MŰEMLÉK ÉPÜLETEK SZELLŐZTETÉSÉNEK ENERGETIKAI JELLEMZŐI AZ ÉPÜLETGÉPÉSZET ÉS AZ ÉPÜLETSZERKEZET KAPCSOLATA Szikra Csaba Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék Az épületek energia fogyasztásának főbb tételei az épületszerkezeten keresztül haladó transzmissziós valamint filtrációs hő, az épületgépészet és az épületvillamosság. Az épületszerkezet energia mérlegének tanulmányozása számos lehetőséget hordoz az energia csökkentés lehetőségeinek kidolgozására. Amennyiben az állagmegóvás fő tételeit is figyelembe vesszük, magától adódik a kérdés: Mennyi az a minimális energia igény melyet mindenképpen az épületre kell fordítanunk, hogy épületszerkezetének állaga ne romoljon. Épületgépészeti eszközeink energiafalók ugyan, de szerepük az állagmegóvásban kiemelkedő. Az épületszerkezet tulajdonságaiból kiindulva határozzuk meg a természetes és mesterséges berendezéseink energia igényét. ALACSONY ENERGIAFOGYASZTÁSÚ ÉPÜLETEK Mivel az energia fogyasztás három lábon áll ezért alacsony energiafogyasztású épületet csak szerkezeti és funkcionális integráció lehetőségeinek teljes kihasználásával építhetünk, illetve működtethetünk. Az energia-megtakarításnak számos lehetősége mutatkozik. Ha csoportba kívánjuk foglalni, ezt megtehetjük a beavatkozás módja szerint: megkülönböztetünk offenzív, illetve defenzív technikákat. Az offenzív technika jellemzői: a kívánatos áramokat növelése. Télen a napsugárzásból származó hő-nyereség növelése mellett figyelemmel kell lenni az épülettömeg hőtárolásba való bevonására. Így fokozható a szoláris nyereség hatásossága. Nyáron igyekszünk a szellőzésből származó veszteségeket csökkenteni. Emellett szükség van a télen áldásos, nyáron azonban káros szoláris nyereségek, árnyékoló-eszközökkel való csökkentésére. 1. ábra A Tromb fal, transzparesn szigetelés
Az offenzív technikával tervezett épület főbb jellegzetességei: a forma és tájolás megfontoltsága energiagyűjtő felületet biztosításának szempontjából, nagy üvegezési arány, megfelelő hatékonyságú árnyékolás, nagy hőtároló tömeg, hő-visszanyerős szellőző berendezés, passzív szoláris eszközök (üvegház, energiagyűjtő falak), a szellőző levegő előmelegítése energiagyűjtő szerkezettel történő előmelegítése (üvegház, Trombe fal, transzparens szigetelés). A defenzív technika alapelve, hogy a nemkívánatos áramokat igyekszünk csökkenteni. Mely télen az épületszerkezetek hőszigetelésén keresztül a síkfalak és a hő-hidak hőveszteségét hivatott csökkenteni valamint a filtrációs légforgalomból adódó energiaveszteséget minimalizálni. Nyáron a külső és belső hő-terhelések minimalizálása a cél. Az defenzív technikával tervezett épület főbb jellegzetességei: kompakt forma, erősen hőszigetelt szerkezetek hőszigetelés, lég-tömör nyílászárok, alacsony filtrációs légforgalom, modern, a legújabb technológiákat alkalmazó, jó hőszigetelő képességű ablakok, hővisszanyerő a szellőztető berendezésben. A LEVEGŐFORGALOM KÖLTSÉGEI A szükséges levegőforgalom mértéke többek között függ: o a külső légállapottól (hőmérséklet, nedvességtartalom) o belső légállapottól (szükséges hőmérséklet, maximális nedvességtartalom) o hő- és nedvességforrásoktól o Az épületszerkezet geometriai, hőtechnikai, páratechnikai tulajdonságaitól o Nyílászáróktól o A szerkezetek nedvességtartalmától A levegőforgalom becsült költségei: Filtrációs légforgalom, vagy hő-visszanyerő nélküli frisslevegős szellőztetés esetén 1m 3 légtérfogat forgalma, a fűtési szezonra vonatkoztatva (20 C-os belső hőmérséklete és =3061 Cnap hőfokhidat feltételezve) 35kWh energiafogyasztást jelent. Gázenergiával (75%- os hőtermelő hatásfokot illetve ~5Ft/kWh beszerzési egységárat feltételezve) 235Ft költséget jelentenek. Villamos energiával ugyanez (~25Ft/kWh): ~875Ft Hő-visszanyerős szellőztető berendezés esetén feltételezve, hogy a légtechnikai rendszerve épített hő-visszanyerő berendezés fűtési szezonra vonatkozó hatásfoka 60%. 1m3 légtérfogat forgalma, a teljes fűtési szezonra vonatkoztatva (G20 C-os belső hőmérséklete és =3061 Cnap hőfokhidat feltételezve) 21kWh energiafogyasztást jelent. Gázenergiával (75%- os hőtermelő hatásfokot illetve ~5Ft/kWh beszerzési egységárat feltételezve): ~140Ft Villamos energiával ugyanez (~25Ft/kWh): ~525Ft Nézzünk egy példát: Állagmegóvás miatt a vizsgált teremben a maximális nedvességtartalom 60%. A helyiség egy közepes méretű kiállítótér 500m 3. Óránként 4x kell kicserélnünk a helyiségben a levegőt. Ennek költségei a teljes fűtési szezonra hővisszanyerő nélküli szellőztető berendezéssel gázfűtésű kaloriferrel 470eFt. Ugyanez villamos energiaforrásra épülő berendezésekkel: 1050eFt. Szinte megfizethetetlen ár költségvetési intézmények számára. Elektromos hőforrásra épülő berendezéseket, pedig egyenesen kerülni 2
