Hőtechnika III. Horváth Tamás építész, egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem, Győr Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék 1
Pluszpont szerzési lehetőség Épületfizika hallgató jelenléte 3 pont TMDK szereplés Bármely témában 10 pont Épületfizikához köthető témában 12 pont Szekció helyezés vagy különdíj 15 pont 2 https://www.facebook.com/events/483154235202993/ http://tdk.sze.hu/kezdolap-1
Eddig és ma Hővezetés és hőátbocsátás egydimenziós, stacioner állapotban U = 1 R si + d λ +R se Hővezetés és hőátbocsátás többdimenziós, stacioner állapotban U = 1 R si + d λ +R se + lψ + nχ Inhomogén rétegek Légréteges szerkezetek Vonalmenti és pontszerű hőhidak Rétegtervi hőátbocsátási tényező Eredő hőátbocsátási tényező Hővezetés és hőátbocsátás egydimenziós, instacioner állapotban? Hűsugárzás A jelenség és észlelése Transzparens szerkezetek Hőnyereség télen és nyáron 3
Talajjal érintkező szerkezetek esetei Lábazati fal, pincefal, alapozás hőhídjai Sokváltozós modell geometria (mélység, magasság, szélességek) talaj minősége, összetétele és hőtechnikai tulajdonságai talaj mennyisége, mélysége a modellben, szerkezetek (fal, lábazati fal, aljzat, alapozás) hőtechnikai tulajdonságai szerkezetek kialakítása (pl.: hőhídmegszakítás) stb. Q = AU R + lψ t i t e 4 Nagy Balázs: Padloszerkezetek hőtechnikai modellezese es energiatudatos tervezésük in: [Fátrai Gy., Horváth T.]: XL. Epületszerkezettani Konferencia, Győr Pannonhalma, 2015. majus 21-22.
Talajon fekvő padlók vm. hőátbocsátási tényezői 5 z (m) Szigete -letlen 0,20- -0,35 A padlószerkezet hővezetési ellenállása (R=d/λ; m 2 K/W) a kerület mentén legalább 1,5 m szélességű sávban (A szigetelt sáv függőleges is lehet: a szigetelés a pincefalon vagy a lábazaton is elhelyezhető (a magasságkülönbség előjelének megfelelően). A vízszintes és függőleges helyzetű szigetelt sávok összegezett kiterített szélességének minimális szélessége 1,5 m.) 0,40- -0,55 0,60- -0,75 0,80- -1,00 1,05- -1,50 1,55- -2,00 2,05- -3,00-6,00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0-6,00...-4,05 0,20 0,20 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0 0 0 0-4,00...-2,55 0,40 0,40 0,35 0,35 0,35 0,35 0,30 0,30 0,10 0,10 0 0-2,50...-1,85 0,60 0,55 0,55 0,50 0,50 0,50 0,45 0,40 0,20 0,15 0,10 0-1,80...-1,25 0,80 0,70 0,70 0,65 0,60 0,60 0,55 0,45 0,30 0,22 0,177 0,13-1,20...-0,75 1,00 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,55 0,40 0,31 0,25 0,21-0,70...-0,45 1,20 1,05 1,00 0,95 0,90 0,80 0,75 0,65 0,50 0,40 0,33 0,29-0,40...-0,25 1,40 1,20 1,10 1,05 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,49 0,41 0,37-0,20...+0,20 1,75 1,45 1,35 1,25 1,15 1,05 0,95 0,85 0,70 0,58 0,50 0,45 0,25...0,40 2,10 1,70 1,55 1,45 1,30 1,20 1,05 0,95 0,75 0,62 0,53 0,48 0,45...1,00 2,35 1,90 1,70 1,55 1,45 1,30 1,15 1,00 0,80 0,66 0,56 0,51 1,05...1,50 2,55 2,05 1,85 1,70 1,55 1,40 1,25 1,10 0,95 0,70 0,60 0,55 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról http://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=a0600007.tnm 3,05-4,00 4,05-5,00 5,05-6,00 6,05-7,00
Hőmérsékleteloszlás időbeni változása a talajban 6 Berechnung der Waermeverluste des Kellerraumes ueber den Erdboden http://www.youtube.com/watch?v=3cswxp70fbw
Hőtárolás Időben nem állandósult, egydimenziós, forrásmentes vezetés Ha egy szerkezetbe belépő hőáram több mint a kilépő hőáram, akkor a szerkezet a különbséget feltárolja Az egyes elemi rétegek hővezetési ellenállásának megfelelően Ha egy szerkezetbe belépő hőáram kevesebb mint a kilépő hőáram, akkor a szerkezet a különbséget kibocsátja Hőtároló képesség függ A szerkezet fajlagos tömegétől m f [kg/m 2 ] A szerkezet anyagának fajhőjétől c [kj/kgk] A szerkezet rétegrendjétől A tárolt hő változása: q = m f c T 7 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Hőtárolás Egy szerkezetben a feltárult hő teljes mennyiségét a hőfoklefutási görbe alatti terület mutatja A hőszigetelést arra az oldalra célszerű tervezni, ahol a nagyobb hőmérsékletváltozások várhatók. Rétegrend szerepe hőtároló képesség Csak tartószerkezet átlagos Csak hőszigetelés kvázi nulla Hőszigetelés kívül maximális Hőszigetelés belül minimális Hőszigetelés középen átlagos 8 A hőszigetelést arra az oldalra célszerű tervezni, ahol a nagyobb hőmérséklet-változások várhatók.
