Hőtárolás szerepe épületek hűtésében

Tartalom

• Bevezetés
• Falszerkezetek hőtároló képességének hatása a nyári hőkomfort biztosításában
• Padlószerkezet hőkomfortot befolyásoló hatása
• Födémek hőkomfortot befolyásoló hatása
• Irodalomjegyzék

Bevezetés

Amennyiben egy építendő épület tervezése során úgy döntenek, hogy a hőtároló tömeg, mint passzív hűtési stratégia eszközével élni kívánnak (lásd még Stratégiák), nem árt pár definíciót tisztázni.

Általánosan használt anyagoknál a hőtárolás elsődleges formája az épülettömegben tárolt hő, amely a hőtároló tömeg függvénye. Hőtároló tömeg alatt azokat az épületszerkezeteket értjük, amelyek a belső térrel kölcsönhatásba kerülnek, és a beeső napsugárzás, illetve a levegő konvekciója hatására felmelegednek, vagy lehűlnek. A tárolt hő mennyisége a hőmérsékletkülönbség a hővezetési tényező, a felmelegedés/lehűlés fázisideje, az anyag fajhőjének és tömegének függvénye.

Nyáron az épületszerkezetek hőtároló, hőcsillapító képességük révén képesek a nappali hőmérséklet csökkentésére: az éjszakai hűvösebb levegő által lehűtött szerkezetek a nappali melegben csökkentik a belső levegő hőmérsékletét. A nyár legmelegebb hetének külső és belső hőmérsékletét dinamikus épületszimulációs szoftverrel számolva a 1. ábra mutatja be. Egyrészt jól látható, hogy napi görbéket tekintve a belső hőmérséklet csillapítva, de jellegében hasonlatosan követei és külső hőmérséklet ingadozásait, úgy hogy a görbék maximumértékei között fáziseltolódás van. Látható továbbá, hogy a külső levegő gyors változása esetén előfordulhat, hogy a belső hőmérséklet a szerkeze-tekben tárolt hő leadásának is köszönhetően magasabb, mint a külső hőmérséklet.

1. ábra Legmelegebb nyári hét épületszimulációval számított külső és belső hőingadozása  [1: Medgyasszay, 2006]

A hőcsillapítás mértékét pontosan nagyon nehéz meghatározni, azonban szerkezettervezési elvek szintjén jó közelítést ad a hőtároló képesség, illetve a hőtároló tömeg számítása. Az anyagok hőtároló képessége alapvetően tömegtől és fajhőtől függ. Minél nagyobb tömegű és minél nagyobb fajhővel rendelkezik egy anyag, annál több hőt tud felvenni és leadni. Épületszerkezetek esetén un. aktív tömeget veszünk figyelembe a hőtároló képesség kiszámításakor. A hőingadozás napi ciklusideje miatt ugyanis az épületszerkezeteknek teljes keresztmet-szetükben jellemzően nincs idejük átmelegedni, illetve lehűlni. Az MSZ-04-140-2:1991 szerint a napi hőtárolásba az épületszerkezetek azon belső rétege vehető számításba, melynek hővezetési ellenállása R=0,15 m²K/W. Az 1. táblázat jól érzékelteti azt a gyakran előforduló panasz jogosságát, hogy kellő hőtároló kapacitás hiányában nyáron a könnyűszerkezetes épületek, de esetenként a pórusbeton és a soküreges téglából készült épületek is túlzottan bemelegednek.

1. táblázat: Különböző építési anyagok aktív rétegvastagsága és hőtároló tömege egynapos ciklusidőt figyelembe véve (R=0,15 m2K/W esetén). [1: Medgyasszay, 2006]

A hőtároló képesség ezen "aktív tömeg" és az anyag fajhőjének szorzata. Az építõiparban használatos anyagok túlnyomó részének fajhõjére c= 0,84-0,95 kJ/kgK, ezért többnyire csak a hõmérsékletváltozás és a tömeg fordított arányáról szoktak beszélni. (Kivételt a faanyagok képeznek, amelyek fajhõje c 1,7-3,0 kJ/kgK, ezért hõtárolás szempontjából 1 kg fa 2-3 kg betont "ér", megint más kérdés, hogy adott térfogatban-rétegvastagságban csak csekély tömegû fa fér el). [2: Zöld, 1998]

Ki kell hangsúlyozni azt, hogy a hőtároló képesség a helyiséget körbevevő szerkezetek összességéből adódik össze. Szakemberek is hajlamosak arra, hogy a hőtároló képességet csak a falakra értelmezzék. Még a 7/2006 TNM rendeletben definiált "nehéz", vagy "könnyű" kategórát is sokan csak falakra értik. A következőkben látni fogjuk, hogy ez a kép többszörösen nem igaz. A falaknak jelentős szerepük van a hőtárolásban, ugyanakkor lehet úgy tervezni az épületszerkezeteket, hogy a szükséges hőtárolást más szerkezettel, akár a falak hatását teljesen kiküszöbölve, több, mint elégséges mértékben biztosítsuk.

