Üvegakadémia. Energiateljesítmény

Átírás

1 Üvegakadémia Energiateljesítmény A hő háromféleképpen jut át az ablakszerkezeten: vezetés, légáramlás, és sugárzás útján. A vezetés a hő szilárd anyagon való átjutását jelenti, így melegszik fel a serpenyő. A légáramlás gázok és folyadékok mozgása által bekövetkezett hőátvitel, mint a meleg levegő feláramlása a gyertyaláng fölött. A sugárzás a hőenergia mozgása, anélkül, hogy levegőn keresztüli vezetés vagy a levegő mozgása szükséges lenne. Így érzi az ember a tűz melegét. Ha a hőátvitel ezen alapvető mechanizmusait az ablaktulajdonságokra alkalmazzuk, akkor összetett módon lépnek kölcsönhatásba egymással. Ezért a vezetést, a légáramlást és a sugárzást nem mérik külön-külön. Ehelyett három energiával kapcsolatos jellemző mutatja be, hogy az energia hogyan kerül átvitelre, és ez az alapja az energiatulajdonságok számszerűsítésének is. Ezek a következők: Szigetelés: Ha hőmérsékletkülönbség van a kül- és beltér között, akkor a vezetés, a légáramlás és a sugárzás együttes hatása által az ablakkeret és az ablak hőt veszít vagy nyer. Ezt az ablakrendszer U- faktor nevű együtthatója jelöli. Napsugárzás általi hőfelvétel: A külső hőmérséklettől függetlenül az ablak közvetett vagy közvetlen napsugárzás által hőt vehet fel. Az ablak hőfelvétel szabályozásának képességét a naphőfelvételi 1

2 együttható (SHGC Solar Heat Gain Coefficient) vagy az árnyékolási együttható (SC Shading Coefficient) adja meg. Szivárgás: Az ablakrendszerben lévő résen keresztül a levegő szivárgása is előidézhet hőveszteséget és -felvételt. Ezt adott nyomás mellett egy ablakegységen (négyzetláb vagy négyzetméter) keresztül átszivárgó levegőmennyiség (köbláb vagy köbméter percenként) mérésével határozzák meg. Valójában szél vagy hőmérséklet által kiváltott nyomásváltozás hatására a szivárgás kicsit változik. Néhány éghajlaton a páratartalom emelkedésével a légrés is hozzájárul a nyári hűtési terheléshez. Az energiateljesítménnyel kapcsolatos tulajdonságok alább kifejtésre kerülnek, illetve egy rövid értekezés szól arról, hogy hogyan lehet az energiahatékonyságot növelni az egyes területeken. A szigetelési teljesítmény meghatározásának módszerei, naphőfelvételi értékek, és az ablak légréssel kapcsolatos értékei is bemutatásra kerülnek. Szigetelési érték A hőáramlás az ablak és a keret melegebb oldaláról a hidegebb felé mindhárom fent kifejtett hőátviteli mechanizmus összetett kölcsönhatása: a vezetésé, a légáramlásé és a sugárzásé. Az alábbi ábra bemutatja a hőátviteli mechanizmusok kölcsönhatását. 2

3 *Az üvegrendszeren átjutó hőátadás összetevői Az ablakrendszer hőátvitellel szemben való ellenállási tulajdonságát szigetelési értéknek nevezzük. A hő a melegebb testekről a hidegebbek felé áramlik, tehát télen bentről kifelé, és ez az irány megfordul azokban a nyári időszakokban, amikor a kinti hőmérséklet magasabb, mint a benti. Jól szigetelt falhoz képest egy átlagos öregebb ablakon keresztül sokkal nagyobb a hőátadás. Egy egyrétegű ablak szigetelési képessége közel azonos egy fémlapéval a legnagyobb szigetelési értéket az üveglap mindkét felületén lévő levegőrétege adja. Egy ilyen ablak hőlyuknak tekinthető a falban, és általában szor nagyobb hőveszteségi értéke van, mint a szigetelt falnak. Egy ilyen rossz szigetelési értékkel rendelkező ablakon szinte akadálytalanul jut át a hő. Ha a hőmérséklet bent 70 F és kint 0 F (20 C és -18 C), akkor az egyrétegű ablaküveg felülete kb. 17 F (-8 C) elég hideg ahhoz, hogy fagy képződjön az üveg belső felületén. A légáramlás az ablakrendszer három részén befolyásolja a hőáramlást: az ablak belső és külső felületén illetve az ablakrétegek között lévő légrésben. A hideg belső ablakfelület lehűti a körülötte lévő levegőt. Ez a hideg levegő lejut a padlóhoz, így légáramlás alakul ki. Az emberek általában ennek a hideg légáramlásnak a kialakulásáért az ablak légréseit okolják, és betömnek minden lyukat, amit találnak, ahelyett hogy helyesen oldanák meg a helyzetet egy jobb ablakkal, mely melegebb üvegfelületet biztosít. 3

