A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások

A Fenntartható, energiatudatos építés égetett kerámia építőanyagokkal MATÉSZ konferencia. április 16. CONSTRUMA A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások BME Építőmérnöki Kar / Építőanyagok és Magasépítés Tanszék Dr. Szabó László okl. építőmérnök, PhD A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 1

Fenntarthatóság Fenntartható fejlődés? Fenntartható növekedés? Fenntartható visszavonulás? A fenntarthatósághoz kapcsolódó kifejezések: környezettudatosság hatékony erőforrás gazdálkodás épített környezet hatása ökölógiai lábnyom... ÜHG kibocsátás csökkentése A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 2

Az épületek energiafelhasználása A globális energiafogyasztás jelentős hányada Életciklusban való gondolkodás Komplex, integrált tervezés építészet tartószerkezet épületszerkezet épületgépészet épületvillamosság: energiaellátás, gyengeáramú rendszerek épületautomatizálás Source of graphics: http://sourceable.net/ A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 3

Az épületek energiafelhasználása Az energiafelhasználás oka és célja: belső, mesterséges környezet fenntartása amely védett a külvilág hatásaival szemben (hőmérséklet, csapadék, szél, zaj, kémiai és biológiai szennyezés, stb.); fűtés-hűtés-szellőzés: egészséges belső környezeti állapot fenntartása hőkomfort kialakításával, mesterséges megvilágítással, emberi tevékenységek számára. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 4

Egy fűtés és hűtés nélküli épületben a belső hőmérséklet követi a külső környezet hőmérséklet változásait bizonyos csillapítással (kisebb amplitúdóval) bizonyos késleltetéssel, a hőtároló tömeg csillapító hatásától függően. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 5

Egy klimatizált épületben a belső hőmérséklet (és légnedvesség) a kívánt értéken lesz ha nem természetesaen, akkor a mesterségesen a fűtési hűtési szellőztetési rendszer biztosítja, de ez beruházási költséget jelent (gépészeti berendezést) és üzemeltetési költséget igényel: energiát fogyaszt és karbantartása szükséges. Minél kisebb a csillapítás és kevésbé jó a késleltetés annál nagyobb energiafelhasználás szükséges! A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 6

Egy klimatizált épületben Nyári nappal Nyári éjszaka Q ép + Q m + Q gép t i A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 7

Egy klimatizált épületben A szabályozás alapja: léghőmérséklet A hőérzet alapja: operatív hőmérséklet Nagyobb hőtároló tömeg: a klímarendszertől kevesebb beavatkozás szükséges; szélesebb léghőmérsékleti tartomány lehet komfortos ha a környező felületek (hőtároló tömegek) hőmérséklete ideális Két legyet egy csapásra! A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 8

A hőtároló tömeg működése A tömeg hőt vesz fel a környezetéből vagy hőt ad le a környezetnek a tömeg hőmérséklete változik Q m = m c m T [J] m [kg]: a szerkezet vagy réteg tömege c m :[J/kg.K]: az anyag fajlagos hőkapacitása (fajhője) T [K]: a tömeg hőmérsékletének változása. A legtöbb építőanyag fajhője: 0,84 0,92 kj/kg.k A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 9

A hőtároló tömeg működése Néhány építőanyag jellemzői: A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 10

A hőtároló tömeg figyelembe vétele Aktív hőtároló tömeg: részt vesz a napi hőmérsékleti / hőenergia transzport ciklusban 7/2006 TNM rendelet 2. melléklet III/2. pontja: M=S j S i r ij d ij A j az épület belső levegőjével közvetlen kapcsolatban lévő határoló szerkezetek tömegének összege, de belülről legfeljebb: 10 cm az első hőszigetelő rétegig a középvonalig; a nettó fűtött alapterületre vetítve határ: 400 kg/m2 könnyű vagy nehéz szerkezet. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 14

A hőtároló tömeg figyelembe vétele Aktív hőtároló tömeg: részt vesz a napi hőmérsékleti / hőenergia transzport ciklusban Aktív hőtároló tömeg számítása az EN ISO 13790:2008 ill. MSZE 24140:2012 szerint: R=0,15 m 2 K/W mélységig Beton: 192 mm 420 kg Kőzetgyapot-100: 6 mm 6 kg A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 15

A hőtároló tömeg figyelembe vétele Néhány építőanyag jellemzői: A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 16

A hőtároló tömeg figyelembe vétele Néhány építőanyag jellemzői: A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 17

