ANYAGTÓL A SZERKEZETIG ÉPÜLETFIZIKAI ALKALMAZÁSOK a
SCHWENK ÜVEGGYAPOT TERMÉKEKHEZ
KÉSZÍTETTE : a V-SYS Kft. SZERKESZTETTE : Dr.Várfalvi János PhD. SZERZŐK: Dr.Várfalvi János PhD. ifj. Várfalvi János
2010.
2
TARTALOM 1.
BEVEZETÉS --------------------------------------------------------------------------------------- 3
2.
AZ ANYAG ÉS TULAJDONSÁGAI ---------------------------------------------------------- 5
2.1. Általában az anyagról -------------------------------------------------------------------------------------------- 5 A gyártásról ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 2.1.1. Közvetlen tapasztalatok -------------------------------------------------------------------------------------------- 5 2.1.2. 2.2. Hővezetés az anyagban ------------------------------------------------------------------------------------------ 12 Hőátviteli folyamatok az anyagban -----------------------------------------------------------------------------12 2.2.1. A hővezetési tényező változása a testsűrűség függvényében -----------------------------------------------13 2.2.2.
3.
A HŐVEZETÉSI JELLEMZŐK MEGJELENÍTÉSE ------------------------------------ 14
3.1. A hővezetési tényező deklarált értéke ------------------------------------------------------------------------ 14 A deklaráció fizikai környezete ---------------------------------------------------------------------------------14 3.1.1. A deklaráció méréstechnikai és statisztikai környezete -----------------------------------------------------15 3.1.2. A Schwenk termékek deklarált értékei -------------------------------------------------------------------------15 3.1.3. A hővezetési tényező tervezési értékei ------------------------------------------------------------------------ 16 3.2. Általában a tervezési értékekről ---------------------------------------------------------------------------------16 3.2.1. A Schwenk termékek tervezési értékei -------------------------------------------------------------------------17 3.2.1.
4.
A HŐVEZETÉSI TULAJDONSÁGOKAT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK ------- 17
4.1. A rögzítőelemek hatása ------------------------------------------------------------------------------------------ 18 4.1.1. Általában a rögzítőelemekről ------------------------------------------------------------------------------------18 Rögzítőelemek hőtechnikai hatásának számszerűsítése -----------------------------------------------------18 4.1.2. 4.1.3. Rögzítőelemek hatásának bemutatása --------------------------------------------------------------------------19 4.2.
Légáteresztés anyagon keresztül------------------------------------------------------------------------------- 22
4.3. Hőhidak, hibás kivitelezések ----------------------------------------------------------------------------------- 23 Általában a hibákról -----------------------------------------------------------------------------------------------23 4.3.1. Néhány hibaeset ----------------------------------------------------------------------------------------------------24 4.3.2.
5. A SZELLŐZTETETT TETŐSZERKEZETEK ÉPÜLETFIZIKAI MEGKÖZELÍTÉSE ------------------------------------------------------------------------------------ 34 5.1.
A szellőztetés épületfizikai szempont-rendszere ------------------------------------------------------------ 34
5.2.
A páratechnikai szellőzés főbb tényezői ---------------------------------------------------------------------- 34
5.3.
A hővédelmi szellőzés főbb tényezői -------------------------------------------------------------------------- 39
3
1. BEVEZETÉS Különös magyarázatra nem szorul, hogy napjainkban az energiagazdálkodásnak nagy jelentősége van. Általánosan ismert, hogy az ország energiafogyasztásából az épületek jelentős hányaddal részesednek. Fentiekkel magyarázható, hogy az épületek tervezésénél, kivitelezésénél az energetikai kérdések első helyre kerültek. Az energetikai viszonyokat több tényező együttesen határozza meg. Ezen tényezők közül kiemelkedik a hőszigetelés, illetve a hőszigetelő anyagok szerepe. Általánosan megállapítható, hogy energetikailag hatékony épület hőszigetelő anyagok alkalmazása nélkül nem képzelhető el napjainkban. A megfelelő hőszigetelési teljesítmény szempontjából nagyon fontos, hogy a hőszigetelés „technológiáját” minden vonatkozásban jól ismerjék a szakemberek. Ezzel kapcsolatosan három kérdést is célszerű kiemelni. 1. Csak első olvasatra fogadható el az a megállapítás, hogy egy adott hőszigetelés teljesítmény-növelése annak vastagságával arányos. Az előállított hőszigetelő anyag ugyanis „szerkezeti formában” látja el hőszigetelési funkcióját. Ezen szerkezeti formában való működése során hőszigetelési tulajdonságai megváltozhatnak - romolhatnak. A helyzetet tovább bonyolíthatja, ha a kivitelezés során nem a jó tervezői elképzelés valósul meg, vagy adott épületszerkezeti részlet megoldására a tervező nem a lehető legjobb megoldást választja. A fentiek a hőszigetelési teljesítmény bizonyos csökkenését eredményezik, mellyel kapcsolatosan az alábbi főbb esetek emelhetők ki: a. A hőszigetelés teljesítmény csökkenése fennáll, amelynek mértéke normális. Mérték nagyságára (számszerűsítésére) szükségünk van. b. A teljesítmény csökkenés mértéke nagy, mivel a kivitelezés során az anyaggal kapcsolatos sajátosságokat nem vették figyelembe. c. A teljesítmény csökkenés mértéke nagy, mivel a tervezés során az anyaggal kapcsolatos sajátosságokat nem vették figyelembe. d. A csökkenés mértéke irreálisan nagy, mivel sem a tervezés, sem a kivitelezés során az anyaggal összefüggésbe hozható sajátosságok figyelembevétele nem történt meg. A fentiekkel összefüggésbe előfordulhat az alábbi eset is: A hőszigetelési teljesítmény növelése céljából olyan döntést hoztunk, hogy a hőszigetelés vastagságát 10 cm-ről 12 cm-re növekedjék meg. A fentiekben említett hiányosságok fennállása miatt, a hőszigetelés hatékonysága 30%-kal csökken (ettől nagyobb csökkenés is előfordulhat), akkor valójában egy kb. 8 cm vastag hőszigeteléssel egyenértékű szigetelésünk van, függetlenül attól, hogy azt 12 cm-esnek hisszük.
