Lakóházak energiatudatos szellőzési rendszerei Energy conscious ventilation system of dwellings SZIKRA Csaba Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék szikra@egt.bme.hu, www.egt.bme.hu Abstract One of the main issues in the energy budget of a house is the energy consumption of the ventilation air-cooling and air-heating system. There are several ways to reduce the energy consumption, but because of requirement of the occupancy and the building construction there is a minimum of the air change rate. There are two ways to reduce the energy consumption of the ventilation system: reduced air-change rate or taken in advice the natural sources. Both ways and its combination could be successful, but preciously we need to know the minimum air-change rate required by the building envelop, and the utilization. By the hybrid ventilation concept the energy required by the ventilation could be reduced without damaging the indoor air quality. Összefoglaló Az épületek energia fogyasztásának egyik felelőse a szellőztető, légfűtő és léghűtő berendezés. A szellőzési rendszerekben felhasznált energia csökkenthető. Számos esetben elkerülhetetlen a szellőztető berendezés tervezése, építése. Két út mutatkozik az energia felhasználás csökkentésére: Csak a minimális levegő mennyiségét biztosítjuk, illetve a szellőző rendszer energiafogyasztását természetes eszközök alkalmazásával csökkentjük. Meghatározható az épületszerkezet és a használati mód alapján a szükséges, minimális friss levegő mennyisége. Tervezhető és építhető olyan szellőztető berendezés mely kihasználva a természet energia forrásait csökkenthető az energia felhasználás Kulcsszavak Belső nedvesség felszabadulás, Hőhidak, Megengedett nedvességtartalom, Szellőzés, Hibrid-szellőzés. 1. A lakóházak nedvesség és szenneyező anyag felszabadulásának forrásai A helyiségek rendeltetésszerű használatával együtt jár a nedvességfejlődés. Néhány jellegzetes nedvességforrás a következő: o emberek nedvességleadása (.4 l/h 2 -on) o háztartási tevékenység: főzés, mosás, ruhaszárítás, o szabad vízfelszín: fürdés, zuhanyozás, akvárium, o szobanövények párolgása o egyéb technológiából származó nedvesség Egy átlagos családi házban a jellemző nedvesség felszabadulás értéke.2 l/h. A vizes helyiségekben rövidebb időszakokra ennek többszöröse fordul elő. A diffúzióval a határoló-szerkezeteken át távozó vízgőz az állagvédelem szempontjából igen fontos, de a helyiség nedvességmérlege szempontjából, mennyisége elhanyagolhatóan kicsi, ezért a nedvesség elszállításánál a filtráció, vagy a kevésbe energiaigényes, beruházást
igénylő hővisszanyerős szellőztető berendezés jöhet szóba.családi házak esetén kevésbé jellemző a keletkezett szennyezőanyagok elszállításának igénye. Tartózkodási terekben az ember az egyik legfőbb szennyező forrás, nevezetesen a metabolizmusa által keletkezett széndioxid. 2. A belső épületszerkezet felületének állagvédelmi követeléményei A nedvesség valamilyen formájának megjelenését várhatjuk az alábbi feltételek teljesülése esetén. felületi kondenzáció következik be: o ha a felülettel érintkező, vagy avval azonos hőmérsékletű határrétegben a relatív nedvességtartalom eléri a 1 %-ot, kapilláris kondenzáció következik be: o ha a felülettel érintkező, vagy avval azonos hőmérsékletű határrétegben a relatív nedvességtartalom eléri a 75 %-ot, Az egyik legkritikusabb állagromboló hatás a gombásodás. A gombásodás feltételei a következők: 1. A nedvesség jelenléte a gombásodás szükséges feltétele. Szaporodásra képes penészgomba spórák a levegőben mindig vannak. A több ezer faj között mindig találhatók olyanok, amelyek számára az adott hőmérséklet- és fényviszonyok megfelelőek. 