Hőszigetelések anyagainak helyes megválasztása Az épületek energetikai besorolása - kötelező energiatanúsítvány az épületről Európai Parlament Épületek energiateljesítményéről szóló 2002/91/EK irányelv szerint Dr. Nemes Rita BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék 1 2 2 szín betű százalék szöveges jellemzés A+ <55 Fokozottan energiatakarékos A 56 75 Energiatakarékos B 75 95 Követelménynél jobb C 95 100 Követelménynek megfelelő D 101 120 Követelményt megközelítő E 121 150 Átlagosnál jobb F 151 190 Átlagos G 191 251 Átlagost megközelítő H 251 340 Gyenge I 341 < Rossz 176/2008 (VI.30) Kormányrendelet 2009. január 1-től minden új építésnél, ha az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról szóló 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet hatálybalépését követően indult eljárásban engedélyezték néhány kivételtől eltekintve kötelező az energetikai tanúsítvány elkészítése. 50 m 2 -nél kisebb hasznos alapterületű épületek évente 4 hónapnál rövidebb használatra szánt épületek legfeljebb 2 évi használatra tervezett épületek a hitéleti rendeltetésű épületek védett vagy védett területen álló épületek mezőgazdasági épületek, műhelyek, sátorszerkezetek. Eladásnál és tartós (1 évnél hosszabb) bérbeadásnál a minősítés 2012. január 1-től kötelező! 3 4 Miért hőszigetelünk? A cél t e = -2 C A használat során kialakuló lakóklíma, egészségvédelem BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék -azépületben élő és dolgozó emberek egészségvédelmének biztosítása: a határoló szerkezetek hőérzeti vonatkozású követelményei, (téli állapot) a helyiségek hőérzeti vonatkozású követelményei (nyári állapot) - az épületszerkezetek állagvédelme nedvességviszonyok a szerkezeten belül (páradiffúzió) nedvességviszonyok a felületeken (hőhidak) - az épület hővédelmi teljesítményének biztosítása nedvességviszonyok energetikai követelmény (pl.: fűtés, a fajlagos hőáram korlátozása) 5 Θ = 0,7-2+ 0,7x 22=13,4 C t i = +20 C A penészképződés feltételei - nedvesség, kapilláris kondenzáció tartós (3nap) fennállása (φ kk = 75%) - gombaspóra (mindig van) - oldott tápanyag (ált. van) -megfelelő pórusméret 6 1
Mit jelent a hőhíd? - hőfényképek alapján 7 8 15 kwh/m² 9 10 ÉPÜLETHATÁROLÓ SZERKEZETEK HŐÁTBOCSÁTÁSI KÖVETELMÉNYEI U f (W/m 2 K) Ország Külső fal Tető Padló Nyílászáró Görögország 0,60 0,40 0,70 Spanyolország 0,66 0,39 0,49 1,9 Bulgária 0,50 0,35 0,45 2,0 Olaszország 0,40 0,37 0,37 Szlovénia 0,45 0,20 0,45 1,6 Ausztria 0,35 0,20 0,40 1,7 Szlovákia 0,32 0,20 0,46 1,7 Magyarország 0,45 0,25 0,50 1,6 (2,0) Csehország 0,38 0,30 0,60 1,8 Lengyelország 0,40 0,25 0,60 1,7 Dánia 0,40 0,25 0,30 2,0 Írország 0,27 0,22 0,25 Finnország 0,22 0,14 0,22 1,4 A falszerkezet közelítő hőátbocsátási tényezője: (mérés alapján) U=8 (t i -µ i ) / t (W/m 2 K) t i -- belső léghőmérséklet (C fok) t e -- külső léghőmérséklet (C fok) t = t i -t e µ i -- belső felületi hőmérséklet (C fok) Dr. Osztroluczky Miklós összeállítása 2
