KEREKES Attila
tanszéki mérnök, kerekesa@eng.unideb.hu
Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszék, Debreceni Egyetem
Kivonat: A tervezési gyakorlat azzal a feltételezéssel él, hogy a fűtési energiafogyasztás arányos a fokszámmal, más néven a hőfokhíddal. Tény, hogy ez igaz az épületből a környezetbe távozó energiára, azonban ennek három forrás a fedezete: a fűtési rendszer, az épület szoláris nyeresége és a rendeltetésszerű használatból (háztartás) származó hő. A fűtési energiafogyasztás azonban függ a külső hőmérséklet és a globálsugárzás időbeli lefutásától is. Három jellemző földrajzi hely éghajlati adatainak elemzése alapján bemutatásra kerül a pontosabb jellemzés céljából kifejlesztett, időben és a tájolás szerint differenciált „climate severity index” és az időbeli változás jellegét mutató viszonyszámok.
Kulcsszavak: fűtési energiaigény, fokszám, sugárzási nyereség, éghajlati jellemzők, egyszerűsített „climate severity index”
Abstract: Design practice assumes that the heating energy consumption is proportional to the degree day. In fact, this is true for the energy flowing from the building to the environment, but it is covered by three sources:
the heating system, the solar gain of the building and the heat from the internal heat load (household). However the heating energy consumption also depends on the change of the outside temperature and the global radiation, in time. Based on the analysis of the climatic data of three typical geographic locations, the "climate severity index" is presented for differentiated times and orientations, and the ratio showing the characteristic of changings in time.
Keywords: heating energy need, degree day, solar gain, climatic characteristic, simplified climate severity index
1. BEVEZETÉS
A klímaváltozás és a globális felmelegedés felgyorsulásában jelentős szerepet játszik az emberi tevékenységből származó, növekvő CO2 kibocsátás, amely szoros kapcsolatban van a fosszilis energiahordozók felhasználásával. A CO2 kibocsátás csökkentésének elengedhetetlen feltétele a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökkentése. Magyarországon, mint az Európai Unióban is a primerenergia felhasználás közel 40%-át az épületek
Alkalmazása az épületszerkezetek élettartamával megegyező élettartamú megoldást jelent, amely csökkenti az épület fűtési energiaigényét, mérsékli az épület nyári túlmelegedésének kockázatát. Meglévő épület felújításánál alkalmazva az eredeti ablakot megtartva a bontási hulladék elhelyezésének, ártalmatlanításának, újrahasznosításának problémáitól mentes megoldást nyújt. Felszerelése kis mértékben zavarja a lakók nyugalmát. Alkalmazása esetén mód van arra, hogy a levegő az előtét zónán kerüljön átvezetésre. A nyomásviszonyoktól függően kétféle áramút lehetséges: kívülről befelé vagy belülről kifelé. Beáramlás esetén a szellőző levegő előmelegszik – természetesen a konvektív hőfelvétel miatt az előtétzóna
189
hőmérséklete csökken. Kiáramlás esetén a szobából távozó levegő hőt ad le az előtétzónában, az előtétzóna hőmérséklete nő, a távozó levegő hőtartalmának egy része visszanyerhető. [1]
[2] [3] [4].
1. ábra. Az előtétablak és üzemmódjai 2. MÓDSZERTAN
Az előtétablak részletes szimulációs vizsgálata az Energy Plus v.8.4.0 programban felépített modellen történt a következő három európai helyszínre: Debrecen, Leuchars, Bergen. Az egyes helyszínek Köppen féle leíró illetve az ASHRAE specifikus éghajlati osztályait az 1.
táblázat mutatja.
1. Táblázat. Az egyes helyszínek éghajlati osztályai (forrás: a szimulációkhoz használt IWEC állomány - Climate Design Data 2009 ASHRAE Handbook)
Helyszín Köppen
éghajlati osztály
ASHRAE éghajlati osztály
Debrecen {É 47 ° 28 '} {K 21 ° 37'} Dfb 5A
Leuchars {É 56 ° 22 '} {Ny 2 ° 52'} Cfb 5C
Bergen {É 60 ° 17 '} {K 5 ° 13'} Cfb 5C
A vizsgált épületváltozatok: hagyományos falazott falszerkezet, abban kapcsolt gerébtokos ablakkal, előtétablak nélkül (mint kiinduló állapot), és ugyanez a szerkezet kétrétegű üvegezésű előtétablakkal. Az előtétablakos változatnál a puffer és üvegházhatás valamint a szellőzéses üzemmódok kerültek vizsgálatra. A szimulációk lefuttatása három tájolásra (Dél, Észak és Kelet) és 4-35% homlokzati üvegezési arány tartományban történt.
190 3. EREDMÉNYEK
A fűtési energiaigényre kapott eredmények a 2. és 3. ábrákon láthatók. A fűtési energiaigény az eredeti állapotra a nagyobb északi szélesség mentén fekvő helyszínnél nagyobbra adódott.