4 2. Napjaink épületeinél a hőszigetelési teljesítmény lehető legpontosabb megjelenítésére van szükség, melyet az alábbiak támasztanak alá: a. az energetikai teljesítmény számszerűsítését rendelet (7/2006. /V.24./ TNM) írja elő. Elvárható, hogy a megjelenített érték a lehető legpontosabban fejezze ki az energetikai viszonyokat. b. a hőszigetelés az épület energetikai viszonyainak egyik eleme. Mint komponensnek hatása van az egész rendszerre, ezért szükséges a teljesítményének minél pontosabb meghatározása. 3. A hőszigetelés teljesítményének más területekhez kapcsolódóan is kiemelt jelentősége lehet, amely megköveteli a kialakított hőszigetelési rendszer pontos épületfizikai ismeretét. A kapcsolódó területek lehetnek: a. az állagvédelmi kérdések és a hőszigetelés összefüggései, b. a hőérzeti kérdések, c. épületgépészeti rendszerekkel, pl. falfűtés, vagy egyéb technológiákhoz kapcsolódó hőszigetelési kérdések, d. az épület átadás-átvételén szerepet játszó tényező, e. a hőszigetelési teljesítmény és az épület piaci értékének kapcsolódása. A fentiekben említett kérdések akkor kezelhetők megfelelően: • ha jól ismerjük az alkalmazott hőszigetelő anyagot és fizikai tulajdonságait, valamint ezeket figyelembe vesszük a szerkezetalkotási folyamatokban, mind a tervezés, mind a kivitelezés során. • ha a hőszigetelési folyamatokat általánosan ismert, illetve elérhető (szabvány, rendelet, előírás, stb.) szakmai anyagoknak megfelelően jelenítjük meg, mivel így mindig egy definiált szempontrendszeren keresztül kerülnek a jellemző paraméterek meghatározásra. Ennek következtében a különböző alternatív megoldások összehasonlíthatók, illetve a hőszigetelt szerkezet minősítése az építési folyamatban résztvevők számára egyértelművé válik.
5
2. 2.1.
AZ ANYAG ÉS TULAJDONSÁGAI Általában az anyagról
Elméletileg egy építőanyag fizikai tulajdonságain keresztül fejti ki hatását, illetve jeleníti meg magát a szerkezetben. Az épületfizikai számítások is arról szólnak, hogy az építőanyagok fizikai jellemzői egy modellben bemenő adatként szerepelnek, és a modell szempontjából nem kell ismerni szerkezetileg az anyagot. A mindennapi tervezői és kivitelezői gyakorlat szempontjából a fenti, ”anyagnélküli anyag” megjelenítés nem lenne elégséges. Minden anyagban ugyanis benne rejlik az a plusz anyagtani sajátosság, amelyet a hogyan készül kérdésre adott válaszok, az anyag tapintása, darabolása, a szerkezetébe való betekintés stb. szolgáltat, illetve az ezekre alapozott felhasználási ötletek eredményeznek. 2.1.1. A gyártásról Általában az üveggyapot gyártása az alábbi főbb elemekre osztható: Üvegcserép és különböző adalékokból álló keverék megolvasztása. Szálképzés, szálazó centrifugával. A gyűjtőszalagon ülepítés és műgyantával bevonás. Az egyes gyártmánytípusoknak megfelelő sűrűség előállítása céljából a szálhalmaz összenyomása egy adott vastagságra. A polimerizációs kemencében a kötőanyag kikeményítése. Az anyag hűtése, darabolása. Az egyes gyártmányoknál a termék felületére kasírozó anyag felvitele. A fentiekben körvonalazott gyártási folyamat eredménye egy olyan szálhalmaz, amelynek szerkezeti rendszerének fenntartását a benne lévő műgyantakötés jelentősen meghatározza. Formája kisebb erők hatására is megváltozik, amely az anyag összenyomhatóságát, illetve alakíthatóságát eredményezi. 2.1.2. Közvetlen tapasztalatok Az anyaggal való kapcsolat közvetlen tapasztalataként a fentiekben már említett szálhalmaz jelleg, illetve az összenyomhatóság emelhető ki. A szálhalmaz jellegére egyszerű digitális felvételekkel is rá lehet mutatni. Az alábbiakban néhány ilyen jellegű felvétel látható a 2-1.-2-6. képeken. A képeken különböző termékekből kivágott hasábok metszeti felvételei és a technológiai rétegződések is láthatók, amelyek megmutatkoznak mind a
6 szálrendszer párhuzamos tendenciáiban, mind a sárga színű műgyanta eloszlási sajátosságaiban. Kisebb vastagságot leválasztva a szálhalmaz jellegzetességei további részletekkel gazdagodnak. Ha e leválasztott rétegekről digitális felvételeket készítünk, majd felnagyítjuk, a szálrendszer eloszlási jellege is látható (2-7. és 2-8. kép).
