Az épülethéj elemeinek hatása az épület hőveszteségére az új energetikai szabályozás tükrében. Effect of the elements of the building shell on the energy performance considering the new EPB directive SZIKRA Csaba egyetemi adjunktus Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék szikra@egt.bme.hu, www.egt.bme.hu Abstract In 4 th of January 2006 the DIRECTIVE 2002/91/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 December 2002 on the energy performance of buildings and its national regulations should have been legislated by the Hungarian authorities. Even if the legislation is postponed, education of the expert on energy auditing has been started. Thus the knowledge background is developing. This is possible because the national edition is ready for the legislation, only arguments are going on some small details. By an example of an existing building which is about to refurbished I would investigate the effect of the elements of the building envelop on the necessary heat load and the necessary measures to be made to fulfill the new regulations. Összefoglaló 2006 január 4-től kötelező érvénnyel életbe kellett volna lépnie az Építmények Energetikai Tanúsításáról szóló 2002/91/EC direktívának nemzeti szabályozása. Annak ellenére, hogy ez még nem történt még, gőzerővel folyik a szakemberképzés, így a szakmai háttér lassan megteremtődik. A hazai tanfolyamok indítását az teszi lehetővé, hogy a honi szabályozás majdnem teljesen elkészült. Egy meglévő felújításra váró épület példáján keresztül szeretném bemutatni, hogy az egyes szerkezeti elemek tulajdonságainak változása, milyen hatással van az teljes épület energia háztartására, illetve milyen mértékű változás kell egy hagyományos technológiával épített szerkezet esetén, hogy a legújabb energetikai kihívásoknak is megfeleljen. Kulcsszavak Energy Performance of Buildings; Épültek energetikai szabályozása; Hőátbocsátási tényezők előírt értékei; hőveszteség tényező; Hőhidak; Utólagos hőszigetelés; Nyílászáró csere; Filtrációs levegő forgalom. 1.AZ ÉPÜLETEK ENERGETIKAI SZABÁLYOZÁSÁNAK SZINTJEI ÉS KÖVETELMÉNY ÉRTÉKEI A készülő új energetikai szabályozás 3 szintem korlátozza az épület energia fogyasztását. A harmadik szint a határoló szerkezetek hőátbocsátási tényezőinek értékét maximálja W/m 2 K-ben. Mely értékek minden fűtött és fűtetlen terek közötti sík határoló szerkezet általános helyére vonatkozik, hőhídmentes esetet feltételezve (1. táblázat). A táblázatban szereplő és könnyűszerkezetes építésmód alatt található értékek csak tájékoztató jellegűek. Általános előírásként csak a baloldalon szereplő értékeket lehet tekinteni. Könnyű belátni, hogy a határoló szerkezeteken keresztül fajlagosan távozó hő még önmagában nem garantálja az épület alacsony energia veszteségeit, hiszen az nem veszi figyelembe például az épület hőhídjain távozó hőt, a benapozottság okán keletkező hőnyereségeket, a lehűlő felület térfogatarányt stb. Ezért a szabályozás a teljes épületre vonatkozó fajlagos veszteség értékeket is megfogalmaz. A szabályozás második szintje tehát a fajlagos hőveszteség tényező, mely
garantálja az épület egészére vonatkozó energetikai minőséget. A fűtési idény fajlagos hőveszteség tényezője: transzmissziós hőáramok (határoló- és nyílászáró szerkezetek és hőhidak veszteségei) és a hasznosuló sugárzási nyereségek (üvegezett szerkezetek direkt és passzív szoláris rendszerek nyereségeinek) algebrai összege egységnyi hőmérséklet különbségre és egységnyi fűtött térfogatra vetítve. 1. táblázat. Épülethatároló szerkezetekre vonatkozó előírások (kivonat a készülő szabályozásból). A fajlagos hőveszteség tényező megengedett értéke csak az épület felület-térfogat viszonyától függ (1.