2. A gombák tápanyagot csak vízben oldott állapotban tudnak felvenni. 3. Az egyetlen védekezési lehetőség: megakadályozni a folyékony nedvesség jelenlétét a felületen és a kapillárisokban. A szerkezet vagy a szerkezet felületén kialakuló nedvesedés elkerüléséhez tudnunk kell a szerkezet felületi hőmérsékletét és a szerkezet belsejében kialakuló hőmérséklet eloszlást. Egy adott külső hőmérséklet mellett, ha pontos hőtechnikai anyagjellemzők állnak rendelkezésünkre, meghatározható a sík fal belső felületén a hőmérséklet Példaként egy kisméretű téglafal parciális vízgőznyomás és hőmérséklet eloszlását látjuk a 1.ábrán. A belső felület hőmérséklete: -2 C külső esetén 16.7 C, -15 C külső hőmérséklet esetén 14.8 C. Parciális vízgőznyomás [Pa] 2 2 2 1 8 1 6 1 4 1 2 1 8 6 4 2-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 Hőmérséklet [ C] pt p' p -14-12 -1-8 -6-4 -2 2 4 6 8 Hőmérséklet [ C] 1 12 14 16 18 2 1. ábra Kisméretű tömör téglafalazat (külső burkolótéglával, belső oldalon vakolva) parciális vízgőznyomásának eloszlása 2 C belső hőmérséklet, 5% belső relatív nedvességtartalom, -2 C, illetve -15 C külső hőmérséklet esetén Parciális vízgőznyomás [Pa] 2 2 2 1 8 1 6 1 4 1 2 1 8 6 4 2 pt p' p
Ha megvizsgáljuk a hőhidak (pl. falsarok) közelében kialakuló hőmérsékletet, láthatjuk, hogy számottevően alacsonyabb, mint sík fal esetében 2. ábra). A fenti példa esetében falsarok közelében kialakuló hőmérséklet, -15 C külső hőmérséklet feltételezve 8 C közelébe adódik. Mely további 7 C hőmérsékletesést jelent. A tervezői és üzemeltetői gyakorlat számára a következő megfontolások használhatók: o Az állagkárosodás, gombásodás szempontjából kritikusak a határoló-szerkezetek belső felületének legalacsonyabb hőmérsékletű részei, vagyis a csatlakozási élek, sarkok, hőhidak. o A belső felületek állagvédelmi ellenőrzését tehát ezek közül a legkedvezőtlenebbre kell elvégezni. o A gombásodás kialakulásához idő kell, kísérletek szerint öt egymásra következő nap, o a méretezést 5 C külső hőmérsékletre végezzük, mert magyarországi időjárási adatok szerint elfogadható kockázati szinten ez az öt egymásra következő leghidegebb nap átlaghőmérséklete. o A levegővel érintkező építőanyagokban kialakul egy egyensúlyi nedvességtartalom. Az anyag (tömeg- vagy térfogatszázalékban mért) nedvességtartalma a levegő relatív nedvességtartalmának függvénye. 2. ábra Kisméretű tömör téglafalazat (külső burkolótéglával, belső oldalon vakolva) falsarkok közelében kialakuló hőmérséklet Ismerjük már a kritikus pont belső hőmérsékletét, ennek függvényében meghatározható a megengedhető belső relatív nedvességtartalom. 3. ábra A vízgőz telítési nyomás görbéje a hőmérséklet függvényében. A berajzolt példa a külső légállapotú levegő (-2 C, 9%) felmelegedését, nedvesedését a belső légállapotra, majd a fal felületéhez közeledve a telítődését ábrázolja 75%, illetve 1% nedvességtartalomig. Az utolsó szakasz a felületi kondenzációt ábrázolja (szaggatott vonal)