javallott. Természetesen kicsit jobb a helyzet a hőcserélős esetben. Költségeink a legjobb esetet feltételezve 280eFt-ra rúgnak. Látszik, hogy a levegőforgalom költségei igen magasak. Felvetődik a kérdés, menyi a szükséges, de egyben elégséges légforgalom mértéke. Ennek megállapítására szükségünk van a levegő nedvesség szállító képességének meghatározására. A LEVEGŐ NEDVESSÉGSZÁLLÍTÓ KÉPESSÉGE 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 800 700 600 500 m3 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Megengedett nedvességtartalom [%] 2. ábra A levegő nedvességszállító képessége január, február, március hónapokban A 2. 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 40%-60% nedvességtartalom között a változás igen jelentős. Mivel 10%-os nedvességtartalom változás mindössze 0.2%-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. NEDVESSÉGSZÁLLÍTÓ KÉPESSÉG ENERGIA IGÉNYE 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. 3
Érdeles eredményre jutunk, ha megvizsgáljuk az 1l nedvesség elszállításához szükséges energia mennyiségét hónapok szerint, illetve a megengedett nedvességtartalom függvényében. 1l nedvesség elszállításához szükséges energia igény 70 60 50 kwh 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Megengedett nedvességtartalom [%] 3. 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 40-60% megengedett nedvességtartalom között. Erősödik tehát az előző fejezet tézise, vagyis kritikus pont meghatározni a megengedett legmagasabb belső nedvességtartalom értékét. A BELSŐ TÉRBEN FELSZABADULÓ NEDVESSÉG FORÁSAI A helyiségek rendeltetésszerű használatával együtt jár a nedvességfejlődés, néhány jellegzetes nedvességforrás a következő: o emberek nedvességleadása (0.04 l/h 20 -on) o háztartási tevékenység: főzés, mosás, ruhaszárítás, o szabad vízfelszín: fürdés, zuhanyozás, akvárium, o szobanövények párolgása o egyéb technológiából származó nedvesség A méretezés kiinduló adatai megállapodás szerinti, statisztikailag is alátámasztott adatok, például állandó tartózkodású helyiségekben 0.200 l/h. A vizes helyiségekben rövidebb időszakokra ennek többszöröse fordul elő. Jellemző példa egy négyfős háztartás egyheti nedvességtermelése nagyjából egy fürdőkádnyi. 50%-os megengedett nedvességtartalom esetén egy állandó személy nedvességelszállításához 8.8m 3 levegőre van szükség. 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 csak, amint láttuk, az igen költésigényes filtráció, vagy a 4
kevésbe energiaigényes, de még mindig igen költséges hővisszanyerős szellőztető berendezés jöhet szóba. Összefoglalva a keletkező nedvesség a szellőző levegővel távozik. Az előző fejezetekben láttuk, hogy milyen energetikai gazdasági következményei, ha természetes vagy mesterséges módon szeretnénk épületeinkben a levegőt pótolni. Megvizsgáltuk, hogy az épületben tartózkodók, állagvédelmi szempontból, mennyi levegő utánpótlást igényelnek. A következőkben az épületszerkezet tulajdonságai alapján vizsgáljuk a szükséges szellőző levegő mennyiségét. 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 100 %-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. Milyen módon határozhatjuk meg az a belső légállapotot mely esetén kialakul a felületen vagy a kapillárisokban a gombásodás számára szükséges nedvességkiválás? Ehhez 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 4.ábrán. A belső felület hőmérséklete: -2 C külső esetén 16.7 C, -15 C külső hőmérséklet esetén 14.8 C. 5