2-1. kép DF1 szigetelés
2-2. kép TWR1 szigetelés
7
2-3. kép DF44 szigetelés
2-4. kép KF3 szigetelés
8
2-5. kép TW1 szigetelés
2-6. kép FD3/V szigetelés
9
2-7. kép Kisebb vastagságot leválasztva a szálhalmaz jellegzetességei tovább részletekkel gazdagodnak.
2-8. kép a szálrendszer eloszlási jellege is látható”
10
Az összenyomódás, az alakváltozás szemléltetése egyszerű kísérlettel is megvalósítható. A 2-9. képen látható elrendezéssel egy vízszintes alapra helyezett hőszigetelő anyagot terheltünk le. A terhelést a teherelosztó lap és az arra helyezett pohár víz súlyereje jelentette. A vízszintes alapra helyezett mércével az összenyomódás mértéke leolvasható.
2-9. kép Az összenyomódás egyszerű ellenőrzése
A kísérleteknél az alábbi feltételek voltak alkalmazva: nyomóerő: F = 5N nyomott felület: A = 18x20cm = 0,036m2 nyomás: p≈140 Pa A fenti feltételekkel lefolytatott néhány kísérlet eredményei a 2-1.sz. ábrán láthatók.
11
30
fajlagos összenyomódás (%)
25
20
15
10
5
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
sűrűség (kg/m ) 3
2-1. ábra Az fajlagos összenyomódás egyszerű ellenőrzése
A diagram vízszintes tengelyén a térfogattömeg látható, míg a függőleges tengelyen a fajlagos összenyomódás van megjelenítve. A fajlagos összenyomódás alatt esetünkben az alábbi jellemző értendő: ε=
ahol do (mm) ∆d (mm) ε (%)
∆d * 100 do
/2-1./
a minta névleges vastagsága a vastagság megváltozása (összenyomódása) fajlagos összenyomódás
A diagramban megadott adatok tájékoztató jellegűek, azonban jól mutatják az anyag alakváltozásának sajátosságait, amelyek az alábbiak szerint foglalhatók össze: Kisebb sűrűségnél jelentős az alakváltozás képessége, igen kis terhelésekkel is jelentős alakváltozás idézhető elő. Nagyobb sűrűségnél az alakváltozás jelentősen csökken. Egy bizonyos sűrűségnél az alakváltozás elhanyagolhatóvá válik. Megjegyzés: a fentiek az anyag általános megismerését szolgálják. Az összenyomódás és a terhelés pontos összefüggéseit csak laboratóriumi kísérletekkel határozhatók meg. E vonatkozásban nagyobb rátekintést kapunk
12 az anyag tulajdonságaira, ha mérési eredményeket összefüggésbe hozzuk a megbízhatósági kérdésekkel is.
2.2.
Hővezetés az anyagban
Bár az anyag hőszigetelési tulajdonságait egy tényezővel, a hővezetési tényezővel jellemzik, azonban annak belső szerkezetében a hőátviteli folyamatok több fajtája is előfordul. A hővezetési tulajdonságok sajátosságát az adja, hogy az egyes hőátviteli komponensek milyen teljesítménnyel fordulnak elő a kérdéses üveggyapot termékben. 2.2.1. Hőátviteli folyamatok az anyagban Az anyag szerkezetében kialakuló hőátviteli során az alábbi folyamatok fordulnak elő: hővezetés konvekció hősugárzás Kisebb testsűrűségek esetén nagyobb teljesítménnyel jelenik meg a konvekció, illetve a sugárzás. A „ritkább szálak” esetén kialakuló nagyobb légmozgás természetesnek ítélhető, amely a konvekciós hőcsere növekedését eredményezi. A sugárzási teljesítmény növekedésében szerepet játszik, hogy az egymástól távolabb lévő síkok szálhalmazai is rálátnak egymásra. A testsűrűség növekedésével valószínű mindhárom hőátviteli elem a hőszigetelési teljesítmény javítása, (a hővezetési tényező csökkenése) irányába változik, egy monoton csökkenő jelleget felvéve. A fentiekből az is következik, hogy a szálátmérő csökkentése azonos testsűrűség esetén is javítja a hőszigetelési teljesítményt azáltal, hogy konvekciós folyamatok akadályoztatva vannak a megnövekedett szálak miatt, ugyanakkor a megnövekedett szálsűrűség zavarja a sugárzási folyamatokat is, mivel két tetszőleges sík között több szálsorból álló ”ernyő” képződik. A nagyobb testsűrűségek esetén egyre nagyobb jelentősége lesz a szilárd részek hővezetésének, amelynek következtében a hőátviteli folyamatok nőnek, egy monoton növekvő jelleget kölcsönözve a hővezetési tényezőnek. A fentiekben vázolt folyamatok következtében a hővezetési tényező a testsűrűség függvényében egy olyan sajátos karakteriszikát fut be, amely karakteriszikához minimum érték tartozik.
13
2.2.2. A hővezetési tényező változása a testsűrűség függvényében A szálas anyagokra jellemző, hogy a hővezetési tényezőjük a sűrűség függvényében egy bizonyos határig csökken, majd fokozatosan nőni kezd. Ezen jellegből törvényszerűen adódik egy minimális érték, illetve a minimális értékhez tartozó sűrűség érték. A 2-2. ábrán látható különböző célra készített Schwenk üveggyapot termékekből készített hővezetési tényező-sűrűség karakterisztikus függvény. A függvény csak tájékoztató jellegű, az adatpontokra ráfektetett közelítő görbét jelenti.