4 Kívül a szigetelő érték egyik összetevője az ablakfelületnél lévő levegőréteg. Ahogy a szél fúj (légáramlás), a levegőréteg eltűnik vagy hidegebb levegő tölti be a helyét, mely nagyobb hőveszteséget eredményez. Végül, ha az ablakrétegek között levegővel telt légrés van, akkor a légáramlás elősegíti a légrésen keresztüli hőátadást. Az üvegtáblák közötti rés beigazításával, illetve levegő helyett jobban szigetelő töltőgáz választásával a kétrétegű ablakok minimalizálhatják ezt a hatást. Minden tárgy láthatatlan hősugárzást bocsát ki magából, a melegebb tárgyak többet, mint a hidegebbek. Tartsa kezét egy kályhanyílás elé, és érezni fogja a meleg felületről kisugárzó energiát. Az ember keze is sugároz hőt a kályha felé, de mivel ez utóbbi melegebb, mint a kéz, ezért a sugárzás a kéz felé áramlik és így az melegszik. Most képzelje el, hogy odatartja kezét egy egyrétegű ablakhoz télen. Az ablakfelület sokkal hidegebb, mint a keze. Mindkét felület sugárzási energiát bocsát ki, de mivel az Ön keze melegebb, többet bocsát ki az ablak felé, mint amennyit kap, ezért hűvöset érez. Ily módon a hideg ablakfelület mindent lehűt maga körül a szobában. A helyiségben lévő tárgyak, és különösen az emberek (akik gyakran a legmelegebb testet jelentik) a hidegebb ablak felé sugározzák a hőt. Az emberek gyakran érzik ezt a sugárzásból fakadó hőveszteséget, különösen a csupasz kéz- és arcbőrükön, de a hideget a hűvös szobalevegőnek tulajdonítják és nem a hideg ablakfelületnek. E tévhit miatt kevés ember gondol rá, hogy komfortérzetük azonnali javításának érdekében hatékonyabb függönyt húzni az ablak elé, mely korlátot képez a sugárzási hőveszteséggel szemben, mint felcsavarni a termosztátot. A szigetelési érték meghatározása 4

5 Az U-faktor (másnéven U-érték) az általános módszer a szigetelési érték meghatározására. Megadja az üvegen keresztüli hőáramlás mértékét. Az U-faktor az ablakrendszer teljes hőátviteli együtthatója (Btu/hnégyzetláb- F vagy W/négyzetméter- C-ben megadva), mely magában foglalja a hőátadást vezetés, légáramlás, és sugárzás útján. Az óránkénti hőáramlást adja meg Btu/órában (vagy wattban) négyzetlábanként (vagy négyzetméterenként) a kinti és benti levegőhőmérséklet 1 F (1 C) hőmérsékletkülönbségénél. Az R-érték a teljes U-faktor reciproka (R=1/U). Az R-értékkel ellentétben, minél kisebb az anyag U-faktora, annál alacsonyabb a hőáramlás értéke. Az ablakszerkezet anyagainak hővel kapcsolatos tulajdonságain felül az U- faktor függ az időjárási tényezőktől is, úgy mint a kinti és a benti hőmérsékletkülönbségtől és a szélsebességtől. Az ablakgyártók általában feltüntetnek egy téli U-faktort, melyet viszonylag szélsőséges körülmények mellett határoznak meg: 15 mérföld/óra (25 km/h) szél, 70 F (20 C) benti, 0 F (-18 C) kinti hőmérséklet. Ezek a kürülmények szabványosítottak, a hőmérséklet és a szélsebesség fix, így a termékek értékei összehasonlíthatók. A teljes ablakrendszer U-faktora magának az üvegnek, a szigetelő üveg peremén fellépő hatásoknak, és az ablakkeretnek illetve az ablakszárnynak a szigetelési értékeiből adódik össze. Az ablak üvegrészének az U-faktorát elsősorban a rétegek teljes száma, az egyes rétegeket elválasztó rés mérete, az elválasztó rést kitöltő gáz típusa, és a különböző felületeket borító bevonatok jellemzői határozzák meg. A csak az üvegre vonatkozó U-faktort üvegcentrum U-faktornak nevezzük. Az üvegcentrum U-faktor kalkulációja feltételezi, hogy az ablak síkfelületére függőlegesen áramlik a hő. Azonban az ablak 5

