Épületek hőenergia fogyasztásának meghatározása

Épületek hőenergia fogyasztását több tényező összegzésével lehet meghatározni. Ezek közül a legfontosabbak figyelembevételével a következő jellemző paramétereket szokásos meghatározni:

• Épületek hővesztesége
• Épületek nettó fűtési hőszükséglete
• Épületek tényleges fűtési hőszükséglete

Épületek hővesztesége

Egy épület hővesztesége egy d napos periódus során az alábbi:

Q_h = 24 (Σk_iA_i + 0.34 • B • V_a) (T_i-T_me)*d (Wh)

ahol a zárójelben szereplő kifejezés első tagja az épület határoló szerkezetein keresztül vezetéssel távozó, un. transzmissziós hőveszteség, míg a második tag a szellőzési hőigény, azaz a szellőző levegő által az épületből eltávolított hő.

A kifejezésben szereplő változók:

k - az épület külső burkolata i-edik elemének hőátbocsátási tényezője (W/m², K)

A - az épület külső burkolata i-edik elemének felülete (m² )

B - átlagos légcsere az épületben (l/h)

V_a - az épület légtérfogata (m )

Ti az átlagos (komfort vagy eredő) hőmérséklet az épületben (°C)

Tme átlagos külső hőmérséklet a vizsgált periódus során (°C)

d - a vizsgált periódus hossza napokban (nap)

Szerk: Az építészek ma gyakrabban használják a 7/2006 TNM rendeletben leírt jelöléseket, amelyek ugyan ezt az összefüggést határozzák meg.

A (k), (Szerk: manapság inkább U) hőátbocsátási tényező értékét az alábbi összefüggés adja:

k vagy U = 1 / (1/α_i + Σ d_j/λ_j + 1/α_i)

ahol α_i belső oldali hőátadási tényező (W/m², °C)

α_e külső oldali hőátadási tényező (W/m², °C)

d_j a j-edik réteg vastagsága (m)

λ_j a j-edik réteg hővezetési tényezője (W/m, °C)

Ha azt a tényt is figyelembe vesszük, hogy az épületek homlokzatán a hőhidak miatt a hővezetés általában nem egydimenziós, akkor az előző kifejezés helyett pontosabb a hőhidak hatását is kifejező alábbi, a ke un. eredő hőátbocsátási tényezőt leíró összefüggés:

k_e vagy U_r = A*k_rt + Σ l_j*k_ij) / A

ahol

A - a belső oldali homlokfelület (m2 )

k_rt - a rétegterv hőátbocsátási tényezője

l_j - a j-edik hőhíd hossza (m)

k_ij - a j-edik hőhíd vonalmenti hőátbocsátási tényezője (W/m)

Szerk: Itt fontos tisztázni, hogy a 7/2006 TNM rendelet a három hőátbocsátási tényezőt ismer: 1) U: hőátbocsátási tényező; 2) U_m: átlagos hőátbocsátási tényező (itt a szerkezeti hőhidak, mint szarufák hatását kell figyelembe venni); 3: U_r: hőhidak hatását kifejező szorzóval korrigált („eredő”) hőátbocsátási tényező (itt kell figyelembe venni a szerkezet geometriai hőhidait). A hőhidaknál jellemzően nem k, hanem ψ jellel jelöljük a vonalmenti hőátbocsátási tényezőt.

Épületek nettó fűtési hőszükséglete

Az épületek tényleges hőszükségletét a hőveszteségek és a hőnyereségek összegeként kapjuk meg. Az épületek hőnyeresége két részből tevődik össze:

• a belső hőfejlődésből és
• a napsugárzási hőnyereségből.

a) A belső hőfejlődés

Az épületen belüli emberi jelenlét (az anyagcsere) és a különböző emberi tevékenységek (világítás, főzés, mosás, hajszárítás, TV stb.) hőfejlődéssel járnak, és így hozzájárulnak az épület fűtéséhez. A felszabaduló hőnek azonban csak egy részét tekinthetjük a fűtés szempontjából hasznosnak (pl. a melegvíz a csatornába távozik, és hőjének nagy része kárba vész).