0,05
Hővezetési tényező (W/mK)
0,045
0,04
0,035
0,03
0,025
0,02 10
15
20
25
30
35
sűrűség (kg/m ) 3
2-2. ábra A hővezetési tényező változása a sűrűség függvényében.
A fenti összefüggés minimuma ρ=31kg/m3 testsűrűségnél adódik, amely azt jelenti, hogy SCHWENK üveggyapot termékek legkedvezőbb hővezetési tényezői 30-35 kg/m3 testsűrűségek mellett várhatók. Arra vonatkozóan nincsenek adatok, ha egy kisebb testsűrűségű anyagot egy nagyobb testsűrűségűre nyomunk össze, a hővezetési tényezője a fenti diagramban hol helyezkedik el.
14
3. A HŐVEZETÉSI JELLEMZŐK MEGJELENÍTÉSE 3.1.
A hővezetési tényező deklarált értéke
Bár a hővezetési tényező a hőszigetelő anyagok egyik legegyszerűbb épületfizikai jellemzőjének mutatkozik, azonban a konkrét meghatározásánál, illetve megadásánál, már több kérdés tisztázása is felmerül: 1. Milyen hőmérsékleten jelenítik meg a hővezetési tulajdonságokat. 2. Milyen nedvességtartalom mellett jelenítik meg a hővezetést. 3. Hogyan jeleníti meg a hővezetési tényező az anyag szerkezetével (annak változásával) összefüggésbe hozható szórásokat. A fenti kérdésekre adódó válaszok elemzésénél arra a következtetésre lehet jutni, hogy a kérdéskörrel kapcsolatosan bizonyos megkötések teendők, azaz szabályozni kell. Ezen szabályozást foglalja össze az MSZ EN ISO 10456:2008 szabvány, amely kitér a deklarált értékekhez kapcsolódó, un. tervezési értékek meghatározásának kérdéseire is. 3.1.1. A deklaráció fizikai környezete A fentiekből következik, hogy a (deklarált) hővezetési tényező vizsgálatát egy adott fizikai környezetben kell megtenni, melyet az alábbi, 3-1. táblázat foglalja össze. A táblázatban az „usz”, a száraznak minősített minta nedvességviszonyai. Ez az érték az anyag fizikai tulajdonságainak figyelembevételével, a gyártó közreműködésével határozható meg. Az u23,50 érték 23°C-os és 50 % relatív páratartalmú levegő környezettel egyensúlyba került (gyakorlatilag légszáraz) anyag nedvességtartalmát jeleníti meg. Tulajdonságok Hőmérséklet Nedvességtartalom
10°C usz
Megadási feltételek 10°C 23°C u23,50 usz
23°C u23,50
3-1. táblázat Deklarált hővezetési tényezők megadásának fizikai feltételei
A fentiekből következik, hogy a hőszigetelő anyagok deklarált hővezetési tényezőjének két adatot mindig tartalmazni kell: 1. a közepes hőmérsékletet, 2. a nedvességviszonyokra utaló adatot. Megjegyzés: az anyag kifáradásával (öregedésével) kapcsolatos adatok néhány, sajátos esetben előfordulhatnak.
15 3.1.2. A deklaráció méréstechnikai és statisztikai környezete A fenti táblázatból következne, hogy az egyes hőszigetelő anyagokat egy kötött (10 és 23 °C ) közepes hőmérséklet mellett kellene vizsgálni. Az a lehetőség, amely azt biztosítja, hogy a különböző közepes hőmérsékletekre a mérési adatok átszámíthatók, elősegíti, hogy különböző közepes hőmérsékletekkel rendelkező mérési eredmények a deklaráció hőmérsékletén jelenítődjenek meg. Ilyen vonatkozásba a deklarált értékek származtatása nem korlátozza a méréstechnikai környezet, illetve ennek a közepes hőmérsékletekre vonatkozó részét. • A statisztikai környezetet az alábbiak jelentik: o 90%-os tűréstartomány, o 90%-os megbízhatósági szint. A fentiek azt jelentik, hogy a hővezetési tényező tűrését úgy kell megváltoztatni, (esetünkben a hővezetési tényező értékét megnövelni), hogy a nevezett hőszigetelő anyagból több mintán elvégzett vizsgálatok eredményeinek 90%-a, 90%-os megbízhatósággal ebbe a megadott intervallumba esik, melyből következik: • 1 méréssel nem lehet deklarált értéket származtatni. • A deklarált érték mindig nagyobb az átlagos értéknél. • Ugyanazon anyag deklarált értéke függhet a vizsgált minták darabszámától. 3.1.3. A Schwenk termékek deklarált értékei A Schwenk szálas hőszigetelő anyagainak deklarált értékeit az alábbi, 3-2. táblázatban találhatók.
16
Megnevezés DF42 DF-1 KF1 KF2 KF3 DF1 Akustik TWR1 TW1 TP R0 WKP1 WKP2 WKP3 FD1 FD2 FD3 TP T5 TP T58 EP
Hővezetési tényező (W/mK ) 0,042 0,039 0,038 0,034 0,032 0,039 0,037 0,037 0,037 0,037 0,034 0,032 0,037 0,034 0,032 0,035 ez csak osztály 0,035 ez csak osztály 0,032
3-2. táblázat Deklarált hővezetési tényezők
3.2.