Az üvegezési arány növelésével a fűtési energiaigény csökken, kivéve az északi tájolást, ahol nem változik számottevően.
Az előtétablak alkalmazásával a fűtési energiaigények a homlokzati üvegezési arány növekedésével meredeken csökkennek minden vizsgált tájolás esetén, ugyanakkor a Debrecen és Leuchars közötti különbség elenyészővé válik, a legmagasabb fűtési energiaigény Bergenben adódott.
A levegő előmelegítés és a távozó levegő hőhasznosítás üzemmódok a helyszínek fűtési energiaigény szerinti sorrendjében, a tájolás és a homlokzati üvegezési arány tekintetében a puffer és üvegházhatással azonos tendenciákat mutatnak.
Ami a különbségeket illeti, látható, hogy Bergen mindig kimagaslóan a legnagyobb fűtési energiaigényt produkálja, a Debrecen és Leuchars viszont kisebb különbséget mutat, sőt vannak esetek amikor a Debrecen-Leuchars sorrendisége is megváltozik.
Fűtési energiaigény [GJ/a]
Homlokzat üvegezési aránya Aü/Ahoml [%]
Jelmagyarázat
2. ábra. Éves fűtési energiaigények eredeti állapotban valamint előtétablakkal puffer-, és üvegházhatás mellett [1]
Eredeti állapot, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Bergen Eredeti állapot, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Debrecen Eredeti állapot, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Leuchars
Puffer-, és üvegházhatás, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Bergen
Puffer-, és üvegházhatás, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Debrecen
Puffer-, és üvegházhatás, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Leuchars
191
Fűtési energiaigény [GJ/a]
Homlokzat üvegezési aránya Aü/Ahoml [%]
Jelmagyarázat
3. ábra. Éves fűtési energiaigények előtétablakkal különféle szellőzéses üzemmódokban [1]
Látható továbbá, hogy az éghajlati osztályok egyáltalán nem tükrözik a fűtési energiaigényre kapott eredményeket (hiszen az éghajlati osztályok alapján Bergen és Leuchars esetében kellene közel azonos eredménynek lennie, Debrecenre pedig ezektől jelentősen különbözőnek).
4. DISZKUSSZIÓ
A tervezési gyakorlatban az épületek fűtési energiaigényének meghatározására használt korábbi módszerek alapja az a megközelítés, hogy a fűtési energiaigény arányos az adott földrajzi helyre jellemző „fűtési hőfokhíddal”. Ez a megközelítés azonban elvileg hibás: ha valami arányos a hőfokhíddal, az az épületből a környezetbe távozó energia, amelynek azonban csak egy részét fedezi a fűtési rendszer, más részét a passzív sugárzási nyereség és az épület rendeltetésszerű használatával együtt járó belső hőterhelések fedik le.
0
Levegő-előmelegítés üzemmód, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Bergen
Levegő-előmelegítés üzemmód, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Debrecen
Levegő-előmelegítés üzemmód, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Leuchars
Távozó-levegő hőhasznosítás üzemmód, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Bergen Távozó-levegő hőhasznosítás üzemmód, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Debrecen Távozó-levegő hőhasznosítás üzemmód, 2 rétegű előtétablakkal, Ufal=1,467W/m2K, Uüv,abl=2,788W/m2K, güv,abl=0,765, Uüv,előtét=2,720W/m2K, güv,előtét=0,764, Leuchars
192
Az éghajlati jellemzők egyike a klimatológusok által „fűtési fokszám”-nak nevezett adat, amely az épületgépészeti szóhasználatnak megfelelően „hőfokhíd” – a félreértések megelőzése végett a továbbiakban „éghajlati hőfokhíd”. Ez éghajlati jellemző: a kívánt belső ti hőmérséklet és a külső te hőmérséklet különbségének integrálja az év azon részére, amikor te<ti (az 4. ábrán beszínezett terület).
4. ábra. Az éghajlati hőfokhíd [5]
Az épületből távozó – az éghajlati hőfokhíddal arányos – energiát az előzőek szerint három forrás fedezi. (5/a. ábra). Az, hogy ebben mekkora hányad jut a fűtési rendszerre, az épületfüggő. Tekintsünk egy „jó” és egy „rossz” épületet, ugyanazon éghajlati feltételek és azonos használati mód mellett. Az épületeket érő sugárzás és az épületek belső hőterhelése azonos. E két forrásból származó energia ti-te belső-külső hőmérsékletkülönbség mellett fellépő veszteséget fedez. A „jó” épületnél ez a hányad nagyobb (mert az épület hőszigetelése jó és/vagy az épület elegendő, jól benapozott transzparens szerkezettel határolt), a „rossz”
épület esetében kisebb (mert annak hőszigetelése gyenge és/vagy nincs megfelelő arányban jól benapozott transzparens határolása).
a. ábra b. ábra
5. ábra. Az épület hőveszteségének lefedése valamint az épületgépészeti fűtési hőfokhíd [5]