A hő terjedése HŐVEZETÉS HŐÁTADÁS (konvekció) a felület és a környezet között - hőáramlás, közeg van! α [W/m 2 K] hőátadási tényező HŐSUGÁRZÁS sugárzásos felületi hőátadás, közeg nincs! (hő elektromágneses hullámként terjed) α s [W/m 2 ] sugárzásos hőátadási tényező HŐVEZETÉS szilárd anyagban hővezetési tényező [λ W/mK] anyagjellemző 13 Hővezetési tényező (λ) J W s K m 2 /m m K vörösréz 380 alumínium 160 acél 50 beton-vasbeton 1,5 2,5 üveg 1,0 kerámia 0,4 0,8 műanyagok 0,2 0,4 bitumen 0,17 fa 0,04 0,35 hőszigetelő anyagok 0,03-0,04 levegő 0,025 széndioxid 0,017 argon 0,016 kripton 0,009 víz 0,61 jég 2,2 hó 0,05 0,6 14 MSZ 04-140-2/91 λ terv = λ dek (1+κ) Dűbelekkel átszúrt hőszigetelő rendszer átlagos hővezetési tényezője (m 2 -ként) λ átl = (λ d na d )+(1-n A d ) λ szig λ szig.terv λ d A d n -- szigetelés terv.hővez. tényezője -- dűbel hővez. tényezője dűbel keresztmetszeti területe dűbelszám/m2 A hőszigetelő anyagokkal szemben támasztott követelmények Hőszigetelő anyagok kiválasztása Mit? Hová? hővezetési tényező páradiffúziós jellemző fizikailag és kémiailag legyen stabil, tartós rágcsálók ne károsítsák ne gombásodjon lehetőleg ne legyen higroszkópos ne lépjen fel korrózió a hőszigetelő anyag és a vele érintkező egyéb anyagok között szükség esetén legyen terhelhető Szervetlen Szálas Szerves Hab 17 18 3
A hőszigetelő anyagok felosztása Szervetlen Ásványgyapot, kőzetgyapot Azbeszt Pórusos gipsz Duzzasztott perlit Üveggyártmányok: Kerámiakötésű: Mészkötésű: Cementkötésű: habüveg üveggyapot üvegszáltermékek kőszivacs kovaföld rioporit gázszilikát habszilikát gázbeton habbeton perlitbeton pórusbeton, sejtbeton Szerves Műanyag habok polisztirol hab expandált extrudált poliuretán hab polietilén hab Pórusos gumi Parafa: expanzit szupremit Faszármazékok fagyapot farost tőzeg Cellulóz, hullámpapír Növényi eredetűek len, kender,gyapot kókuszrost, nád, szalma, Állati eredetűek: selyem, gyapjú Szálas és műanyaghab szigetelések összehasonlítása Tulajdonság Anyagszerkezet Vegyszerállóság Éghetőség Hangszigetelés Hangelnyelés Kezelhetőség Típus Páradiffúziós ellenállás Hideg oldali alkalmazás (pl. hűtőház) Szervetlen, szálas hőszigetelő anyagok nyílt szálas általában jók kicsi ált. nem éghető nem jó nagyon jó nehéz (szúr) tilos Szerves műanyag habok többnyire zárt extrudált (XPS): zárt expandált(eps):időlegesen zárt változó (oldószerek) nagy ált. éghető (önkioltó is van) nem jó nem jó könnyű jól használható 19 20 Hőszigetelő anyagok alkalmazása Mit? Hová? HABOK: pl. EPS, FPS, XPS, PUR, PIR habüveg Az alkalmazás hőmérséklet-tartománya Hőszigetelő anyag fajtája - 20 C tól + 70 C üveggyapot, ásványgyapot, műanyag habok, duzzasztott perlit melegipari + 900 C-ig üveggyapot + 450 C-ig, ásványgyapot + 700 C-ig, rioporit + 900 C-ig, azbeszt + 800 C-ig félig tűzálló + 1100 C-ig tűzálló rioporit idomok, tűzálló kovaföld idomok, könnyű samott, kaolingyapot tűzálló + 1400 C-ig tűzálló szilikát és kerámiaszál szigetelések, könnyű samottok hűtőház - 30 C-ig zárt pórusú műanyaghabok, expandált parafa, zárt pórusú habüveg 21 22 Expandált PS jellemzői (régi) Expandált polisztirol EPS (új jelölés) W/mK 23 24 4