Hőtárolás Jelentős, ha a külső vagy a belső hőmérséklet időben változik Példa: Eredeti hőmérséklet: t e és t i A külső hőmérséklet csökken (éjjel, rossz idő esetén): t e A szerkezet kibocsátja magából a benne feltárolt hő egy részét. (Az eredeti és az új hőfoklefutási görbék alatti területek különbségét.) A folyamatban csak a belső, belső oldali szerkezeti rétegek vesznek részt A feltárolt hő szerepe: nem kell nagy fűtő/hűtő teljesítményt tartalékolni, mert A szélsőségesen hideg/meleg időszakok kiegyenlítődnek A periodikus változások (pl.: napi ciklus) hatásai kiegyenlítődnek Alkalmazzuk: Nyári túlmelegedés elleni tervezéskor, ellenőrzéskor Hőtároló tömegre alapozott téli fűtés tervezésekor 9 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Hőtárolás Hőtároláshoz, hőkibocsátáshoz idő kell: A folyamatban csak a szerkezet külső (elemi) rétegei vesznek részt A gyakorlatban napi ciklus esetén maximum 0,15 m 2 K/W hővezetési ellenállású réteggel számolunk, mint hőfelvevő vagy hőleadó Példák: Kerámia burkolatú padló jó hőtároló kis hővezetési ellenállás Habalátétes szőnyegpadló rossz hőtároló nagy hővezetési ellenállás 0,15 m 2 K/W hővezetési ellenállású réteggel számolunk, ami vagy a belső térrel határos első szerkezeti rétegben található, vagy több szerkezeti rétegben található meg. Ha a szerkezet hőtechnikai szempontból vékony Azaz a hővezetési ellenállása kisebb mint 2 0,15=0,3 m 2 K/W Akkor a teljes hővezetési ellenállás feléhez tartozó fajlagos hőtároló tömeget vehetjük csak számításba Ha valamelyik réteg fa, annak sűrűségét háromszor vesszük Mivel a fa fajhője a szokásos építőanyagoknak cca. háromszorosa A nettó fűtött alapterületére vetített fajlagos hőtároló tömege alapján egy épület: nehéz, ha m 400 kg/m 2 ; könnyű, ha m < 400 kg/m 2. 10 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007. 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról http://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=a0600007.tnm
Késleltetés, csillapítás Tervezési gyakorlat fogalmai a periodikus hőtárolás jellemzésére Késleltetés (ε) A külső hőmérséklet változásának megfelelő belső hőmérsékletváltozás késése a szerkezetek hőfelvétele, vagy hőleadása miatt Csillapítás (ν=t kmax -t bfmax ) A külső hőmérsékletváltozás maximumának és a belső hőmérsékletváltozás maximumának aránya 11 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Hősugárzás Minden test sugárzást bocsát ki. A sugárzás intenzitása függ: A test felületi hőmérsékletétől A test felületének minőségétől Egy test teljes spektrumú sugárzása a Stefan-Boltzmann törvény alapján: Jožef Štefan (1835-1893) karintiai származású osztrák szlovén matematikus és fizikus, szlovén nyelvű költő. 1879-ben kimondta, hogy az abszolút fekete test sugárzása az abszolút hőmérsékletének negyedik hatványával arányos. Ezt később elméleti úton magyarázta meg Ludwig Boltzmann. A sugárzási energia mennyisége: E = C 0 T T a felszín abszolút hőmérséklete C 0 =5,672 10-8 W/m 2 K 4 fizikai állandó, arányszám 100 4 12 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007. http://hu.wikipedia.org/wiki/stefan%e2%80%93boltzmann-t%c3%b6rv%c3%a9ny http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a9/hot_metalwork.jpg