ábra). Ez azt jelenti, hogy általános érvényű előírást takar, mely nem függ a használók szokásaitól és az épület rendeltetésétől. A harmadik szint értékeinek betartása nem garantálja automatikusan a fajlagos veszteség tényező értékének megengedett határérték alatti teljesülését. Azonban a második szint bizonyos rugalmasságot biztosít a harmadik szint értékeinek betartása mellett. Ha például egyszerűbb az épület vízszintes határoló felületeinek szigetelése a függőlegeshez képest célszerűbb itt szigorúbb korlátot szabni a második szint teljesítése érdekében. 1. ábra. A fajlagos hőveszteség tényező megengedett értéke a felület-térfogatarány függvényében A szabályozás legfelső szintje az összesített energetikai jellemző, mely az épület rendeltetésszerű használatának feltételeit biztosító épületgépészeti rendszerek egységnyi fűtött térfogatra vonatkozó, primer energiában kifejezett éves fogyasztása. A szabályozás legfelső szintje tehát nem csak az épület jellemzőit, hanem a szükséges energia előállításának módját és a használók szabványosított szokásait, valamint az aktív szoláris rendszerek energia nyereségeit is figyelembe veszi. Az összesített energetikai jellemzők megengedett értéke csak egyes épülettípusokra lett
kidolgozva (irodák, oktatási intézmények, lakások). Vizsgálata meghaladja cikkünk terjedelmét, így csak a második is harmadik szint előírásait vesszük figyelembe. 2. A VIZSGÁLT LAKÓÉPÜLET EREDETI SZERKEZETEI Az épület1963-64-ben épült. Az építés ideje jellemzi az épület energetikai korszerűségét. Az épülettömb 3 lakóépületből áll, amelyek a földszinten és a pinceszinten nyaktagokkal, illetve lepény épületrészekkel kapcsolódnak egymáshoz. A sík területen lévő épületek szintszáma P+F+6 emelet. Az egyes lakóépületek fűtött nettó alapterületei A1: 2898m 2, A2: 5250m 2 illetve A3: 4252m 2 (összesen: 12575m 2 ). A lakóépületek fogatolt kialakításúak. A lépcsőházakból az általános emeleteken 2 db egyszobás és 2 db, átmenő kialakítású, 3+félszobás lakás nyílik. Az A1 épület 2 fogatos, az A2 épület 4 fogatos, az A3 épület 3 fogatos kialakítású. A külső vázkitöltő főfalak 30 cm vastagságú téglaszerkezetek melyek B30 falazóblokkból készültek (U=1,41 W/m 2 K). A lakások és a lépcsőház közötti fal 12 cm vastag kisméretű tömör téglából készült (U=2,22 W/m 2 K). A válaszfalak égetett agyag válaszfallapokból készültek. Az épületek zárófödéme fölött nem járható, egyenes rétegrendű lapos tető készült, bitumenes fedéllemez szigeteléssel (U=0,52 0,44 W/m 2 K). A homlokzati nyílászárók az általános emeleteken kapcsolt gerébtokos ablakok és erkélyajtók (U=3,00 W/m 2 K). Néhány lakás tulajdonosa a meglévő nyílászáróit légtömörebbé alakította, utólagos ragasztható tömítés elhelyezésével. A bejárati ajtók gerébtokos faszerkezetek. Az ablakok kettős, kapcsolt gerébtokos szerkezetek (U=3,50 W/m 2 K). Számítógépes szimulációval (KOBRA) megvizsgáltuk az épület hőhídjait. A vizsgálat célja kettős volt: a.) Energetikai szempontból milyen szerepet játszik az épület hőhidassága, b.) eredeti levegőforgalomba történő bármilyen beavatkozás (például a nyílászárók légtömörebbre történő cseréje), egyéb beavatkozás nélkül, milyen kondenzáció kockázat növekedéssel jár. A pillérvázak környezetében, a kor technológiai színvonalán, igyekeztek az épületet hőhídjainak hatását csökkenteni a pilléren kívül elhelyezett burkoló téglaburkolattal, mely anyaga megegyezik a vázkitöltő téglafalazattal. Erre jellemző példa egy oldalsó fal pillérvázának környezetében a szerkezeti kialakítás. 