Legyen az épületben egy adott periódusban disszipálódott hasznos energia mennyisége Q_in (Wh). Ennek az épületen belül felszabaduló energiamennyiségnek köszönhetően a fűtési rendszernek nem kell az előírt T_i hőmérsékletet előállítania, hanem elegendő egy alacsonyabb, T_nh belső hőmérsékletet biztosítania.

Egy adott d nap hosszúságú periódusra a hőnyereség:

Q_inu = 24* d (Σk_i -A_i + 0.34 B*V_a) (T_i - T_nh) (Wh)

Szerk: A 7/2006 TNM rendelet terminológiája szerint a hőigény a belső nyereségek miatt a következő tétellel csökkenthető: Z_F*A_N*q_b; ahol Z_F:a fűtési idény hosszának ezredrésze; A_N: a fűtött terület nagysága; q_b: a belső hőterhelés fajlagos értéke.

b) A napsugárzási (passzív) hőnyereség

A napsugárzásnak köszönhetően egy fűtetlen és lakatlan épületben - kellően hosszú periódust pl. egy hetet vagy 10 napot vizsgálva - a belső hőmérséklet magasabb, mint a külső hőmérséklet.

Gyakran előfordul azonban az is, hogy a napsugárzás következtében túlmelegszik egy helyiség, azaz a rendelkezésre álló szoláris energiának csak egy része hasznosul. Az épületbe bejutó hasznos napenergia mennyisége: Q_sol,u (Wh).

Q_sol,u = 24* d (k_iA_i + 0.34 BV_a) (T_wh - T_em) (Wh)

Ennek a hasznos energiamennyiségnek köszönhetően a fűtetlen és lakatlan épületben a belső hőmérséklet (Twh) magasabb, mint a környezet átlagos hőmérséklete az adott periódusban.

Szerk: A 7/2006 TNM rendelet, illetve egyéb, alaposabb hőtechnikai méretező szoftverek szerint a hasznosítható napsugárzás számításának fenti elméleti igazságán túlmenően részletesen kidolgozott szabályai, eljárási módjai vannak.

Figyelembe véve a hőveszteséget valamint a belső hőfejlődésből és napsugárzásból adódó hő-nyereségeket, meghatározhatjuk egy épület nettó fűtési hőszükségletét:

Q_nh = Q_h - Q_inu – Q_sol,u (Wh)

vagy helyettesítve a kifejezéseket

Q_nh = 24* d (Σk* A + 0.34 BV_a) (T_nh - T_wh) (Wh)

illetve a fogyasztást MJ-ban fejezve ki:

Q_nh = 0.0864d (Σk* A + 0.34 BV_a) (T_nh - T_wh) (MJ)

Épületek tényleges fűtési hőszükséglete

Az előző összefüggés által kifejezett hőszükséglet a valóságban eltér a tényleges hőszükséglettől, mivel a fűtőberendezés hatásfokát is figyelembe kell venni. A tényleges höszükséglet Qec egy adott időtartamra:

Q_ec = Q_nh / η_s

Ebben az összefüggésben η_s a szezonális hatásfok, melynek értéke általában:

η_s=η_ps *η_ds*η_es

ahol η_s - a szezonális hőtermelési hatásfok

η_ds - a szezonális hőelosztási hatásfok

η_es - a szezonális hőemissziós hatásfok

Magától érthetődik, hogy a három hatásfokot jelentősen befolyásolja a szabályozás milyensége és hatásfoka. Ezekre a tényezőkre, mint a tényleges energiafogyasztást lényegesen módosító faktorokra, az energia hatékony felhasználása érdekében, jelentős figyelmet kell fordítani.

Az épületek tényleges fűtési hőszükségletét egész évre (a fűtési időszakra) szokták kiszámolni és a fűtött helyiségek alapterületével osztva az épület éves fajlagos fűtési energiaigényeként (kWh/év, m²) az egyik legfontosabb minősítési adatként kezelik.