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 1. Csökkenthetjük a napi hőingadozást nyáron a hőtároló tömeget éjszaka vissza kell hűteni! A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 18

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 1. Csökkenthetjük a napi hőingadozást nyáron Éjszakai visszahűtés külső szerkezetek természetes úton 10-15 K napi hőmérsékletkülönbség mellett (hővezetéssel és konvekcióval) szellőző légréses falakkal: kisebb felmelegedés nappal, éjszakai visszahűlés főleg konvekció révén adaptív homlokzati rendszerek (épületautomatika, intelligens vezérlés!) A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 19

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 1. Csökkenthetjük a napi hőingadozást nyáron Éjszakai visszahűtés belső szerkezetek természetes éjszakai szellőztetés lakásoknál ablaknyitással, munkahelyeken automatikával speciális ablakok és védőpanelek közvetlen légcsere a szellőztető rendszeren keresztül (a léghűtők üzeme nélkül) légkondícionáló berendezéssel (éjszakai áram?) A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 20

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 1. Csökkenthetjük a napi hőingadozást nyáron A következő nap visszahűtött szerkezetekkel indítva: levegő lassabban melegszik fel (a beérkező hő elnyelése stabilizál) a felületek lassabb / későbbi felmelegedése magasabb léghőmérséklet engedhető meg a diszkomfort eléréséig a légkondícionálás (hűtés) később indul A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 21

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 2. Téli fűtési igények csökkentése Passzív szoláris rendszer (mint egy akkumulátor) naphő csapdába ejtve a hőtároló tömegben (napközben) visszatáplálás, amikor szükséges (éjszaka). Elegendő hőtároló tömeg nélkül: léghőmérséklet gyorsan emelkedik D-i oldalon hűtés miközben még fűtés az É-i oldalon (rosszabb esetben különálló rendszerrel ) A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 22

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 3. A légkondícionáló rendszerek beruházási költségeinek (Capex) csökkentése Megfelelő hőtároló tömeg: csökkenti a napi hőmérséklet ingadozást, stabilizálja az operatív hőmérsékletet, késlelteti a hőterhelési csúcsot alacsonyabb hűtési teljesítményigény jelentkezik A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 23

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 3. A légkondícionáló rendszerek beruházási költségeinek (Capex) csökkentése Hűtési teljesítményigény éjszakai szellőztetéssel és anélkül (400 kg/m 2 ) A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 24

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 4. Thermoaktív szerkezetek Nehéz szerkezetek (pl. vasbeton födém) fűtéssel és hűtéssel szabályozott felületi hőmérséklet kisebb fűtési/hűtési igény Ábra forrása: Döring et al Floor systems - key elements for sustainable multi-storey buildings/ A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 25

Hogyan használhatjuk ki a hőtároló tömeget? 4. Thermoaktív szerkezetek Szabályozott hűtés felületi párakicsapódás elkerülése!! A hőmérsékletszabályzás kiiktatás következtében bepenészedett mennyezet A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 26

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Kutatási eredmények PhD / 2013 Üveghomlokzatok tervezési kérdéseinek komplex elemzése, különös tekintettel az energiahatékonyság korszerű eszközökkel való befolyásolására A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 27

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Magyarországi (vagy hasonló) éghajlat mellett Napi és éves átlagos középhőmérséklet Magyarországon (hidegrekord: -35 C melegrekord: +41,9 C) Grafikon forrása: OMSZ A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 28

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Dinamikus szimulációk egy üveghomlokzatú épületre 9 üvegezési típussal (1) hagyományos hőszig. (2) low-e hőszig (3) 3 rtg-ű low-e hsz. (a) tiszta (b) hagy. napvédő (c) szelektív napvédő alapüveg A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 29

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Dinamikus szimulációk egy üveghomlokzatú épületre Össz (fűtési + hűtési + világítási) éves energiaigény az egész épületre és termikus zónákra, a következők függvényében: üvegtípusok homlokzati üvegezettségi arány fix vízszintes árnyékolók vezérelt külső árnyékoló (zsaluzia) hőtároló tömeg éjszakai természetes szellőzés. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 30

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Éves fűtési energiaigény a hőtároló tömeg függvényében Heating energy demand [kwh/m2.a] 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 Heating energy demand as function of thermal mass 1a 1b 1c 2a 2b 2c 3a 3b 3c 5,00 0,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Thermal mass [kg/m2] +9 73% energia, ha a hőtároló tömeg 20 kg/m 2 a 400 helyett. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 31