Grafit hőszigetelés Extrudált polisztirol XPS (új jelölés) A termék jellegzetes szürke színét az ultrafinom szemcséjű grafit adalékolásnak köszönheti, ami a sugárzásos hőátszármaztatást csökkenti a polisztirol cellákban, és így az anyag tervezési hővezetési tényezője 0,032 W/mK lesz, szemben a megszokott fehér színű homlokzatszigetelő lapok (AT-H80) 0,040 W/mK értékével. Műszaki adatok: Nyomófeszültség 80 kpa Hajlítószilárdság 125 kpa Felületre merőleges húzószilárdság 150 kpa Páradiffúziós ellenállási szám 20-40 Méretállandóság normál klímán ± 0,2% 25 26 PUR hab SZÁLAS ANYAGOK: pl. ásványgyapot, üveggyapot, len, fagyapot? Rohdichte = testsűrűség! 27 28 Ásványgyapot jellemzői (régi) Ásványgyapot jellemzőinek megadása ma az MSZ EN 13162 szerint Tűzveszélyesség A1 osztály Hővezetési ellenállás 2,5 m 2 K/W Hővezetési tényező 0,040 W/mK Vastagság: 100 mm MW EN 13162 T6 DS(T+) CS10(70) TR15 PL(5)100 MU1 CP3 AP0,35 AW0,40 MW ásványgyapot, T6 vastagság tűrés DS(T+) meghatározott hőmérséklethez tartozó méretállandóság CS10(70) 10% összenyomódáshoz tartozó nyomófeszültség TR15 sík felületre merőleges húzószilárdság PL(5)100 pontszerű terhelés MU1 páraáteresztés CP3 összenyomhatóság AP0,35 gyakorlati hangelnyelési tényező AW0,40 súlyozott hangelnyelési tényező 29 30 5
Milyen lesz a nedves anyag hővezetési tényezője? A A pórusos tégla hővezetési tényezőjének változása a nedvességtartalom függvényében (Künzel 1978) Korrekció: λ beépített = λ új (1+κ 1 + κ 2 ) 31 32 Cellulózszigetelés Len Műszaki paraméterek: Hővezetési tényező: 0,037-0,41W/mK Tűzveszélyességi osztály: B2 s2 d0 vagyis éghetetlen, tűznek 30 percig ellenálló anyag Zajvédelmi besorolás: EN ISO 140-3 (7,5cm vastagságban 49 db) Nedvességfelvétel: 15-40 kg/m 3 Hőtároló képesség: 1,9KJ/kg K Testsűrűség: vízszintes felületen 28-40kg/m 3 függőleges felületen 38-65kg/m 3 tetősík felületen 38-65kg/m 3 Lépésállóság: zárt befújásos technológia esetén lépésálló Kémhatás: 7,8-8,3 (enyhén lúgos) Összetétel: 81% újrafelhasznált papír 12%antipyrin-borsav (rágcsálóvédelem miatt) 7% antiseptic-borax Len növény (lágyszárú gólyaorrféle) 80-100 cm magas. Számos felhasználású: étkezési célra, lenolaj előállítása (magok), hőszigetelés, textil (rostok) Kialakítás Tömítés Szigetelő tábla ρ kg/m3 40-50 20-40 λ W/mK 0,045 0,04 Lemez kb. 20 0,042 33 34 Len Teljes élettartam jellemzői Alapanyag: megújuló Előállítás: aratás (géppel), harmatáztatás (6-8-hét), préselés, magok elválasztása, rostok elválasztása (törés, tilolás), tisztítás, kóc tömítőanyag, további feldolgozás Használata nem káros Élettartam feltehetően magas (szövet) Újrafelhasználható ill. komposztálható Szállítás költséges és energiaigényes Farostlemez Tűlevelű fenyőfélék hulladékai, amik a fafeldolgozás során keletkeznek. Építőiparban, pl. lépéshangszigetelés, tetőtér-beépítés lemezei, stb. Kialakítás Hőszigetelő lemez enyv kötésű Hőszigetelő lemez bitumen kötésű ρ kg/m 3 250-270 170 λ W/mK 0,06 0,045 35 36 6