Napsugárzás 500 W/m 2 750 W/m 2 1000 W/m 2 Főbb spektrumai Ultraibolya sugárzás Épületszerkezetek állagvédelme miatt fontos Látható fény A Földre érkező sugárzási energia majdnem fele Ibolyától vörösig Infravörös sugárzás A Földre érkező sugárzási energia több mint fele Sugárzási intenzitás, energiahozama: W/m 2 Atmoszférán kívül 1300-1400 W/m 2 Földfelszínre érkező sugárzás Direkt sugárzás Diffúz sugárzás (Visszavert sugárzás) 13 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007. https://aquariumdigest.files.wordpress.com/2010/04/98bb4-460x303xpar_solar-radiation-pagespeed-ic-3x7qr_rmr2.jpg
Termográfia Speciális kamera, mely a látható fény tartománya helyett, alacsony hőmérsékleti sugárzást mér/lát. Mért/számított hőmérséklet függ: anyagok emissziós tényezőjétől, fémek 0,04 beton, tégla, cserép 0,93 reflektált és környezeti hőmérséklettől, páratartalomtól. Vizsgálati cél: Nem a felületi hőmérsékletek mérése Hőmérséklet-különbségek kimutatása Felhasználási területek: Épület termográfia Épületgépészet vizsgálata Ipari diagnosztika, gépek vizsgálata Villamos és elektronikai mérések Biológiai alkalmazások 14 Rahne Eric: Hőkép-galéria. http://www.termokamera.hu/galeria.htm
Épület termográfia Ideális körülmények a méréshez: Éjjel vagy borult időben nincs zavaró napsugárzás 10-15 C állandó külső-belső hőmérséklet különbség kialakulása Értelmezés Fémek hőmérséklete Üvegek képe, gyakran tükörkép Zavaró környezeti elemek Égbolt, távoli hideg felület Kiugró hőmérséklet (pl. kémény) Feldolgozás: Mérési körülmények leírása Képek, színskálák egységesítése Mérési, elemzési lehetőségek Értékelés, magyarázatok Összefoglaló jelentés készítése 15 A Győri Tánc- és Képzőművészeti Iskola termográfiás képei
Test és sugárzás viszonyai Ha egy testet sugárzás ér: energiahányad Egy részét elnyeli abszorpciós, elnyelési tényező a Egy részét visszatükrözi reflexiós, visszaverési tényező r Egy részét átereszti transzmittálási, áteresztési tényező t A tényezőkkel kapcsolatban mindig meg kell adni, hogy mely sugárzási spektrumra értendők Látható fény, napsugárzás a N Alacsonyhőmérsékleti sugárzás a A A tényezők függvényében a testek lehetnek a+r+t=1 Fekete test a=1 r=0 t=0 Opaque, nem áteresztő, szürke test a>0 r>0 t=0 Transzparens test a>0 r>0 t>0 Áteresztő átlátszó előbbi egy sugárzási spektrumra, utóbbi a látható fény spektrumára vonatkozik! Szelektív felületképzésekkel változatos a N /a A viszonyok érhetők el. 16 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007. http://www.mgepitesz.hu/energiatanusitas/i_6.jpg
Opaque szerkezetek sugárzási mérlege Opaque szerkezet felületét I[W/m 2 ] intenzitású napsugárzás éri A felület a sugárzás egy részét visszaveri (q r ) A test a napsugárzásra vonatkoztatott abszorpciós tényezője szerinti sugárzási hányadot elnyeli, a külső felület felmelegszik (q a ) Hővezetés indul meg a mélyebb rétegek felé (q v ) Az hőt a szerkezet feltárolja önmagában Többlet esetén a túloldalán átadja környezetének A külső felületen hőátadás játszódik le (q e ) A felület hőt sugároz a felület emissziós tényezőjétől (ε=a A ) függő mértékben (q s ) Az érkező és a távozó hőáram összege azonos. 