2. ábra. A pillérváz és a vázkitöltő fal számítógépes szimulációjának eredménye (az alkalmazott modell és a hőmérséklet eloszlás) A fenti szerkezet vonalmenti hőátbocsátási tényezője ψ=0.31 W/mK, mely a külső 10 centiméteres burkolat nélkül ψ=0.55w/mk lenne. Hasonló a helyzet az épület sarokpontjain (hely hiányában a csak a szimuláció eredményét ismertetem): A pillérvázon kívül szintén 10cm-es falburkolat található. A belső felületre vonatkozó vonalmenti hőátbocsátási tényező ψ=0.32w/mk. Annak ellenére, hogy a vonalmenti értékek hasonlóak, kondenzáció kockázat szempontjából mégis a falsarok a veszélyesebb. Sík falrészlet esetében, a szerkezet kritikus helyei a O és K pontok (2.ábra), ahol a felületi hőmérsékletek, a kondenzáció kockázat elemzéséhez használatos, t e =-5 C külső hőmérsékletet feltételezve: t O =12,8 C(φ O =63,2%), t K =12,3 C(φ k =61,2%). A zárójelben az a relatív páratartalom érték látható, ahol felületi kondenzáció következik be. Az eredmények a falsarok leghidegebb pontján: t O =8,0 C (φ O =45,9%). Látható, hogy a falsarokban normál használati mód esetén igen gyakran előfordulhat kondenzáció, mely csak az épülete magas filtrációs légforgalma miatt nem
következik be. Megállapítható tehát, hogy az épület levegőforgalmának csökkentését meg kell, hogy előzze az épület utólagos hőszigetelése. Figyelembe véve a szimuláció eredményeit, a hőhidak autoritása a síkfalak hőveszteségére 21%. 3. ENERGETIKAI VIZSGÁLAT Az épület energetikai vizsgálatot, stacioner esetet feltételezve, szintén számítógépes szimulációval végeztük. Ehhez a WinWatt programot használtuk, melyben már az új energetikai szabályozásból készült algoritmus is be lett építve. A vizsgálat számára feldolgoztuk az épület határoló szerkezeteit. A legfontosabb adatok a következők: külső határoló felületek összege: A=16 690m 2 ; fűtött épület térfogat: V=37 810m 3 ; külső felület és a fűtött épülettérfogat hányadosa A/V=0,4413. Ezek alapján teljes épülettömbre vonatkozó fajlagos hőveszteség tényező értéke (1.ábra alapján), q m =0,254W/m 3 K. Érdemes megjegyezni, hogy az épülettömb fűtési idényének éves sugárzási energia hozama 569,3MWh/év, a méretezési külső hőmérsékletet figyelembe véve, a hővesztesége 1,145MW. 0 1a 1b 2 3 4 hőveszteségtényező (q m ) értékek hőveszteség tényező megengedett értékétől való eltérés Egyensúlyi hőmérséklet különbség ( t b) Fűtési hőfokhíd (H) Fűtési Fűtési idény hossza (Z f) fajlagos értéke (q f ) (Q F) A beavatkozás hatása az alapesetre vonatkoztatva Esetek rövid leírása: W/m³K % C hk/év h/év kwh/m²,év MWh/év % Alapeset Belső válaszfalal = 2,22 W/m2K Homlokzat és Árkád kiegészítő 5cm Árkád = 0.58 W/m2K Külső Fal = 0,53 W/m2K Belső válaszfal = 2,22 W/m2 Homlokzat és Árkád kiegészítő 10cm Árkád = 0.32 W/m2K Külső Fal = 0,30 W/m2K Belső válaszfal = 2,22 W/m Belső válaszfal hőszigetelése Belső válaszfalal = 0,99 W/m2K Lapostető 12cm extrudált polisztirol hőszigeteléssel Tetőfödém = 0,19 W/m2K Belső válaszfalal = 2,22 W/m2K Külső nyílászáró cseréje Külső ablak = 1,60 W/m2K Belső válaszfalal = 2,22 W/m2K Filtráció = 0,35/h 0,493-94,1% 5,1 68753 4368 152,6 1 919,0 0,0% 0,252 0,8% 6,3 68753 4368 102,7 1 292,0 32,7% 0,211 16,9% 6,6 68753 4368 94,27 1 186,0 38,2% 0,474-86,6% 5,2 68753 4368 148,6 1 869,0 2,6% 0,471-85,4% 5,2 68753 4368 148,00 1 861,0 3,0% 0,403-58,7% 6,1 68753 4368 108,60 1 366,0 28,8% 2. táblázat. A beavatkozások önálló hatása az épület fűtési energiaigényére
A vizsgálódásainkat a meglévő állapot felmérésével kezdtük. A 2. fejezetben ismertetett épületszerkezeti jellemzőket vettük figyelembe. A fajlagos hőveszteség tényező megállapításánál figyelembe vettük az épület hőnyereségeit, a lépcsőház felé és a hőhidakon keresztül távozó hőveszteséget is. A továbbiakban vizsgáljuk, hogy az egyes beavatkozásoknak, milyen hatása van az épület együttes fajlagos és abszolút ére. 3.1. Külső hőszigetelés A függőleges külső falak 5cm kőzetgyapot hőszigetelés mellett ugyan nem felelnek meg az épülethatároló szerkezeteire vonatkozó előírásoknak (1.táblázat), de a fajlagos hőveszteség tényező értéke 1,2%-ra közelítette meg az