Farostlemez Teljes élettartam jellemzői Alapanyag: megújuló Előállítás: aprítás, forró gőzős kezelés, szálakra bontás, rögzítő anyag hozzáadása (bitumen, Na-hidroxid, Parafin v. fehérenyv), nedvesítés, préselés, szárítás, vágás Használata nem káros (ha nem bitumenes) Élettartam száraz helyen magas Újrafelhasználható ill. komposztálható (ha nem bitumenes) Helyben rendelkezésre áll Fagyapot lemez Faforgács lemez Famaradékból készül, cement, ill. magnezit kötéssel pl: építőlemezek (vakolható), hőszigetelő lemezek gyakran más anyaggal kombinálva. Kialakítás Magnezitkötésű Cementkötésű ρ kg/m 3 300 330 λ W/mK 0,09-0,1 0,09 37 38 Fagyapot lemez Faforgács lemez Teljes élettartam jellemzői Alapanyag: részben megújuló Előállítás: famaradék legyalulása/aprítása, ásványosítás, (alumíniumszulfát/ magnéziumszulfát/ kalciumklorid) nedvesítés, kötés magnezittel (49% fa), vagy cementtel (35% fa), formába préselés, kizsaluzás (2 nap után), szárítás, szélezés Káros hatások nem ismertek Használható felújításoknál vakolat alá, vagy bennmaradó zsaluzatként, zajárnyékoló falként stb. Elméletileg újrafelhasználható Szállítás gyárból az építkezésre 39 Rövid történet 1931-ben Samuel Stephens Kistler állított elő aerogélt, miután fogadott Charles Learneddel, hogy képes a zselében a folyadékot gázzal kicserélni, anélkül, hogy a zselé összeroskadna. A szuperkritikus szárításnak nevezett eljárással nagy nyomáson és hőmérsékleten vízüvegből állított elő szilika aerogélt. A porózus anyagot, amelyet így kapott, Kistler nevezte el aerogélnek. Aerogél 40 áttetsző vagy opaque Aerogél A pórusok átmérője 1-100 nm közötti. A levegő nem tud cirkulálni a pórusrendszerében, ezért kitűnő hőszigetelő anyag, ezen kívül jó elektromos szigetelő, tűzálló, víztaszító. Az 5-100 nm közötti részecskéken a látható fény rövidebb hullámhosszúságú sugarai áthaladása során Rayleigh-szórás jön létre (ez ugyanaz a jelenség, amitől az eget kéknek látjuk), ami miatt az átlátszó anyag sötét háttér előtt kéknek, világos háttér előtt sárgának látszik, ezért is nevezik megfagyott füstnek. Több mint 90%-át levegő alkotja, ettől olyan kicsi a testsűrűsége. A leggyakrabban alkalmazott fajta a szilika aerogél, mely a kvarcüveghez hasonlóan szilícium és oxigén atomokból áll. Sportcsarnok Carquefou, Franciaország3360 m 2 alapterület, 1500 m 2 homlokzat Homlokzat U értéke: 0.89 W/m 2 K Megtakarítás: 55440 l tüzelőanyag, 38800 euro, 151000 kg szén-dioxid/év - hagyományos üvegezéshez képest Dedmon Atlétikai Központ, Radford, VA Régi tetőszerkezet cseréje: 2 réteg PTFE réteg között aerogél szigetelés - az összesen 5 cm vastag szerkezet hőszigetelő képessége a korábbinak háromszorosa! Aerogél 7