6 háromdimenziós, összetett rendszer, melynél viszonylag kis téren belül változnak az anyagok és a keresztmetszetek. Például a szigetelőüveg pereménél lévő fémelválasztóknál sokkal nagyobb a hőáramlás, mint az üveg közepén, ez pedig az ablak külső széleinél nagyobb hőveszteséget okoz. Ezeknek a peremhatásoknak egyre nagyobb lesz a jelentősége, ahogy a rendszer többi részének a szigetelési értéke nő. A hőveszteség az ablakkereten keresztül igen jelentős lehet: egy átlagos négyszer háromlábas (1.2 x 0.9 m) kétszárnyú fakeretes ablaknál a keret és a szárny körülbelül az ablakfelület 30%-át teszi ki. Egységes keresztmetszetű, szilárd anyagból készült keretnél, az U-faktor az anyagon keresztüli hővezetéstől függ. Üreges és különböző merevítőés védőanyaggal ellátott összetett keretek bonyolultabb kérdést jelentenek. Ebben az esetben az anyagon keresztüli vezetést az ablak melletti légáramlással és a különböző felületek egymásra ható sugárzásával együtt kell figyelembe venni. Ezenkívül az ablakkereteknek ritkán van állandó keresztmetszete az ablak körül. Például a vízszintes keresztfejnek nyolc különböző keretkeresztmetszete lehet, mindegyik egyedi hőáramlási értékkel rendelkezik. Ezek miatt a komplikációk miatt az ablakkereten keresztül nagyon összetett feladat az U-faktor meghatározása, és legjobban speciális hőátviteli számítógépes programmal lehet az értékét meghatározni. 6

7 A fenti ábra különböző üvegezések U-értékét mutatja. Hasonlításképpen egy-egy fólia U értéke: P35 egyrétegű üvegen: 0,94 P35 kétrétegű üvegen: 0,47 P50 egyrétegű üvegen: 0,94 P50 kétrétegű üvegen: 0,47 P70 egyrétegű üvegen: 0,95 P70 kétrétegű üvegen: 0,47 7

8 SI15 egyrétegű üvegen: 0,90 SI15 kétrétegű üvegen: 0,46 SI35 egyrétegű üvegen: 0,92 SI35 kétrétegű üvegen:0,46 EXT20 egyrétegű üvegen: 1,03 EXT20 kétrétegű üvegen: 0,49 EXT35 egyrétegű üvegen: 1,03 EXT35 kétrétegű üvegen: 0,49 SI15LE egyrétegű üvegen: 0,70 SI15LE kétrétegű üvegen: 0,40 Az U értéket azonban óvatosan kell kezelnünk, mivel számos egyéb tényező is szignifikánsan befolyásolja az értékét. Az alábbi táblázat különböző keretrendszerek hatását mutatja. 8