A hővezetési tényező tervezési értékei
3.2.1. Általában a tervezési értékekről A hővezetési tényező tervezési értéke az anyag, vagy termék beépítési körülményei, és az adott külső és belső feltételek mellett jellemzi az anyag hővezetési tulajdonságait. A hővezetési tényező tervezési értékét az alábbi módon származtathatók: o deklarált értékekből, amikor származtatást a megfelelő körülményekre való átszámítás jelenti, o mért értékekből, o szabványos, táblázati értékekből. Valamennyi tervezési hővezetési tényező származtatásánál a legfontosabb szempontként az anyag üzemszerű viszonyai során nyert értékek a mértékadók. E vonatkozásban a valós szerkezetek monitoringozásával mért adatok a legértékesebb információk. Az erre vonatkozó szakmai törekvések épületfizikailag mindenképpen támogatandók.
17 3.2.1. A Schwenk termékek tervezési értékei A hőszigetelő anyagok, így a SCHWENK üveggyapot termékek is, igen sokféle szerkezeti változatban, illetve számos épületfizikai feltétel mellett kerülnek felhasználásra. Az egyes hőszigetelési funkcióra való kiépítések gyakorlati megvalósítása különböző tervezői elképzelések mellett történik. A fentieket mérlegelve, célszerűbbnek mutatkozik azon magatartás érvénysülése, amely során az egyes tervezett szerkezetek esetén a tervező által konkrétan meghatározott értékekkel történjen a tervezett állapot jellemzése. A forgalmazónak szándékában áll ezen tervezői értékek meghatározásához segítséget nyújtani, illetve helyszíni monitoringok adatainak, gyűjtésével, értékelésével, a „tervezett környezetet” tovább pontosítani.
4. A HŐVEZETÉSI BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK
TULAJDONSÁGOKAT
A hővezetési tulajdonságokat számos tényező befolyásolja. Ezen tényezőkre az a jellemző, hogy hőtechnikai hatásuk abszolút értéke a szerkezet felépítésén, a kivitelezés minőségén keresztül jelenik meg, bár relatíve a szerkezet rétegrendi hőátbocsátási tényezőjéhez, azaz gyakorlatilag az alkalmazott hőszigetelés teljesítményéhez mérjük. A fentiekből az alábbiak következnek: ♦ A szerkezetek és kivitelezések sokfélesége miatt ezen hatások is sokféleképpen jelenhetnek meg. ♦ Ugyanazon hővezetési tulajdonságot befolyásoló tényező egy kisebb hőszigetelési teljesítményű szerkezetnél még elfogatható többlet hőáramot eredményez, míg vastagabb hőszigetelésekkel ellátott szerkezeteknél már ez egy megengedhetetlen kategóriába sorolhatja a szerkezetet. A hővezetési tulajdonságokat befolyásoló tényezőkkel kapcsolatosan mind tervezői, mind kivitelezői vonatkozásban megfelelő szakmai hozzáállást kell kialakítani. A legnagyobb energetikai hibák az alábbiakkal jellemzett viszonyból adódnak: ♦ Egyáltalán nem veszünk tudomást, hogy vannak a hővezetési tulajdonságot befolyásoló - esetünkben rontó- tényezők, és a szerkezetet a rétegrendi hőátbocsátási tényezőkkel jelenítjük meg.
18 ♦
Nem foglalkozunk a várható legnagyobb hibák hatásával, amelynek adatain keresztül éppen ezen kérdéskörben rejlő kockázatokra lehetne rámutatni.
A következőkben a fenti kérdések kerülnek megvilágításra, néhány egyszerű példán keresztül.
4.1.
A rögzítőelemek hatása
4.1.1. Általában a rögzítőelemekről Épületfizikai szempontból megközelítve, a rögzítőelem alatt is több megközelítés említhető. Alapvetően megkülönböztethetünk fém és műanyag rögzítőelemeket - épületszerkezeti szempontból még szélesíthetők a megkülönböztetések szempontjai. A fémrögzítések hőtechnikailag nyilvánvalóan kedvezőtlenebbek a műanyag rögzítéseknél, és ebből kiindulva, úgy látszik, hogy célszerű e két csoportot kiemelni. Azonban az alkalmazott műanyagok között is találhatók különböző hővezetési tényezővel rendelkező anyagok, pl. polietilén, illetve az üvegszálerősítésű poliamid, amelyek árnyalják a műanyagok csoportját. A fém rögzítőelem elnevezés sem tekinthető hőtechnikailag egyértelműnek, mivel az acél 50-60 W/mK hővezetési tényezője mellett vannak olyan koracélok, amelyek hővezetési tényezője a fenti érték harmada. Amennyiben olyan koracél kerülne alkalmazásra, amelynek hővezetési tényezője lényegesen kisebb az acélnál, az ilyen rögzítést épületfizikailag nem sorolhatunk általánosan a fém rögzítőelemek közé. A fentiek szakszerű hőtechnikai kezelése akkor mutatkozik megfelelőnek, ha a rögzítőelemekből, illetve szerkezeti elrendezésekből adódó sokféle változatot katalógusszerű feldolgozások segítik az építési szakember munkáját. 4.1.2. Rögzítőelemek hőtechnikai hatásának számszerűsítése A rögzítőelemek hőtechnikailag pontszerű hőhídnak tekinthetők. Az ilyen szerkezetek ponthidak hatását figyelembevevő eredő hőátbocsátási tényező az alábbiak szerint számítható:
U R = U 0 + Ψp * n 1 ahol: UR U0 Ψp n1
/4-1./
a vizsgált falszakasz eredő hőátbocsátási tényezője a vizsgált falszakasz rétegrendi hőátbocsátási tényezője a hőhíd pont hőátbocsátási tényezője (W/K) az 1m2-re eső pont hőhidak száma
19 A /4-1./ összefüggés második tagja a hőhidak következtében létrejövő növekmény hőveszteséget (∆U) jelenti. E növekmény a rétegrendi hőátbocsátási tényező százalékában is kifejezhető az alábbiak szerint:
∆U 0 [%] =
Ψp * n 1 U0
* 100
/4-2./
4.1.3. Rögzítőelemek hatásának bemutatása A rögzítőelemek hőtechnikai hatása általános megközelítésben egyszerűen megfogalmazható, nevezetesen, a rögzítés a rendszerben lévő valamennyi elem (rögzítőelemek és falszerkezeti elemek) geometriai megjelenésétől, illetve a felépítő valamennyi anyag (rögzítőelemek és falszerkezeti elemek) hővezetési tulajdonságaitól függ. A fentiekből következik, hogy a rögzítőelemekkel kapcsolatosan nagyszámú szerkezeti változat állítható össze. Tekintettel arra, hogy jelen anyagban e nagyszámú változat vizsgálatára nincs mód, a következőkben ismertetett egyszerű modellünk segítségével mutatunk rá az egyes szerkezeti tényezők szerepére. A 4-1. ábrán látható a vizsgált modell sémája.