A 3.ábrából látható, hogy az a felületen kialakuló kondenzáció (harmatponti hőmérséklet), a lehűlő fal hőmérsékletétől, illetve a belső hőmérséklettől függ. A megengedhető belső nedvességtartalom tisztán a felületi hőmérséklet függvénye (4.ábra). Látható, hogy minél alacsonyabb a belső fal felületén a hőmérséklet annál korábban következik be a felületen a kondenzáció. 1,% 8,% 6,% 4,% 2,%,% 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 4. ábra A belső fal felületi hőmérséklete függvényében a megengedett relatív nedvességtartalom A példaként említett falsarok esetében, -5 C fokos külső hőmérséklet mellett, meghatározható a megengedett nedvességtartalom (2.ábra). A falsarok hőmérséklete 11.5 C, a megengedett nedvességtartalom ~55%. 3. A levegő nedvességszállító képessége és annak energia igénye Láttuk, hogy az adott szerkezet belső hőmérséklete hatással van a megengedhető nedvességtartalomra. A megengedett nedvességtartalmat a külső és a belső tér közötti légcserével biztosíthatjuk. A keletkezett belső nedvességet kell elszállítani a szükséges szelőző levegővel. Mivel télen a külső levegő nedvességtartalma alacsony így azt felmelegítve igen jó szárítóképességű levegő áll rendelkezésünkre. Ahogy haladunk a tavasz felé, növekszik a külső levegő nedvességtartalma, a levegő szárítóképessége csökken. 1l nedvesség elszállításához szükséges friss levegő mennyisége 8 7 6 5 m3 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Megengedett nedvességtartalom [%] 5. ábra A levegő nedvességszállító képessége január, február, március hónapokban
Az 5. ábrából látszik, hogy a megengedett relatív nedvességtartalom függvényében jelentősen változik az 1l nedvesség elszállításához szükségesen mozgatott levegő mennyiség. Ugyan hónapok szerint is látványos a változás, azonban 4%-6% nedvességtartalom között a változás igen jelentős. Mivel 1%-os nedvességtartalom változás mindössze.2%-al növeli a tartózkodók statisztikai elégedetlenségi mutatóját, állíthatjuk, hogy a helyiségben tartózkodók hőérzete független a nedvességtartalomtól. Meg kell találni azt a legmagasabb, de az állagvédelem szempontjából még nem káros nedvességtartalom szintet, ahol a mozgatott levegőmennyiség szintje az adott feltételek szerint minimális. A levegő nedvesség szállító képessége ugyan télen jobb, energiatartalma azonban igen alacsony. Mielőtt a belső térbe vezetjük, hőmérsékletét a belső tér hőmérsékletére kell emelni. 1kg levegő 1 C al való emeléséhez januárban nagyjából 1.5kJ energiára van szükség. Érdekes eredményre jutunk, ha megvizsgáljuk az 1l nedvesség elszállításához szükséges energia mennyiségét hónapok szerint, illetve a megengedett nedvességtartalom függvényében. 1l nedvesség elszállításához szükséges energia igény 7 6 5 kwh 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Megengedett nedvességtartalom [%] 6. ábra A levegő nedvességszállító képessé energia igénye január, február, március hónapokban A hónapok szerinti energia görbék Márciusig majdnem egymásra simulnak, mely azt jelenti, hogy a nedvesség szállítás energia igénye kevésbé függ az évszaktól, mint a megengedett nedvesség tartalomtól. Továbbra is megmarad a változás sebessége 4-6% megengedett nedvességtartalom között. Erősödik tehát az előző fejezet tézise, vagyis kritikus pont meghatározni a megengedett legmagasabb belső nedvességtartalom értékét, mely mint láttuk a kritikus pont belső felületi hőmérsékletétől függ. 4. Hibrid szellőző rendszerek Szellőztetni kell tehát, hiszen az épület szerkezete és az épületben tartózkodók egyformán igényli azt. A lehetséges szellőzési rendszerek közül viszonylag modern és energetikailag is megfelelő lehetőséget nyújtanak az úgynevezett hibrid szellőzési rendszerek, melyek tulajdonképpen a hagyományos, természetes, de kontroll nélküli technikák újra éledése, kombinálva a modern szabályozástechnikával, kiegészítve gépi szellőzéssel.