9 9

10 Az U-faktor energiahatása Az alábbi ábra bemutatja az ablak U-faktor-változásának hatását két átlagos ház éves energiaköltségére két különböző éghajlaton. Annak ellenére, hogy a teljes ablakfelület az egész épületnek csak kis hányadát teszi ki, az U-faktor változásának hatása jelentős befolyással lehet a teljes épület teljesítményére. Általában az U-faktor csökkenésének jelentősebb hatása van a fűtési költségek csökkenésére, mint a hűtési költségekre. Olyan éghajlaton, mint például Phoenix, ahol a hűtés a jelentősebb, az U-faktor javításának hatása viszonylag csekély. Azonban a fűtés-domináns éghajlatokon, mint például Minneapolisban, a teljes éves energiaköltségek lényegesen csökkennek. Ahogy azt a Minneapolisra vonatkozó ábra mutatja, a hűtési költségek valójában csekély mértékben növekednek, ahogy az U-faktor csökken. Ez azért lehetséges, mert vannak olyan esetek nyáron, amikor a kívülre történő hőveszteség segít lehűteni a házat, és az alacsonyabb U-faktor megakadályozza ezt a hatást. Az enyhén megemelkedett hűtési költségeket a jelentősen csökkent fűtési költségek bőven ellensúlyozzák. 10

11 Napsugárzás-védelem A második fontos energia-teljesítménnyel kapcsolatos ablaktulajdonság a naphőfelvétel szabályozásának képessége. Az ablakon keresztüli naphőfelvétel általában a legfontosabb tényező a lakóépületek légkondicionálás-terhelésének meghatározásában. A napsugárzásból származó hőfelvétel intenzitása nagymértékben meghaladhatja a más forrásból (külső levegőhőmérséklet vagy nedvesség) származó hőfelvételt. A naphőfelvétel eredete a napból és az égről, illetve a talajról és más felületekről származó közvetlen és szórt sugárzás. A sugárzás egy részét az ablak közvetlenül a helyiségbe engedi, másik részét pedig elnyeli, ezután pedig közvetve a helyiségbe engedi. A többi termális (nem szoláris) hőátadási hatást az ablak U-faktora tartalmazza. A napfény több hullámhosszú elektromágneses sugárzásból áll, rövidhullámú, láthatatlan ultraibolya-sugárzástól kezdve a látható spektrumon keresztül a hosszabb, láthatatlan közel-infravörös sugarakig. A napenergia közel fele látható fény; a többi nagy részben infravörös sugárzás, kis hányada pedig ultraibolya. A napfény ezen tulajdonsága teszi lehetővé a spektrum különböző részeinek szelektív átengedését vagy visszatartását. Míg a napsugárzás csökkentése az ablakon keresztül néhány éghajlaton és néhány évszakban előnyös, addig a naphőfelvétel növelése a téli körülmények között jelentős energia-megtakarítást jelenthet. E gyakran ellentétes elvárások miatt a legjobb ablak kiválasztása kihívást jelenthet. A naphőfelvétel meghatározása Két módszer van az ablakon keresztül áthaladó napsugárzás mennyiségének jelölésére. Az egyik a naphőfelvételi együttható (SHGC=solar hear gain coefficient), a másik az árnyékolási együttható (SC=shading coefficient). Mindkét esetben a naphőfelvétel a közvetlenül átengedett sugárzásnak és a beáramló elnyelt sugárzásnak a 11