4-1. ábra Elvi séma, a vizsgált modell főbb jellemzőiről
20
Egy 5 mm átmérőjű fémhuzal döfi át a hőszigetelést, amelyet kétféle vastagságban (100 és 200 mm) vizsgálunk. További vizsgálatok tárgya még, hogy a fémrögzítőt fogadó szerkezet milyen hővezetési tulajdonságokkal rendelkezik. Esetünkben egy vasbeton falszerkezetet, illetve egy téglafalat vettünk figyelembe, azzal a megkötéssel, hogy a téglafal hővezetési tényezője a vasbeton hővezetési tényezőjének éppen a fele. A rögzítőelem a külső oldalon a falazathoz csatlakozik. A hőszigetelésen kívüli túlnyúlása 100 mm. A modellt úgy egyszerűsítjük, hogy azt tételezzük fel, hogy a hőszigetelésen kívül eső rögzítőelem-rész a külső levegővel közvetlenül érintkezik. Bár a rögzítőelem viszonylag egyszerű szerkezeti konfigurációban jelenik meg, hőtechnikai viszonyainak vizsgálata 3D-s numerikus szimulációt követel meg. A szimulációkat elvégezve, az eredmények az alábbi, 4-1. táblázatban vannak megjelenítve, a hőszigetelés anyagát 0,039 W/mK hővezetési tényezővel vettük figyelembe. Hőszigetelés vastagsága [ cm ] 10 20
A hőhíd Ψp értéke [ W/K ] téglafal VB fal 0,0156 0,0194 0,0119 0,0134
4-1. táblázat A különböző változatok pont hőátbocsátási tényezői
A táblázati adatok alapján az alábbi megállapítások tehetők: o Azonos vastagságú hőszigetelés esetén, a VB falba épített rögzítésnek nagyobb a hőhíd pont-hővezetési tényezője. Ez azzal magyarázható, hogy a fémpálcán távozó hőáram attól is függ, hogy a jó hővezető pálcához milyen módon vezetődik oda a hő. Ezt a vezetést a falszerkezet anyaga végzi, amelyről tudjuk, hogy az esetünkben vizsgált beton szerkezet hővezetési tényezője éppen 2-szer nagyobb a téglafal hővezetési tényezőjétől. o Azonos anyagú falszerkezet esetén, a vastagabb hőszigetelés rögzítőelemének kisebb a hőhíd pont hővezetési tényezője. Ez azzal magyarázható, hogy a vastagabb hőszigeteléshez tartozó hosszabb rögzítőelem nagyobb ellenállással rendelkezik. Mint a fentiekben is megemlítésre került, a rögzítés energetikai szerepét az a paraméter határozza meg, amely megmutatja, hogy a rétegrendi hőátbocsátási tényezőhöz viszonyítva mennyivel nőtt meg a vizsgált szerkezetszakasz hővesztesége. A számításokat n1=7 esetre (1m2-en 7 rögzítőelem) elvégezve, az eredményeket az alábbi, 4-2. táblázatban vannak összefoglalva. Hőszigetelés
∆U0(%)
21 vastagsága [ cm ]
téglafal
VB fal
10 20
33% 46%
38% 50%
4-2. táblázat Hőátbocsátási tényező növekmények különböző rögzítési változatok esetén
A táblázati adatok alapján az alábbi megállapítások tehetők: o A téglafal és VB fal között a különbség mintegy 5%pont. Figyelembe kell azonban venni, hogy az általunk vizsgált esetben a téglafal hővezetési tényezője 0,8 W/mK volt, de vannak ettől lényegesen kisebb hővezetési tényezővel rendelkező falszerkezetek is, amelyeknél a különbség tovább fog nőni. Ezek az adatok is azt mutatják, hogy a pontos számítások esetén a fogadó falszerkezet hővezetési tulajdonságai nem hanyagolhatók el. o A hőszigetelés vastagságának változása 12-13%pont-os különbséget eredményezett a vizsgált modell esetén, úgy, hogy nagyobb vastagságoknál nőtt a rétegrendi hőátbocsátási tényező romlása. Ezt azért is szükséges hangsúlyozni, mert a „Ψp” értékei éppen fordítottan változtak. Az előzőekből kitűnt, hogy a rögzítőelemek hatása több tényező eredményéből alakul ki. Tekintettel arra, hogy a legkézenfekvőbb hatás a hőszigetelő anyag szigetelésének romlásában mutatkozik meg, a számított eredmények ilyen vonatkozásban is kiértékelhetők. Ezzel kapcsolatos kérdés úgy fogalmazható meg, hogy mennyivel rontja a hőszigetelő anyag hővezetési tényezőjét. A számítások eredményei a 4-3. táblázatban vannak összefoglalva ez esetben is n1=7 esetre vonatkozóan. ∆λ(%)
Hőszigetelés vastagsága [ cm ]
téglafal
VB fal
10 20
44% 54%
44% 54%
4-3. táblázat A hőszigetelési tényező romlása a tervezési %-ban
A táblázati adatok alapján az alábbi megállapítások tehetők: o Az adott modellen a hőszigetelésben kialakuló romlás gyakorlatilag csak a hőszigetelés vastagságától függött. o A hőszigetelő anyag hővezetési tényezőjének százalékos növekedése jelentős, amely arra hívja fel a figyelmet, hogy a rögzítőelemek hőtechnikai hatása nem hanyagolható el.