A hőtároló képességet legjobban dinamikus épületszimulációs szoftverekkel tervezhetjük. Ezen programok órára bontott meterológiai adatok alapján számolják ki a belső terek hőmérsékletét, így mód van az egynapos hatáson túlmenően (aktív tömeg) többnapos hőmérséklet változások hatásainak figyelemebe vételére is.

Falszerkezetek hőtároló képességének hatása a nyári hőkomfort biztosításában

A következőkben egy doktori disszertációban megfogalmazott elvek kerülnek bemutatásra, amelyek az építőipar számára is sok esetben új vagy újszerű kijelentéseket tartalmaznak. A megfogalmazott elveket konkrét számokkal példákkal illusztráljuk, amelyeket egy alacsony energia felhasználású ház dinamikus épületszimulációs vizsgálata során kaptunk. A megállapítások első sorban a vizsgálat tárgyához hasonló adottságú (két szinten összesen 110 m²-es lakóház) épületekhez használhatók, más arányú épületek esetén inkább csak tájékoztató adatként értelmezendők!

A szimulációk eredményének értékelése során a falak hőtárolásban szerepet játszó tömegeként a külső hőszigetlő rétegig számított teljes rétegvastagság figyelembe vett véve, mivel többnapos melegek esetén a falak mélyebb rétegei is "aktivizálódnak". A szimulációk alapján kijelenthető, hogy a falszerkezetek jelentős hatással vannak, elsősorban a földszinti hőkomfort biztosításában (2. táblázat).

2. táblázat: Hőkomfort és fűtési energia változása a falszerkezet hőtároló tömegének függvényében [3: Medgyasszay, 2008]

* Hőtároló tömegként a hőszigetelésig terjedő belső szerkezetek összes tömegét vettük számításba

Az 1. ábra tanulsága alapján elmondható, hogy azon falaknál leghatékonyabb a hőtároló tömeg hatása, amelyek tömege a külső hőszigetelés vastagságáig értelmezve kb. 300 kg/m².

2. ábra: A kellemetlen órák száma a falszerkezet hőtároló tömegének függvényében [3: Medgyasszay, 2008]

Padlószerkezet hőkomfortot befolyásoló hatása

A következőkben egy doktori disszertációban megfogalmazott elvek kerülnek bemutatásra, amelyek az építőipar számára is sok esetben új vagy újszerű kijelentéseket tartalmaznak. A megfogalmazott elveket konkrét számokkal példákkal illusztráljuk, amelyeket egy alacsony energia felhasználású ház dinamikus épületszimulációs vizsgálata során kaptunk. A megállapítások első sorban a vizsgálat tárgyához hasonló adottságú (két szinten összesen 110 m²-es lakóház) épületekhez használhatók, más arányú épületek esetén inkább csak tájékoztató adatként értelmezendők!

Az épületszimulációk tanulságai alapján a padlószerkezetek kialakítása jelentős hatással van a nyári belső hőkomfortra, azonban itt a bevezetésben megismert módon a hőtároló tömeggel nem lehet számolni. Általánosan használt padlóban lévő hőszigetelés vastagságok esetén nem működik az a definíció, hogy a hőtároló tömeget az első hőszigetelő rétegig vesszük figyelembe, ugyanis az alatta lévő földrétegek is szerepet játszanak a hőcsillapításban. Tovább bonyolítja a helyzetet, amikor a padlón keresztül távozó hőveszteségeket nem vízszintes, hanem - jellemzően az alaptestek külső síkjában elhelyezett - függőleges hőszigetléssel próbáljuk csökkenteni. Ebben az esetben a padlóba fektetett hőszigetelés vastagsága teljesen elvékonyodhat, és még kevésbé lesz definiálható az "aktív hőtároló rétegvastagság", az "aktív hőtároló tömeg".

A már említett disszertáció számításai szerint a kellemetlen nyári órák számát azzal a stratégiával csökkenthetjük, ha a padlóba vízszintesen fektetett hőszigetelés vastagságát lecsökkentjük, ezzel nagyobb talajréteget tudunk bevonni, elsősorban a földszinti terek nyári hőkomfortjának biztosítására. Jogosan vetődik fel persze ekkor a kérdés, hogy mi lesz akkor a téli hővédelemmel, hiszen egyre inkább köztudott, hogy téli időszakban a padló felé történik az épület hőveszteségének akár 20-30%-a. A megoldás egyik része, hogy az alap melletti függőleges hőszigetelésre mindenképpen nagyobb hangsúlyt kell fektetni. A 3. táblázat jól mutatja, hogy a vizsgált alacsony energiájú ház esetén amennyiben csökkentjük a padlóban lévő hőszigetelés vastagságát, a kellemetlen órák száma radikálisan csökken. Ugyanakkor amennyiben a padlóban elhelyezett hőszigeteléssel egyenértékű vastagságú hőszigetelést az alapok mellett függőleges helyzetben "kompenzáljuk", a téli hőveszteségek nem nőnek jelentősen. Ugyanezt az elvet mutatja kevesebb példával, de grafikusan, szemléletesebben a 3. ábra.