Parciális vízgőznyomás [Pa] 2 200 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Hőmérséklet [ C] pt p' p 0-14 -12-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 Hőmérséklet [ C] 10 12 14 16 18 20 4. ábra Kisméretű tömör téglafalazat (külső burkolótéglával, belső oldalon vakolva) parciális vízgőznyomásának eloszlása 20 C belső hőmérséklet, 50% belső relatív nedvességtartalom, -2 C, illetve -15 C külső hőmérséklet esetén Ha megvizsgáljuk a hőhidak (pl. falsarok) közelében kialakuló hőmérsékletet, láthatjuk, hogy számottevően alacsonyabb, mint sík fal esetében 5. ábra). A fenti példa esetében falsarok közelében kialakuló hőmérséklet, -15 C külső hőmérséklet feltételezve 8 C közelébe adódik. Mely további 7 C hőmérsékletesést jelent. Parciális vízgőznyomás [Pa] 2 200 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 pt p' p 5. ábra Kisméretű tömör téglafalazat (külső burkolótéglával, belső oldalon vakolva) falsarkok közelében kialakuló hőmérséklet 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. 6
o A levegővel érintkező építőanyagokban kialakul egy egyensúlyi nedvességtartalom. Az anyag (tömeg- vagy térfogatszázalékban mért) nedvességtartalma a levegő relatív nedvességtartalmának függvénye. Ha meg szeretnénk állapítani a megengedhető nedvességtartalmat, ismernünk kell a szerkezet belső hőmérsékletét, ennek függvényében 6. ábra A vízgőz telítési nyomás görbéje a hőmérséklet függvényében. A berajzolt példa a külső légállapotú levegő (-2 C, 90%) felmelegedését, nedvesedését a belső légállapotra, majd a fal felületéhez közeledve a telítődését ábrázolja 75%, illetve 100% nedvességtartalomig. Az utolsó szakasz a felületi kondenzációt ábrázolja (szaggatott vonal) A 6.ábrából látható, hogy az a felületen kialakuló kondenzáció (harmatponti hőmérséklet), a lehűlő fal hőmérsékletétől, illetve a belső hőmérséklettől függ. 100,0% 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 7. ábra A belső fal felületi hőmérséklete függvényében a megengedett relatív nedvességtartalom Visszaérkeztünk tehát az eredeti, relatív nedvességtartalom problémájához, hiszen minél magasabb a belső relatív nedvességtartalom annál korábban következik be a felületen a kondenzáció. A 7. ábra szerinti interpretációban, a felületi hőmérséklet függvényében, melyet a fenti megállapítások szerint -5 C fokos külső hőmérséklet mellett, a kritikus helyekre kell számítani, meghatározható a megengedett nedvességtartalom. A fenti példában ekkor a falsarok hőmérséklete 11.5 C, a megengedett nedvességtartalom ~55%. A másik fontos energiafaló tényező a belső tér hőmérséklete. Bejezésként azt vizsgálom, a belső tér hőmérsékletének milyen hatása van az állagvédelemre. 7
A BELSŐ HŐMÉRSÉKLET HATÁSA AZ ÁLLAGVÉDELEMRE Tartózkodási terekben a belső hőmérséklet nem csökkenthető számottevően 20 C alá. 17 Cnál közepes ruházat esetén a benntartózkodók 9% panaszkodik a termikus környezetre, mely a majdnem 200% elmozdulást jelent a normális szinttől. Energetikai szempontból igen jelentős költségmegtakarítás érhető el, hiszen a fűtési határhőmérséklet csökkentése a fűtési idényt rövidíti. 8. ábra Hőfokhíd, a külső hőmérséklet görbe és a belső hőmérséklet egyenes közötti terület, mely arányos a fűtésre használt energia felhasználással. A hőérzeti viszonyok korlátot jelentenek a belső hőmérséklet csökkentésének szempontjából. Amennyiben a védett helyiség nem állandó tartózkodásra szánt, állagvédelmi szempontból elégséges a +5 C-ra való temperálás. Nem szabad azonban elfelejtkezni, hogy a levegő nedvességfelvevő képességes a hőmérséklet csökkenésével csökken (6. ábra). Azonos nedvesség-felszabadulás esetén alacsonyabb hőmérséklet esetén magasabb relatív nedvességtartalom alakul ki. Állagvédelmi szempontból, mint láttuk, a relatív nedvességtartalomnak számottevő hatása van. Általában megállapítható tehát, hogy számottevő energia takarítható meg a belső tér hőmérsékletének csökkenésével. A relatív nedvességtartalom növelése, illetve a tartózkodási terek komfortérzetének csökkenése határt a hőmérséklet csökkentésének. Egy adott építménynél meg kell tehát vizsgálni a relatív nedvességtartalom változását, illetve a szerkezet, a hőhidak ismeretében megállapítható az optimális hőmérséklet. 8