22
4.2.
Légáteresztés anyagon keresztül
Szálas szerkezetű anyagokon keresztül a külső térből a belső tér irányába, ha a szerkezet egyéb elemei ezt lehetővé teszik-, légáramlás indulhat meg, a kialakuló nyomáskülönbségek hatására. Amennyiben nagyobb épületmagasságról van szó, vagy fekvése miatt a szél hatásának ki van téve, akkor jelentősebb nyomáskülönbségekkel lehet számolni. Ilyen esetben a transzmissziós és filtrációs energiaáramok együttesen alakulnak ki, amelyek egymásra hatása megváltoztatja mind a hőmérsékleti, mind az energetikai viszonyokat. A belső térből kialakuló vezetéses hőáram megváltozik, amely változás a levegő felmelegítésére fordítódik. Ezen egyenlőséget a hőtechnikai összefüggésekkel felírva, az alábbi összefüggéshez jutunk:
e c*W*Rx − 1 t x = t e + (t i − t e ) c*W*Ro −1 e ahol: tx ti te c W Ro Rx
/4-1./
hőmérséklet a tetszőleges „x” koordinátájú síkban, belső hőmérséklet, külső hőmérséklet, a levegő fajhője térfogatra vonatkoztatva, 1m2 felületre eső térfogatáram, a teljes szerkezet hőátviteli ellenállása, a szerkezet ellenállása a külső levegő és az „x”-dik réteg között.
A /4-1./ összefüggés alapján a szerkezet az infiltrációs hőátbocsátási tényezője (Uinf) meghatározható, amelyet az alábbi, /4-2./ összefüggéssel számítható.
cW * e c*W*Ro /4-2./ U inf = c*W*Ro −1 e A /4-2./ összefüggés az összetett tényezői miatt egyszerűen nem látható át. Ha általánosan kívánjuk az infiltrációs viszonyok energetikai hatását megközelíteni, akkor nyilvánvalóan két szempontot mindenképpen a vizsgálat tárgyává kell tenni: 1. Hogyan függ a filtrációs hőátbocsátási tényező szerkezet rétegrendi hőátbocsátási tényezőjétől. 2. Milyen hatása van az 1m2-re eső infiltrációs levegő levegőforgalomnak. A fenti kérdésekre való válaszban segítséget jelentenek a 4-2. ábrán megrajzolt görbék.
23
2 1,8 1,6
1,2
2
Uinf (W/m K)
1,4
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Uo (W/m2K) W=1 m3/m2h
W=2 m3/m2h
W=3 m3/m2h
W=4 m3/m2h
4-2. ábra Az infiltráció hatása a rétegrendi hővezetési tényezőre
A diagram alapján az alábbi lényeges megállapítások tehetők: ♦ A légáteresztésnek jelentős hatása lehet a szerkezet hőátbocsátási tényezőjére, ez a hatás olyan mértéket is elérhet, amellyel kapcsolatosan utólagos beavatkozások nem nélkülözhetők. ♦ Kisebb rétegrendi hőátbocsátási tényezők esetén, már a légáteresztés hatása a meghatározó, ami azt jelenti, hogy a filtrációs hőátbocsátási tényező állandósul. ♦ A kis rétegrendi hőátbocsátási tényezők esetén, a filtráció hatása jelentősebben érvényesül. Ennek azért fontos, mert ez a hatás éppen akkor érvényesül, amikor nagy hőszigetelő vastagság alkalmazásával az energiatakarékossági célok megvalósítása kerülnek előtérbe.
4.3.