3. táblázat: Hőkomfort a fűtési energia és a padlóhőmérséklet változása a padlószerkezet hőszigetelésének módja és mértéke függvényében [3: Medgyasszay, 2008]

3. ábra: A kellemetlen órák száma padlószerkezet kialakításának függvényében [3: Medgyasszay, 2008]

Az elmúlt években a Belső Udvar Építész és Szakértő Irodában ezen elvek mentén terveztük és építettük épületeinket. A megépült épületek monitoring vizsgálata során a padlószerkezetekre tett megállapítások nagy részt igazolódtak. Amikor a padlóba tervezett hőszigetlést inkább az alaptest mellett helyeztük el (lásd 2. ábra) a téli hőszükséglet lényegesen nem nőtt meg, míg a nyári hőkomfort teljes nyári időszak alatt biztosítható volt. Nem várt hatás volt azonban, hogy a földszinti padló külső élei mentén a felületi hőmérséklet jóval alacsonyabb volt mint gondoltuk, a lakók számára már diszkomfortossá tette az ott tartózkodást. Ezen jelenségek csökentésére a következő további elveket javasoljuk a lábazati csomópontok kialakításakor:

1) Az alaptest melletti hőszigetelésnek a falazaton alkalmazott hőszigeteléssel azonosnak kell lennie. Egyébként a hőáramok a leggyengébb szerkezet felé elindulva nagyon lehűtik a kritikus pontokon a padló hőmérsékletét.

2) Az alaptest melletti hőszigetelést hővédő szoknyákkal és/vagy a padló külső fal melletti hőszigetelés vastagságának növelésével, esetleg a falba épített hőhídmegszakítással javasolt fokozni, hogy a sávalapoknál az alapokon keresztül tapasztalható hőhíd csökkenthető legyen.

Födémek hőkomfortot befolyásoló hatása

A következőkben egy doktori disszertációban megfogalmazott elvek kerülnek bemutatásra, amelyek az építőipar számára is sok esetben új vagy újszerű kijelentéseket tartalmaznak. A megfogalmazott elveket konkrét számokkal példákkal illusztráljuk, amelyeket egy alacsony energia felhasználású ház dinamikus épületszimulációs vizsgálata során kaptunk. A megállapítások első sorban a vizsgálat tárgyához hasonló adottságú (két szinten összesen 110 m²-es lakóház) épületekhez használhatók, más arányú épületek esetén inkább csak tájékoztató adatként értelmezendők!

A szimulációk érdekes eredménye volt, hogy a födém hőtárolása mellett a födém hőszigetelő képessége is nagyon jelentős hatást gyakorol, mind a földszint, mind a tetőtér nyári hőkomfortjára. A 4. táblázat tanulsága szerint a mai gyakorlatban sűrűn előforduló megoldás esetén, amikor egy könnyűszerkezetes födémbe kitöltő, hanggátló anyagként hőszigetlést tettünk (KF15), a földszinten a kellemetlen órák száma alacsony, míg a tetőtérben igen magas volt. Amennyiben azonban a födémbe nagy hőtároló képességű (és rossz hőszigetelő képességű anyagot tettünk, a földszinti kellemetlen órák száma emelkedett ugyan, de a tetőtérben várható kellemetlen időszakok lényegesen nagyobb értékben csökkentek.

Ezen jelenlég magyarázata az, hogy a nehéz födém kiiktatta az épületben lévő hőtechnikai elválasztó réteget, így az épület földszint tetőtér különbsége lényegesen csökkent. A nehéz födém mindenképpen pozitívan értékelendő. A földszinten ugyan jelentősen emelte a kellemetlen órák számát, de a tetőtérben lényegesen csökkentette, és az egész házra vonatkozólag is 16 %-kal csökkentette a hőtechnikailag kritikus időt.

4. táblázat: Hőkomfort változása különböző zónákban, a födémszerkezet kialakításának függvényében [3: Medgyasszay, 2008]

Irodalomjegyzék

1: Medgyasszay, Péter; Novák, Ágnes: Föld-, és szalmaépítészet. Terc Kiadó. Budapest, 2006.

2: Zöld, András: Szoláris Építészet alapjai, 1998.

3: Medgyasszay, Péter: "A FÖLDÉPÍTÉS OPTIMALIZÁLT ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEI MAGYARORSZÁGON - különös tekintettel az építésökológia és az energiatudatos épülettervezés szempontjaira" (PhD disszertáció) Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Budapest, 2008.