1 = a N + r N q r = r N I q a = a N I q v = d λ t fe t fi q e = α e t fe t e q s = α A C 0 t fe 100 4 q a = q v +q e +q s 17 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Transzparens szerkezetek sugárzási mérlege Transzparens szerkezet felületét I[W/m 2 ] napsugárzás éri A felület a sugárzás egy részét visszaveri (q r ) A test a napsugárzásra vonatkoztatott transzmittálási, áteresztési tényezője szerinti sugárzási hányadot átengedi (q t ) 1 = a N + r N + t N q r = r N I q a = a N I q t = t N I A test a napsugárzás egy részét elnyeli, így a test felmelegszik (q a ) Hővezetés indul meg (q v ), nem jelentős A felesleges hőt a külső és belső felületein hőátadással leadja (q e, q i ) A külső és belső felületein hőt sugároz (q se, q si ) q t q a I q r Az érkező hőáram: I = q b +q k +q t q si q se A belső térbe jutó hőáram: q b = q t +q i +q si A külső térbe visszajutó hőáram: q k = q r +q e +q se q i q e 18 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Transzparens szerkezetek A transzparens épületszerkezetek általában nem egy rétegűek Több üvegtábla Bevonatok Légrétegek Árnyékoló szerkezet A hőtranszport-folyamatok bonyolultabbak Többszörös hőátadás Sugárzásos hőcserék, visszaverődésekkel Hőáramlás légrétegben Igények évszakonként, napszakonként változnak, sőt ellentétesek Természetes világítás Nyári felmelegedés elleni védelem Passzív napenergia hasznosítás télen Tájolás függő üvegezés választás döntés nyáron télen nappal?? éjjel?? 19 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Üvegházhatás Helyiségbe transzparens épületszerkezeten, üvegezésen keresztül napsugárzás jut be (fény és rövidhullámú infrasugárzás) A belső opaque szerkezetek a hősugárzást Részben elnyelik (a N =0,8-0,9) Részben visszatükrözik, majd tükrözve nyelik el Az elnyelt hősugárzással a szerkezetek (Lassan) felmelegítik magukat, hővezetéssel (Gyorsan) felmelegítik a belső levegőt, hőátadással Saját hőmérsékletének megfelelően hőt sugároznak A szerkezetek sugárzása hosszúhullámú infrasugárzás Ez tovább melegíti a szerkezeteket De az üvegszerkezeten nem tud kijutni, mert azok áteresztési tényezője hosszúhullámú sugárzásra alacsony A helyiségbe zárt hő távozhat Hőátbocsátással a határoló szerkezeteken keresztül Szellőző levegővel együtt 20 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
4-16Ar-4 Low-E üvegezés 21 http://www.buildmantra.com/blog/wp-content/uploads/2014/03/low-e-double-glazing.jpg
Transzparens szerkezetek Áteresztett hányad befolyásolható Az elnyelt és/vagy a visszavert hányad növelésével Elnyelt hő egy része bejut Visszavert hő kint marad Transzparens szerkezet anyagának, felületének módosításával növelhető Külső nemesfém tükröző réteggel a visszavert hányad Üveg anyagába kevert fémoxiddal az elnyelt hányad Belső felület bevonatolásával, a belső infravörös hő pl. low emissivity coating visszavert hányada Fototróp, fényre sötétedő üvegezéssel a visszavert hányad Termotróp, hőre sötétedő üvegezéssel a visszavert hányad Árnyékolókkal Kívül / Belül Fix / Mozgatható Csak árnyékol / Hőszigetel is 22 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Transzparens szerkezetek sugárzás átbocsátása MSZ EN 14501:2006 alapján g összenergia átbocsátási tényező értéke megmutatja az adott üveg sugárzásátbocsátó képességét a ráeső napsugárzáshoz képest az etalon 3 mm-es üveg g értéke 0,87 g nyár = g * g árnyékoló g tél = g F c árnyékolási együttható (g árnyékoló ) értéke megmutatja, hogy az árnyékolás nélküli szerkezethez képest az árnyékolt szerkezet, megegyező körülmények esetén, milyen arányban engedi a beltérbe jutni a napenergiát 0,0-1,0 közötti érték N naptényező értéke megmutatja, hogy a 3 mm-es normál floatüveghez képest az adott szerkezet, megegyező körülmények esetén, milyen arányban engedi a beltérbe jutni a napenergiát 23 Tóth Elek: Energetikai számítások a gyakorlatban, előadás http://fenntarthato.hu/epites/leirasok/kepek/nes-arnyekolok-2
