldtető alatti épületszerkezet gyakorlatilag folyamatosan fagymentes marad a téli időszak során. Az épületszerkezetek várható élettartamának és a lakás komfortfokának szempontjából az épületszerkezet egész évben biztosított fagymentessége rendkívül nagy jelentőségű. A teljesség kedvéért bemutatjuk a teljes nyári időszak grafikonját is, mely bár nagyon összetettnek tűnik a rendkívül sok mérési eredmény miatt, a zöldtető hőmérséklet kiegyensúlyozó hatása azonban ebből is tisztán leolvasható.

7 A felszíni rendkívül kiugró napi hőmérséklet ingadozással szemben (15-55 C közötti tartományban) a zöldtető rétegrend alatt az ingadozás 10 C-on belül van (15-25 C), mely az élhetőséget rendkívüli mértékben javítja, és energetikai szempontból is rendkívül jelentős, hiszen gyakorlatilag bármilyen klimatizálást (légkondicionálást) feleslegessé tesz a használata. A zöldtető hővezetési tulajdonságai A fentiekben elmondtuk, hogy az épületek hőháztartása nem csupán egy paraméterrel (az U hővezetési képességgel) hanem több más értékkel (hőkapacitás, árnyékoltság mértéke) együtt célszerű figyelembe venni. Azonban hőszigetelő rétegek hővezető képessége továbbra is rendkívül jelentős, így annak vizsgálata is rendkívül fontos, tehát a következőkben ennek vizsgálatáról lesz szó. A hővezetési tényező esetében nagyon fontos hogy a két eltérő hőmérsékletű térrész hőmérséklete állandósult legyen. A hőtechnikai szabvány ezen könnyedén túllép, mivel egész egyszerűen önkényesen meghatározott nyári és téli külső hőmérsékletek használatát írja elő. A nyári kinti hőmérsékletet 32 C-nak, míg a télit -12 C-nak kell venni a szabvány előírása szerint [5]. Méréseink alapján a következő elv szerint számoltunk. Mivel a zöldtető hővezetési képessége időben változik, ezért nem mint további hőszigetelő rétegeket vesszük azt figyelembe, hanem külső hőmérsékletnek a zöldtető rétegek alatti mért hőmérsékletet választjuk (ezt annál is inkább megtehetjük, mivel minden zöldtető rétegrend alján szerepel egy drenázs lemez, mely egy levegőréteget hoz létre a zöldtető rétegek és az alatta levő szerkezet között, mely hőtechnikai szempontból egy hagyományosan fedett lapostetőnek tekinthető). A mérések alapján Magyarországon a zöldtető alatt a télen a hőmérséklet sosem ment 0 C alá, míg a nyári átlaga 20 C, így ezt a két hőmérsékletet választottuk téli és nyári kinti paraméter hőmérsékletnek és ezen paraméterekkel végeztük el a hagyományos rétegek hővezetési paraméterének kiszámolása után a zöldtető fajlagos (1 m 2 -re vett hőveszteségét, illetve hőnyereségét). A számítást ugyanúgy elvégeztük egy hagyományos lapostetőre és egy zöldtető nélküli, ám további hőszigeteléssel ellátott lapostetőre is.

8 A végeredményt az alábbi táblázat foglalja össze (a három oszlop a három tetőrétegrendnek felel meg): U1= 0,4716 W/m 2 K U2= 0,2427 W/m 2 K U3= 0,481 W/m 2 K TÉL -15,56 W/m 2-8,01 W/m 2-8,66 W/m 2 NYÁR 2,83 W/m 2 1,46 W/m 2 0,48 W/m 2 Ahogy láthatjuk az eredmény télen a zöldtetõ esetében kicsit rosszabb, mint -os vízszigetelés fölötti hõmérséklettel számoltunk, holott lehet, hogy annál pár fokkal több volt. Nagyságrendileg télen ugyanazt a hõmérsékletet biztosítja az utólagos hõszigetelés, mint a zöldtetõ. Nyáron egyértelmûen a zöldtetõ a legjobb, kb. harmadannyi energia kell a hûtéshez, mint az utólagos hõszigetelésnél és hatod annyi, mint a hagyományos esetben. Továbbá ismerve a hőtechnikai szabvány változásait (1972: Hõtechnikai igény: K=0,70 W/m 2 K; 1992: Hõtechnikai igény: K=0,472 W/m 2 K; 2011: Az új igényszint U (K)=0,25 W/m 2 K) láthatjuk hogy a szabvány mai követelményét csak az utólagos hagyományos hőszigeteléssel ellátott tető bírja teljesíteni, miközben a hőszigetelő képessége télen ugyanaz, mint a zöldtetőé, azonban nyáron a zöldtető sokkal kevesebb hőt enged be az épület belsejébe. Így azt mondhatjuk, hogy az épület egész éves klimatizálási energiaigényét tekintve a zöldtető a jobb megoldás (azzal spórolunk több energiát) azonban a jelenlegi szabvány egy olyan megoldás választására kényszerít adott esetben, mellyel végül magasabb lesz az épület energiaigénye és az azzal járó költség is. A továbbiakban még egy 2009-ben végzett mérést [6] mutatunk be. Ennek lényege, hogy hőkamerás felvételeket készítettek egy épületről (XIV. kerületi óvoda lapostetőjéről van szó) melynek egyik részét zöldtetővel fedték be utólag, másik részén pedig megmaradt a hagyományos lapostető. Jól látható a zöldtető hűvösebb zöld hőképe a bal oldali ábrán, míg a jobb oldalin a hagyományos terasztető forró (piros színű) részletét láthatjuk. Mindez jól mutatja a zöldtető épület hőháztartására gyakorolt tényleges hatását. Forrás: Prekuta János