Épületek energiatudatos gépészeti tervezése Szikra Csaba tudományos munkatárs BME Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

Átírás

1 Épületek energiatudatos gépészeti tervezése Szikra Csaba tudományos munkatárs BME Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék 2011.

2 A napsugárzás intenzitása

3 A közvetlen és a szórt sugárzás aránya Magyarországon Napi globális és szórt besugárzás havi átlaga vízszintes felületen (kwh/m², nap) jan. feb. már. ápr. máj. jún. júl. aug. szep. okt. nov. dec. 60,2% 52,3% 52,6% 50,0% 46,6% 46,9% 45,0% 44,1% 47,5% 50,7% 60,2% 63,3% 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. Szórt Globál Forrás: 22 éves átlagértékek alapján, keletei félteke 19 hosszúság (longitude), északi félgömb 47 szélesség (latitude) területe (ország közepe)

4 A sugárzás hozama fűtési idényben 6 Napi globális és szórt besugárzás havi átlaga vízszintes felületen (kwh/m², nap) 5 4 Éves jellemzők: globál: 1234 kwh/m²,év szórt: 613 kwh/m²,év szórt hányad: 50% 3 Szórt Globál jan. feb. már. ápr. máj. jún. júl. aug. szep. okt. nov. dec. 60,2% 52,3% 52,6% 50,0% 46,6% 46,9% 45,0% 44,1% 47,5% 50,7% 60,2% 63,3% Jellemzők fűtési idényben (t i =20 C, Δt b =8 C): (okt. közép ápr. közép) globál: 362 kwh/m²,év ( tot ) szórt: 202 kwh/m²,év szórt hányad: 56% Forrás: 22 éves átlagértékek alapján, keletei félteke 19 hosszúság (longitude), északi félgömb 47 szélesség (latitude) területe (ország közepe)

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 Forrás:Othmar Humm Alacsony energiájú épületek sd értékeinek származtatása: 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

6 Éves besugárzás eloszlása vízszintes felületen 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.

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.

8 A hasznosítás lehetséges módjai

9 Építmények energiamérlege stratégiák, egyensúlyi hőmérséklet g = l (t ib ) F ~ (t i -t ib ) SG + LG + VG + OG = TRL + TBL + GRL + FIL

10 Az üvegezés hővesztesége fűtési idényben t i U t e AU 1000 H TR ti, z

11 Teljes szoláris energia átbocsátási tényező (g) TOT az árnyékolatlan Naptényező N(-) Teljes sugárzás áteresztő tényező g (-) Árnyékolás nélküli üvegek g 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 sd g sd TOT Kettős üvegezések: Normál üveg (3mm) 0,90 0,78 Táblaüveg (6mm) 0,80 0,70 Abszorbens üvegek: Kívül a=48-56%, belül normál üveg 0,52 0,45 Kívül a=48-56%, belül tábla üveg (6mm) 0,50 0,44 Hőszigetelő üvegezések: U= 0,87 0,72 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 Hármas üvegezések: Normál üveg (3mm) 0,83 0,72 Táblaüveg (6mm) 0,69 0,60 Hőszigetelő üvegezés 0,60 0,50

12 Direkt sugárzás hatása a helyiségben sd A Ü g TOT

13 Az üvegezés hő-mérlege fűtési idényben elvi levezetés sd A g A ü A TOT hm hm tr tr AU 1000 H g hm A g Aü A TOT U H sd Üvegszerkezet direkt sugárzási nyeresége (kwh/m 2,év) tr Üvegszerkezet transzmissziós vesztesége (kwh/m 2,év) hm Üvegszerkezet hőmérlege (kwh/m 2,év) A ü Üvegszerkezet transzparens felülete (m 2 ) A Üvegszerkezet névleges felülete (m 2 ) g a transzparens felület sugárzás átbocsátó képessége U az üvegszerkezet hőátbocsátási tényezője (W/m 2 K) H Hőfokhíd a fűtési idényben (hk) TOT Energiahozam a fűtési idényben (kwh/m 2,év) U