előírt értéket. Az árkád fölötti födém utólagos 5cm-es hőszigetelésével már ez épület kielégíti a hőveszteség tényezőre vonatkozó előírásokat, bár csak 0,8%- al több mint az előírt érték. A fűtési határhőmérséklet és az átlagos belső hőmérséklet különbsége (egyensúlyi hőmérséklet különbség) 5,1 C-ról 6,3 C-ra változott, mely azt jelenti, hogy 1,2 C-al megemelkedett a fűtési határhőmérséklet. A beavatkozás hatására 32,7%-al csökkent az épület fűtési energia felhasználása. A fűtési hőfokhíd és a fűtési idény hosszának változását csak 8 C egyensúlyi hőmérséklet különbség felett vesszük figyelembe, így ezek az értékek változatlanok maradtak. A külső falalkat és az árkád feletti födémet 10cm ellátva, már bőségesen kielégül a fajlagos hőveszteség tényezőre vonatkozó előírás (16,9%-al haladja meg a szabványos értéket). A határoló szerkezetre vonatkozó előírásoknak megfelel az oldalfal, nem felel meg azonban az árkád feletti födém (U árkád =0,32W/m 2 K), mivel a tervezett szabvány által előírt érték 0,25W/m 2 K. A 10cm-es beavatkozás hatására 38,2%-al csökken az épület várható fűtési energia felhasználása, mely így éves szintem 1292MWh/év. 3.2. Lépcsőház szigetelése A fogatolt elrendezés miatt igen jelentős a lépcsőház felé néző lakáselválasztó fal felülete. Mivel a lépcsőház határoló szerkezete egyrétegű üveg, így ott a kialakuló egyensúlyi hőmérséklet igen alacsony. Az energetika egyensúlyt vizsgáló modellben a lépcsőház egyensúlyi hőmérséklet és a lakás közötti hőmérséklet különbségét vettük figyelembe. A lépcsőház eredeti szerkezete 12cm kisméretű tömör téglafal (U belső_válaszfal =2,22W/m 2 K). A lépcsőház ablakai csak 2cm kiegészítő kőzet gyapot felhelyezését teszi lehetővé, mely így is jelentősen javít a meglévő állapoton (U belső_válaszfal =0,9 W/m 2 K), azonban még mindig magas a tervezett, megengedett értékhez képest, mely 0,5W/m 2 K. Az utólagos hőszigetelés eredményeként keletkező 2,6%-os energetikahatás elhanyagolhatóan kicsi, azonban ez esetben a komfort növelése és a kondenzáció kockázat csökkentése érdekében mégis célszerű a szigetelést elvégezni. A szabvány kielégítéséhez 6cm kőzetgyapot hőszigetelés szükséges, mely mindössze 3,7%-os fűtési csökkenéssel járna, ami így sem csekély 50MWh/év fogyasztáscsökkenést jelent. 3.3. Lapostető hőszigetelése Az épülettömb meglévő tető hőszigetelése, figyelemre méltó a többi szerkezethez képest (U tetőfödém =0,52 0,44 W/m 2 K), bár még messze jár a tervezett (0,25W/m 2 K) értéktől. 12cm extrudált polisztirol hőszigetelés felhelyezésével a tetőfödém hőszigetelő képessége jelentősen megnő (U tetőfödém =0,19 W/m 2 K), ki is elégíti a követelmény értéket, azonban így is csak 3%-al csökkenti csupán a fűtési t. A várható beruházási költség miatt ez nem túl kecsegtető beavatkozás. 3.4. Nyílászáró csere A meglévő igen rossz hőtani tulajdonságokkal bíró gerébtokos ablakok cseréje kettős hatással bírna: csökkentik a határoló szerkezet hőveszteségét és a filtrációs levegőforgalmat. A filtrációs levegőforgalom csökkenése, azonos használati mód mellett, törvényszerűen a nedvességtartalom emelkedésével, vagyis a kondenzáció kockázatának növekedésével jár. Így ennek a beavatkozásnak az önálló vizsgálata csak teoretikus, hiszen csak az előző, hőhíd hatást csökkentő beavatkozásokkal együtt releváns. A meglévő nyílászárót a szabványos értékűre cserélve (U ablak =1,6W/m 2 K), figyelembe véve a filtráció csökkenést, az épület várható fűtési energiája 28,8%-al, vagyis az 5cm hőszigetelés hatásával majdnem egyenértékű módon csökken. Megállapíthatjuk, hogy nagy térfogatú épületeinkben igen jelentős szerepet játszanak a nyílászárók, mely akár arra is csábíthatja a beruházni szándékozót, hogy önállóan, az egyéb beavatkozások nélkül hajtsa végre a nyílászáró cserét az épületen.