12 kombinációja. Azonban az SHGC és az SC összehasonlítás és hivatkozás tekintetében eltérő alapokon nyugszanak. Árnyékolási együttható Régen az árnyékolási együttható (SC) volt az elsődlegesen használt fogalom az ablaküveg napvédelmi tulajdonságainak jellemzéséhez. Annak ellenére, hogy fokozatosan felváltja a naphőfelvételi együttható, mégis találkozik az ember a fogalommal könyvekben és termékleírásokban. Az SC eredetileg egy egyszámjegyű érték volt, melyet széles körben lehetett használni az ablakok napvédelmének összehasonlítására. Az egyszerűség azonban sok esetben pontatlanságot eredményez. Az árnyékolási együttható (SC) csak az ablak üvegrészére vonatkozik, és nem tartalmazza a kerethatásokat. A naphőfelvétel arányát adja meg normál körülmények között 1/8 inch (3 mm) vastag, víztiszta üvegen keresztül. Az SC-t a teljesítmény jellemzésére is használták sokféle napállás esetén. Azonban az üvegre nagy szöget bezáró napállásoknál fennáll a kisebb pontatlanság lehetősége. Az árnyékolási együttható dimenzió nélküli számmal 0-tól 1-ig kerül kifejezésre. A magas árnyékolási együttható nagy hőfelvételt, míg az alacsony árnyékolási együttható kis hőfelvételt jelent. Az SC-értéket nagyban befolyásolja a kiválasztott üvegtípus. Az árnyékolási együttható befolyásolhatja az ablakrendszer bármely olyan fontos részének hatását, - úgymint a többrétegű üveg, a tükrös bevonat, vagy az üvegrétegek közötti redőny -, melyek a naphő áramlását csökkentik. Az SHGC-t (naphőfelvételi együtthatót) minden olyan faktor befolyásol, ami az SC-t is, de mivel ez az együttható az egész ablakrendszerre alkalmazható, ezért az SHGC-t a keret árnyékolása, illetve az üvegezés és a keret aránya is befolyásolja. Az SHGC minden ablak esetében alacsonyabb, mint az SC. Ha egy régebbi 12

13 információforrásban csak az SC-értékek vannak megadva, ki lehet számolni egy körülbelüli SHGC-értéket az SC-érték 0.87-tel való szorzásával. A teljes ablakra vonatkozó SHGC-értéket használjuk ebben a könyvben és az NFRC (National Fenestration Rating Council) címkéin is ez kerül feltüntetésre. Naphőfelvételi együttható Az ablakipar mostanában az árnyékolási együttható (SC) helyett egyre inkább a naphőfelvételi együtthatót (SHGC) használja, mely a napsugárzás azon részét jelenti, mely hőfelvételként ténylegesen bejut az épületbe az ablakredszeren keresztül. Az SHGC általában az egész ablakrendszerre vonatkozik, és pontosabban adja meg a naphőfelvételt többféle körülmény mellett. A naphőfelvételi együttható egy dimenzió nélküli szám 0-tól 1-ig. A nagy együttható nagy hőfelvételt, míg a kis együttható kis hőfelvételt jelent. 13

14 Az SHGC energiahatásai Az alábbi ábra bemutatja a naphőfelvételi együttható változásnak hatását egy átlagos ház energiaköltségeire két éghajlaton. Általában az SHGC csökkenése a hűtési költségek csökkenésével jár, azonban megnöveli a fűtési költségeket, mivel a passzív naphőfelvétel csökken a fűtési szezonban. Az elsősorban hűtésdomináns éghajlaton, mint Phoenix-ben vagy Arizonában az SHGC csökkentése az teljes éves energiaköltségek érzékelhető csökkenését eredményezi. Fűtésdomináns éghajlaton, úgy mint Minneapolisban azonban az SHGC csökkentése kicsivel megnöveli a teljes éves energiaköltségeket, mivel a megtakarításokat a hűtési szezonban jóval felülmúlja a fűtési szezonban elvesztett hőfelvétel. Megjegyzés: Ez valóban igaz az üvegek esetében, ahol 10% hőelnyelés fölé nem igazán megy az ipar. A fólia hatékonysága valamelyest elmarad a hűtési energiacsökkentés esetében, azonban a télen a belső teret erőteljesebben melegíti. A fólia további előnye, hogy a fémréteg pozíciója 14

15 szabadabban meghatározható, így speciális esetékben jelentősen jobban teljesíthet a fóliázott üveg (pl. kültéri fóliák, vagy SI 15 LE). A fenti ábrán különböző ablaküvegek SHGC (center of glass értékek a mérvadóak) értékeit látjuk. Érdekes összehasonlítani egy-egy fóliatípus adataival: P35 egyrétegű üvegen: 0,29 P35 kétrétegű üvegen: 0,36 P50 egyrétegű üvegen: 0,39 P50 kétrétegű üvegen: 0,43 P70 egyrétegű üvegen: 0,54 P70 kétrétegű üvegen: 0,53 15