14 Az üvegezés hő-mérlege fűtési idényben Normál, kettős üvegezésű 3mm-es síküveg (U=1.6, g=0.78) g D K, NY É TOT Sugárzás hozama fűtési idényben (kwh/m 2,a) H Fűtési hőfokhíd, ti=20 C (h K) g Kettős, 3mm-es üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége (-) 0,78 0,78 0,78 U A szerkezet névleges mérete névleges méretére vonatkozó hőátbocsátási tényező (W/m 2 K) 1,6 1,6 1,6 A A szerkezet névleges mérete (m 2 ) U/g A veszteség- és nyereségáramokat kifejező tényező hányadosa 2,1 2,1 2,1 A ü /A Traszparens részarány 0,8 0,8 0,8 sd tr Az üvegezett szerkezeten keresztül érkező hőnyereség fűtési idényben(kwh/m 2,év) A névleges felületre vonatkozó hőveszteség fűtési idényben (kwh) A g (A ü /A) TOT 249,6 124,8 62,4 A U H/ ,2 115,2 115,2 hm Energiamérleg (kwh) sd - tr 134 9,6-53 U

15 Az üvegezés hő-mérlege fűtési idényben High-tech üvegezés, 3x, U=0.83, g=0.6 g D K, NY É TOT Sugárzás hozama fűtési idényben (kwh/m 2,a) H Fűtési hőfokhíd, ti=20 C (h K) g Háromszoros 3mm-es üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége (-) 0,6 0,6 0,6 U A szerkezet névleges mérete névleges méretére vonatkozó hőátbocsátási tényező (W/m 2 K) 0,83 0,83 0,83 A A szerkezet névleges mérete (m 2 ) U/g A veszteség- és nyereségáramokat kifejező tényező hányadosa 1,4 1,4 1,4 A ü /A Traszparens részarány 0,8 0,8 0,8 sd tr Az üvegezett szerkezeten keresztül érkező hőnyereség fűtési idényben(kwh/m 2,év) A névleges felületre vonatkozó hőveszteség fűtési idényben (kwh) A g (A ü /A) TOT A U H/ ,76 59,76 59,76 hm Energiamérleg (kwh) sd - tr U

16 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

17 Direkt rendszerek direkt üvegezés diffúz üvegezés üvegházzal takart homlokzat, direkt nyereséggel bevilágító

18 Indirekt rendszerek tömegfal Trombe féle tömegfal üvegházzal takart homlokzat Barra - Constantini

19 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 hővezetőképességű, és nagy fajhőjű (tehát jó hőtároló-képességű) külső falból ("tömegfal") és az elé épített üvegezésből áll. Ezt mozgatható árnyékoló-szerkezet egészítheti ki. Tömegfal alapok, részei

20 Tömegfal felületképzés, árnyékolás, hőtárolás szerepe Felületképzés 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 hőtárolóés hővezető-képességű fal az elnyelt energiát késleltetve jutatja a helyiségbe. Árnyékolás 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 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.

21 Tömegfal energetikai működése 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 konvekcióval melegíti az üveggel bezárt légréteget, illetve infra tartományban kifelé is sugároz. A tömegfal energetikai hatékonyságát jelentősen befolyásolja, hogy az infravörös 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.

22 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. Tömegfal késleltetés, csillapítás

23 A tömegfal hő-mérlege fűtési idényben sid A g a N A A tr R ki R ki R be tot TR AU 1000 H sid A g a N A A tr R ki R ki R R be ki R be tot g sd tot hm A g Atr A tot U H

24 Eredmények Veszt eség R arány Légréteg, ablak Tömegfal árnyékoló 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 tot Sugárzás hozama fűtési idényben (kwh/m2) 400 Tömegfal számítási példa 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 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 (redőny, mely éjszaka zárt állapotban van, ~/2 0,100 R ki R be 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= tot*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/tot (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/tot (kwh/m2) 105,35 0,263

25 Direkt és indirekt energiagyűjtő szerkezetek A direkt energiagyűjtő szerkezet hatékonyabb, mint az indirekt Az üvegezett szerkezetek teljes sugárzásátbocsátó képességének mintájára definiálható az energiagyűjtő szerkezetek teles energiaátbocsátó képessége Az energiagyűjtő szerkezetek hatékonyságát csökkenti a hőtárolóképességének növelése