A hibrid szellőző berendezések közös jellemzői: Kettős működésű rendszerek: a természet erőforrásainak kiaknázása mellett, gépi szellőzés, mely csak a természetes szellőzés elégtelen volta esetén működik; A természetes és mesterséges kiegészítő mód üzeme valamely szabályozott jellemző alapján automatikusan dől el; A működésmód függ az évszak, és a napi ciklustól; A tervezés fő szempontja a belső tér szolgálata mellett megjelenik az energia fogyasztás minimalizálásának szempontja; A rendszerek már nem csak a mechanikus elemek méretezésén alapszanak, hanem figyelembe veszik (méretezik) épület szerkezetét, belső hőfelszabadulásokat, passzív technikákat, a külső meteorológiai paraméterek pillanatnyi illetve előrevetített értékeit is. A hibrid szellőző rendszer szolgálhat az épületbe érkező levegő előfűtésére, előhűtésére, vagy akár alkalmassá tehető az épület tömegének bevonásával az éjszakai intenzív szellőztetésben rejlő potenciál kiaknázására. A tető síkjába integrált szellőző-energiagyűjtő felületeket kiegészíthetjük fotovoltaikus cellákkal, mely részben fedezheti az épület villamos energia igényét (7. ábra). 7. ábra Hibrid szellőzés kiegészítve fotovoltaikus cellákkal. Megvalósult elvek: Nyáron Éjszakai passzív hűtés, télen szellőző levegő előfűtés, Épület hőtároló tömegének hasznosítása, Hibrid szellőztetés gondolkodásmód. A fenti példa a nap energiáját hasznosítja, ennél egyszerűbb példa a szél által keltett nyomáskülönbség kiaknázása. Egy konkrét példát látunk a 8.ábrán. A rendszer hibrid, hiszen ki van egészítve gépi szellőző rendszerrel. A csőhálózat teljes nyomásvesztesége 5Pa, melyet nagyobb átmérőjű és minimális iránytöréssel szerelt légcsatornával, elektrosztatikus szűrővel biztosított a rendszer tervezője. A rendszer lelke a négy irányból szerelt légbevezető nyílás, valamint a forgatható légkidobó nyílás. Így biztosítható a szélirány szerinti maximális szélnyomás. Amennyiben a szélterhelés nem képes a szükséges 4l/s szellőző levegőt biztosítani, úgy a beépített változó fordulatszámú ventilátor kezd rásegíteni.
A mért energia megtakarítás: A szélhatással segített rendszer energia fogyasztása 5%-a a hagyományos szellőztető rendszer energia fogyasztásának. Mindemellett a beépített hővisszanyerő hatásfoka egy teljes évre vetítve 5%-os. 5. Értékelés 8. ábra Szélhatással segített szellőztető berendezés vázlata Az építmény szellőztetése szükséges, de a kontroll nélküli szellőztetés, vagy a filtrációs levegőforgalom energiaigénye igen magas. Ezért szükséges pontosan meghatározni a szellőző levegő mennyiségét, melynek alapja a belső tér nedvesség illetve szennyező anyag felszabadulása. A szellőztető berendezés optimálisan használhatja a természet erőforrásait, a napsugárzás energiáját vagy a szél energiáját. Hibrid rendszereinkben a gépi szellőzés csak akkor használja a ma még korlátlannak tűnő mechanikai munkát, mikor a természetes üzem elégtelen a belső levegő minőségének és az állagvédelmi szempontoknak is megfelelő szellőzés. Felhasznált irodalom [1] Hybrid Air-Conditioning System at Liberty Tower of Meiji University, T. Chikamoto, Nikken Sekkei Ltd., Japan; First International One day Forum on Natural and Hybrid Ventilation, 9/1999, Sydney, Australia [2] Hybrid ventilation STATE-OF-THE-ART REVIEW, Angelo Delsante, Tor Arvid Vik, Energy Conservation in Buildings and Community Systems; Annex 35 Hybrid Ventilation in New and Retrofitted Office Buildings; 2 [3] HYBRID VENTILATION SYSTEM WITH SUPPLY AIR STACKS - CASE REPORT Jarmo Heinonen, Olof Granlund Oy Mika Vuolle, Helsinki University of Technology, HVAC-laboratory; 2 [4] Classification of Hybrid Ventilation Concepts P. Wouters, N. Heijmans C. Delmotte, L. Vandaele Belgian Building Research Institute, Belgium; First International One day Forum on Natural and Hybrid Ventilation, 9/1999, Sydney, Australia