16 SI15 egyrétegű üvegen: 0,22 SI15 kétrétegű üvegen: 0,32 SI35 egyrétegű üvegen: 0,34 SI35 kétrétegű üvegen:0,42 EXT20 egyrétegű üvegen: 0,20 EXT20 kétrétegű üvegen: 0,15 EXT35 egyrétegű üvegen: 0,35 EXT35 kétrétegű üvegen: 0,28 SI15LE egyrétegű üvegen: 0,21 SI15LE kétrétegű üvegen: 0,30 Légszivárgás (Infiltráció) A légszivárgás (infiltráció) általában nem kívánt, nem ellenőrzött szellőzés. A levegő szivárgását jelenti az épület résein keresztül. A légszivárgás fokozott fűtési vagy hűtési terheléshez vezet, ha a kinti levegő bejut az épületbe és fel kell melegíteni, vagy le kell hűteni. Az ablakok és az ajtók felelősek általában az otthonok légréseinek jelentős részéért. Szélsőséges körülmények között az ablak típusától és minőségétől függően a légszivárgás lehet a felelős annyi hőveszteségért vagy hőfelvételért, mint az egész ablak összesen. A jó szigetelés, az ablak tömítése, az ablakszárny és a keret a legfontosabb elemek a légszivárgás szabályozásánál. A jó minőségű rögzített ablak segít a légszivárgás csökkentésében, mivel könnyebben lehet szigetelni és jól záró állapotban tartani. A nyitható ablakok szükségesek a szellőzéshez, de hajlamosabbak a légszivárgásra. Kis légszivárgási értékkel rendelkező nyitható ablakokat a jó tervezés, a jó minőségű konstrukció és gumitömítés jellemzi. Rendelkeznek mechanikai 16

17 zárral is, mely a széllel szemben is valóban zárva tartja az ablakot. Ezért a nyomótömítéses ablakok, mint például az árnyékoló ablakok, a bukóablakok és az ablakszárnyak általában jobban vannak szigetelve, mint a tolótömítéses ablakok. A tolóablakok lehúzó-típusú tömítéssel rendelkeznek, mely kopásra hajlamos, és áthatolhatóvá válik, ha az ablak meghajlik a szél nyomásától. A légszivárgás mértéke függ a helyi éghajlati tényezőktől, különösen a széltől, és a ház körüli mikroklímától. A szél hatásai nagymértékben felerősödnek, amint eltávolodunk a fák, bokrok és egyéb épületek védelmétől. A légszivárgás jelentősen megmutatkozhat a fűtési költségekben, különösen ott, ahol télen a kinti és benti hőmérsékletkülönbség elég nagy, illetve szeles időjárás esetén. A légszivárgás általában sokkal kisebb jelentőségű a hűtési költségeknél, mivel a benti és kinti hőmérsékletkülönbség általában kisebb, és a szél is enyhébb. A nedves helyeken azonban a légszivárgás jelentős rejtett hűtési terhelést okozhat. Általában a légszivárgásnak nagyobb hatása van a fűtési költségekre. Ezért a jobban szigetelő ablakokból származó megtakarítások jelentősebbek a fűtésdominált éghajlatokon, mint például Minneapolisban. A legtöbb építőcég és építési hivatalnok 0.30 cfm/sq, vagy ennél alacsonyabb légszivárgási értéket javasol. Annak ellenére, hogy az ablak légszivárgása nem annyira jelentős, mint a szigetelési érték vagy a napsugárzás-védelem, mégis észrevehető negatív hatása lehet, ha az ablakok nem szigetelnek eléggé. 17

18 Az ablakegység és az épületfal közötti repedések és légrések is számottevő infiltrációt okozhatnak. Ezeknek a szigetelése vagy tömítése építés vagy felújítás során nagyon hatásos lehet a légszivárgás szabályozásánál. A helyes beépítés biztosítja, hogy a falszerkezet fő légsorompói, mint például a burkolat, hatékonyan szigetelje az ablakot, az ajtót illetve a tetőablakot, annak érdekében, hogy a két légsorompó folytonossága fennmaradjon. 18