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Éves hűtési energiaigény a hőtároló tömeg függvényében Cooling energy demand as function of thermal mass Cooling energy deamnd [kwh/m2.a] 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 1a 1b 1c 2a 2b 2c 3a 3b 3c 0,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Thermal mass [kg/m2] +17 60% energia, ha a hőtároló tömeg 20 kg/m 2 a 400 helyett. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 32

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Éves össz energiaigény a hőtároló tömeg függvényében 120,00 H + C + L energy demand as function of thermal mass H + C + L energy demand [kwh/m2.a] 110,00 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 1a 1b 1c 2a 2b 2c 3a 3b 3c 50,00 40,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Hőtároló tömeg [kg/m2] +10 25% energia, ha a hőtároló tömeg 20 kg/m 2 a 400 helyett. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 33

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Éves össz energiaigény a hőtároló tömeg függvényében, éjszakai természetes szellőzéssel Fűtési + hűtési + világítási energiaigény a természetes szellőzés függvényében (M=400 kg/m2) 100,00 90,00 Fűtési + hűtési + világítási energiaszükséglet [kwh/m2.a] 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 1a 1b 1c 2a 2b 2c 3a 3b 3c 0,00 0 2 4 Légcsereszám [1/h] -5 26% energia csökkenés éjszakai szellőzéssel 400 kg/m 2 -nél. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 34

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Éves össz energiaigény a hőtároló tömeg függvényében, éjszakai természetes szellőzéssel 100,00 Fűtési + hűtési + világítási energiaigény a természetes szellőzés függvényében (M=20 kg/m2) 90,00 Fűtési + hűtési + világítási energiaszükséglet [kwh/m2.a] 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 1a 1b 1c 2a 2b 2c 3a 3b 3c 0,00 0 2 4 Légcsereszám [1/h] -2 7% energia csökkenés éjszakai szellőzéssel 20 kg/m 2 -nél. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 35

A hőtároló tömeg hatása az energiaigényre Éves össz energiaigény a hőtároló tömeg függvényében, éjszakai természetes szellőzéssel Fűtési + hűtési + világítási energiaigény a természetes szellőzés függvényében (M=400 kg/m2) 100,00 Fűtési + hűtési + világítási energiaigény a természetes szellőzés függvényében (M=20 kg/m2) 100,00 90,00 90,00 Fűtési + hűtési + világítási energiaszükséglet [kwh/m2.a] 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 1a 1b 1c 2a 2b 2c 3a 3b 3c Fűtési + hűtési + világítási energiaszükséglet [kwh/m2.a] 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 1a 1b 1c 2a 2b 2c 3a 3b 3c 0,00 0 2 4 0,00 0 2 4 Légcsereszám [1/h] Légcsereszám [1/h] Magasabb össz éves energiaigény és hatástalan éjszakai természetes szellőzés, ha nincs elegendő hőtároló tömeg! A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 36

Jellemző modern irodaépület kiépítés Álmennyezet Jelentős üvegezett homlokzati felület Szerelt válaszfal (gipszkarton) Üreges-/álpadló + szőnyeg A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 37

Jellemző modern irodaépület kiépítés Néhány jellemző szerkezeti megoldás hőtároló tömege (szerkezeti m 2 -re vetítve) A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 38

Múlt, jelen és a jövő Szemléletváltozás szükséges építészeti felfogásban, belsőépítészetben, energetikai tervezésben (energiadesign), épületszerkezetek tervezésben!! A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 39

Múlt, jelen és a jövő Meghatározó tényezők, mozgatóerők: Politikai szándék jogszabályok EU 2020 Épületenergetikai minősítés, zöld minősítések Megbízó/ Építtető szándéka és tudatossága (?) A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 40

Múlt, jelen és a jövő Akármilyen energiahatékonyak is a gépészeti rendszerek, csak az épület által igényelt energiát kell szállítsák vagy felhasználják! az energiatudatos tervezés fontossága az első vázlattól kezdve részletes elemzések és fejlesztés, szimulációs technológiákkal komplex, holisztikus megközelítés, tervezés. A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 41

Múlt, jelen és a jövő Fenntartható fejlődés növekedés visszavonulás A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 42

Köszönöm megtisztelő figyelmüket! A hőtároló tömeg energetikai szerepe elv és (meg)szokások / CONSTRUMA,.04.16. 43