3.5. A beavatkozások együttes hatása Nézzük meg, hogy a tervezett beavatkozások mindegyikének végrehajtás, milyen hatással van az épület fűtési energia felhasználására. 5 6 hőveszteségtényező (q m ) értékek hőveszteség tényező megengedett értékétől való eltérés Egyensúlyi hőmérséklet különbség ( t b) Fűtési hőfokhíd (H) Fűtési Fűtési idény hossza (Z f) fajlagos értéke (q f ) (Q F) A beavatkozás hatása az alapesetre vonatkoztatva Esetek rövid leírása: W/m³K % C hk/év h/év kwh/m²,év MWh/év % Homlokzat és Árkád kiegészítő 10cm Árkád = 0.32 W/m2K Tetőfödém = 0,19 W/m2K Külső Fal = 0,30 W/m2K Külső ablak = 1,60 W/m2K Belső válaszfalal = 0,99 W/m2K Filtráció = 0,35/h Homlokzat és Árkád kiegészítő 10cm Árkád = 0.25 W/m2K Tetőfödém = 0,25 W/m2K Külső Fal = 0,45 W/m2K Külső ablak = 1,60 W/m2K Belső válaszfalal = 0,5 W/m2K Filtráció = 0,35/h 0,080 68,5% 9,8 64696 3912 39,39 495,4 74,2% 0,100 60,6% 9,4 66070 4056 44,20 555.9 71,0% 3. táblázat. A beavatkozások együttes hatása az épület fűtési energiaigényére A külső fal 10cm-es hőszigetelése, a tetőfödém hőszigetelése, a belső válaszfalak cseréje, a nyílászáró cseréje együttesen 68,5%-al jobb fajlagos értéket ígér, mint a követelmény. Ne felejtsük el, hogy vannak szerkezeti elemek (belső válaszfa, árkád feletti födém) mely még továbbra sem elégíti ki a szabvány értékeit. Az együttes hatás vizsgálata, még egy szembetűnő változást okoz: mivel az egyensúlyi hőmérséklet különbsége meghaladja a 8 C-t, így a fűtési idény hossza és a fűtési hőfokhíd is csökken. Ez úgy teszik, akár a készülő szabvány kritikája is lehet, hiszen kizárt, hogy egy ekkora épületnél csak ilyem mértékű beavatkozás az, ami már képes a fűtési időszakot csökkenteni. A beavatkozások együttesen 74,2%-al csökkentik az épülettömb fűtési energia fogyasztását. A számítások tanúsága szerint a fűtési idény 456 órával, tehát mintegy 19 nappal csökken. 3.6. A szabvány által előírt határolások együttes hatása Az utolsó szimulációban a határoló szerkezeteket a szabvány által megkövetelt értékre állítva kissé rosszabb energetikai jellemzők mutatkoznak, mint az előző esetben. A fajlagos hőveszteség tényező 60% jobb, mint a megkövetelt érték, az egyensúlyi hőmérséklet különbség 9,4 C, a fűtési hőfokhíd és a fűtési idény kissé romlik. A várható megtakarítás 71%-os. 4. ÖSSZEFOGLALÓ ÉRTÉKELÉS Egy ekkora épületnél, annak ellenére, hogy a határoló szerkezetek a szabvány értékeit nem elégítik ki, a külső függőleges határoló szerkezeteken elhelyezett 5cm hőszigetelés már kielégíti a fajlagos hőveszteség tényezőre vonatkozó előírást. A födém és a lépcsőházak hővesztesége nem számottevő az épület energia háztartásának szempontjából, utólagos hőszigetelésének inkább komfortnövelő hatása van csak. Az ablakok állapota, a légforgalomban betöltött szerepe miatt, jelentős szerepet játszik az energetikai egyensúlyban, de önmagában a cseréje a kondenzáció kockázat emelkedésén keresztül penészedéshez vezethet. A nyílászárók cseréjét ezért meg kell, hogy előzze az épület egyéb határoló szerkezeteinek utólagos szigeteléssel történő hőhídmentesítése. Irodalmi hivatkozások Baumann Mihály, Csoknyai Tamás, Kalmár Ferenc, Magyar Zoltán, Osztroluczky Miklós, Szalay Zsuzsa, Zöld András, Az új épületenergetikai szabályozás; Bausoft Pécsvárad Kft, Pécs, 2006 [1] DIRECTIVE 2002/91/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 December 2002 on the energy performance of buildings [2]