Transzparens hőszigetelés 1. Transzparens hőszigetelés 2. úgy működik, mint a Trombe fal 43 Honeycomb Transparent Insulation with Improved Insulating Ability Douglas I. Milburn U.S. Patent No.: US 6,699,559 B1 2004.03.02 44 télen, nappal nyáron, nappal Transzparens hőszigetelések Épületenergetikailag három változat: 1. Közvetlen hasznosítású rendszerek A hőszigetelő anyagot üvegtáblák, üvegpallók közé beépítve áttetsző felületek építhetők, melyeken a látható fény, illetve a sugárzás is bejut a belső térbe, mely a felületeken elnyelődve hőként sugárzik vissza,felmelegítve a tér levegőjét. 2. Szolár-falak A szolár-falaknál a transzparens hőszigetelésen átjutó sugárzás a hátfal felületének bevonatán nyelődik el. A keletkező hőáram a hőszigetelés miatt kifelé nem, csak befelé tud mozogni, s a fal belső felületén átadódik a tér levegőjének. 3. Hőtechnikailag elválasztott rendszerek Ezekben a rendszerekben a napsugárzás a belső tértől elszigetelt hőnyelő felületen alakul hővé. A hő csatornarendszeren keresztül a belső térbe, vagy hőtárolóba jut. A hő szállítása gépészeti rendszerekkel történik, ezért jól szabályozható, egész épületre hasznosítható. Ez az úgynevezett hibrid szoláris rendszer. Vákuumpanel? - mögöttes fallal párhuzamos síkokból áll - hátfalra merőleges, sejtszerű vagy kapilláris - durva pórusú (kamrás szerkezetű) - finom pórusú (kvázi-homogén). 46 Fázisváltó anyagok az építésben A működés lényege, hogy a külső környezetben végbemenő hőmérséklet változás hatására a szerkezetben lévő speciális anyag a megfelelő hőmérséklet elérésekor halmazállapotot vált, de mielőtt a halmazállapot változás bekövetkezne, jelentős energiát ad le vagy vesz fel. Ezzel késlelteti a felmelegedést, vagy lehűlést az adott helyiségben. Mondhatjuk, hogy a fázisváltó anyaggal bíró fal, vagy födém hőakkumulátorként és hőcserélőként egyszerre működik: egyrészt hőcsillapítást végez és késleltetési időt biztosít a falszerkezetnek, amely így egy falazott falszerkezet hőtároló tulajdonságaival bír, és akár elraktározza a hőenergiát. A rendszer kiválóan alkalmazható a nagy napi hőingadozás kivédésére Szerves-szerves, szerves-szervetlen, szervetlen-szervetlen összetételben létezik. Szerves PCM-ek (phase-change-materials) Paraffinok (CnH2n+2) és zsírsavak (CH3(CH2)2nCOOH) előnyök kompatibilis a megszokott építőanyagokkal kémiailag stabil biztonságos, nem lép könnyen reakcióba újrahasznosítható hátrányok hő elraktározására kevéssé alkalmas (nem építésbeni szempont) gyúlékony (emiatt tarolása is veszélyes, és nem ajánlott lakó-, vagy más állandó tartózkodásra alkalmas épületeknél) hogy megbízható legyen a fázisváltás hőmérséklete, gondos tervezést, keverést igényel, ami egy drága technológia Szervetlen PCM A vegyi úton előállított PCM a legkülönfélébb építőanyagokba integrálva előfordul: PCM-gipszkartonlapok, PCM-pórusbetontégla, PCM-vakolatok, stb. sóhidrátok (MnH2O) előnyök A grafikon egy PCM-es álmennyezet beépítése után készült, egy felújított irodában, ahol a nagy hőtároló képesség meglévő álmennyezetet cserélték fázisváltó anyagot tartalmazóra. Jól látszik az új olcsó, könnyen előállítható szerkezet csillapító hatása határozott olvadáspont nem éghető hátrányok só bázisú PCM-nél meg kell akadályozni, hogy vízzel 47 érintkezzenek 48 8
Köszönöm a figyelmet! BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék 49 9