Transzparens szerkezetek hőátbocsátási tényezője U w = A fu f + A g U g + l g Ψ g + l e Ψ e A g + A f U w A f U f A g U g nyílászáró átlagos hőátbocsátási tényezője tok és szárny felülete tok és szárny hőátbocsátási tényezője üvegfelület üveg hőátbocsátási tényezője l g Ψ g l e Ψ e üvegperem hossza üvegperem vonalmenti hőátbocsátási tényezője beépítési hézag hossza beépítési hézag vonalmenti hőátbocsátási tényezője 24 Rehau Quality, Ablak Design szoftver Rehau Geneo plus, konszignációs tervrészlet, családi ház, Gyarmat
Sugárzási hőnyereségek Direkt sugárzási nyereség fűtési idényre vonatkoztatva (Q sd ) [W] Részletes számítási módszer esetén a következő összefüggéssel lehet meghatározni: ε hasznosítási tényező nehéz szerkezetű épületekre: 0,75 könnyűszerkezetű épületekre: 0,70 A ü az üvegezés felülete, az üvegezés mérete alapján számolva [m 2 ] Q TOT sugárzási energiahozam a fűtési idényre fajlagos hőveszteségtényező számításához [kwh/m 2 /a] Észak: 100 kwh/m 2 /a; Kelet és Nyugat: 200 kwh/m 2 /a; Dél: 400 kwh/m 2 /a Q sd = ε A ü Q TOT g g az üvegezés összesített sugárzásátbocsátó képessége Egyszerűsített számítási módszer esetén: elhanyagolható vagy az északi tájolásra vonatkozó sugárzási energiahozammal számítható. Indirekt sugárzási nyereség (Q sid ) [W] Részletes számítási módszer esetén: az MSZ EN ISO 13790 szabvány szerint, vagy azonos eredményt adó módszerrel lehet meghatározni, ha az épületnek van csatlakozó üvegháza, energiagyűjtő fala. Egyszerűsített számítási módszer esetén a számítás elhagyható. 25 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról http://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=a0600007.tnm
egy homlokzaton több homlokzaton Az épületek nyári túlmelegedésének kockázata Δt bnyár a belső és külső hőmérséklet napi középértékeinek különbsége nyári feltételek között [K] Δt bnyár = Q sdnyár = A ü I nyár g nyár nyári sugárzási hőterhelés A ü az üvegezés felülete, az üvegezés mérete alapján számolva [m 2 ] I nyár sugárzási energiahozam átlagintenzitás nyári túlmelegedés kockázatának számításához [W/m 2 ] Észak: 85 W/m 2 ; Kelet, Dél és Nyugat: 150 W/m 2 g nyár az üvegezés és a zárt társított szerkezet együttesének összesített sugárzásátbocsátó képessége A N (fűtött) hasznos alapterület [m 2 ] q b belső hőnyereség átlagos értéke [W/m 2 ] Lakóépületek: 5 W/m 2 ; Irodaépületek: 7 W/m 2 ; Oktatási épületek: 9 W/m 2 AU + lψ transzmissziós hőveszteségek összesen V a fűtött térfogat, belméretek szerint számolva [m 3 ] n nyár légcsereszám nyáron [1/h] Q sdnyár + A N q b AU + lψ + 0,35Vn nyár a légcsereszám tervezési értékei nyáron, természetes szellőztetéssel éjszakai szellőztetés Követelmény: Δt bnyár < 3 K nehéz épületszerkezetek esetén Δt bnyár < 2 K könnyű épületszerkezetek esetén nem lehetséges lehetséges nyitható nyílások 3 6 5 9 26 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról http://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=a0600007.tnm