Hőhidak, hibás kivitelezések
4.3.1. Általában a hibákról Az épületszerkezetek hőszigetelése során mindig adódhatnak kisebb hibák, amelyek elsősorban azzal magyarázhatók, hogy a hőszigetelés elhelyezése során hiányzik az általánostól gondosabb, tudatosabb hozzáállás a kivitelezést végző szakembertől. Vagy abból, hogy a terv nem megfelelően kezelte a kérdéses szerkezeti viszonyokat. Ezek a „speciális helyzetek” szerkezeti/kivitelezési elemzésekkel egyszerűen feltárhatók. E vonatozásban
24 akkor járunk el helyesen, ha az ebből adódó energetikai (esetleg állagvédelmi, és hőérzeti) vonzataira megfelelő rálátást szerzünk. Ennek ismeretében dönthető el, hogy a kérdéses esetben elegendő-e a hőszigetelés hővezetési tényezőjének tervezési értékébe a hatást beépíteni, vagy nagy épületfizikai kockázat esetén, a kivitelezés ellenőrzését ennek tudatában szervezni. Egyes esetekben a meghibásodások kockázatát csökkentheti, ha a tervezés során a kérdéses szerkezet hőszigetelés oldaláról célirányosabb feldolgozásra kerül. A következőkben ismertetésre kerülő példák célja annak bemutatása, hogy a hőszigetelés hiányosságokkal kapcsolatos egyes épületfizikai tényezők a különböző szerkezeti helyzetekben hogyan jelennek meg. Az egyszerűbb feldolgozhatóság céljából néhány közelítés is alkalmazásra került, ilyenek pl. o a hőszigetelés hiányosság helyére kerülő levegő, amelynek hatását egy intenzívebben mozgó levegővel helyettesítettünk, utalva arra, hogy szálas szerkezetű anyagkörnyezetben ez ki is alakulhat o a különböző szerkezeti síkok kapcsolatának egyszerűsítése. 4.3.2. Néhány hibaeset A tetőhéjazat csatlakozásánál a hőszigetelés hiányzik A hibás szerkezeti viszonyokat a 4-2. ábra mutatja.
25 4-2. ábra Tetőhéjazat csatlakozásánál a hőszigetelés hiányzik
A hibás szerkezet jellemzése: ♦ A kivitelezés során a jelölt szakaszon nem került hőszigetelés elhelyezésre. ♦ A szaruzat alatti hőszigetelés hőtechnikai viszonyait több szerkezeti elem is rontja. E rontás számszerű értékének vizsgálatát ez a példa nem tartalmazza, hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,047 W/mK. A szigetelés vastagsága: 10cm ♦ A szaruzat közötti hőszigetelés hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,039 W/mK. Vastagsága:15cm Elvégezve a csomópont kétdimenziós számítógépes szimulációval történő vizsgálatát, a lényegesebb hőtechnikai paraméterek az alábbi értékekkel közelíthetők: (megjegyzés: a szimuláció során nem említett szerkezeti elemek hőtechnikailag egyszerűbben lettek figyelembe véve.) A vizsgált modell legalacsonyabb hőmérsékletei: Hiba nélkül kivitelezve: a hőmérséklet (ti=20°C, te= -5°C): tH= 18,48°C a hőmérséklet sajátléptékben: ΘH= 0,939 Hibásan kivitelezve: tH= 18,35°C a hőmérséklet (ti=20°C, te= -5°C): a hőmérséklet sajátléptékben: ΘH= 0,934 A vizsgált modell vonalmenti hőátbocsátási tényezői: Hiba nélkül kivitelezve: ΨH=0,0343 W/mK Hibásan kivitelezve: ΨH=0,0401 W/mK Rövid értékelés: A fenti adatok alapján megállapítható, hogy a hiba a belső hőmérsékleti viszonyokat lényegesen nem változtatja meg. Ha ezen a hibás szerkezeti szakaszon penészesedés alakul ki, akkor a hőszigetelési hiány pótlásával nem szüntethető meg, mivel annak más oka is van, és azon okokat is meg kell szüntetni. Az energetikai viszonyokra a hőszigetelési hiányosságnak nagyobb a hatása. E szerkezeti csomópont miatt kialakuló többlet hőveszteséget a hőszigetelési hiányosság 17%-kal növeli meg.
26 A vízszintes – ferde hőszigetelések csatlakozási hőszigetelés hiányzik A hibás szerkezeti viszonyokat a 4-3. ábra mutatja.
vonalában
a
4-3. ábra Hiba, a vízszintes és ferde hőszigetelések csatlakozási vonalában
A hibás szerkezet jellemzése: ♦ A kivitelezés során a jelölt szakaszon nem került hőszigetelés elhelyezésre. ♦ A szaruzat alatti hőszigetelés hőtechnikai viszonyait több szerkezeti elem is rontja. E rontás számszerű értékének vizsgálatát ez a példa nem tartalmazza, hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,047 W/mK ♦ A szaruzat közötti hőszigetelés hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,039 W/mK. Elvégezve a csomópont kétdimenziós számítógépes szimulációval történő vizsgálatát, a lényegesebb hőtechnikai paraméterek az alábbi értékekkel közelíthetők: (megjegyzés: a szimuláció során nem említett szerkezeti elemek hőtechnikailag egyszerűbben lettek megjelenítve. a csatlakozási síkok 90°-os csatlakozással modellezve.) A csomópont legalacsonyabb hőmérsékletei: Hiba nélkül kivitelezve:
27 a hőmérséklet (ti=20°C, te= -5°C): a hőmérséklet sajátléptékben:
tH= 18,78 °C ΘH= 0,951
Hibásan kivitelezve: a hőmérséklet (ti=20°C, te= -5°C): a hőmérséklet sajátléptékben:
tH=18,32 °C ΘH= 0,933
A vizsgált modell vonalmenti hőátbocsátási tényezői: Hiba nélkül kivitelezve: ΨH=0,0315 W/mK Hibásan kivitelezve: ΨH=0,0489 W/mK Rövid értékelés: A hiba a belső hőmérsékleti viszonyokat lényegesen nem változtatja meg. Az energetikai viszonyokra a hőszigetelési hiányosságnak nagyobb a hatása. E szerkezeti csomópont miatt kialakuló többlet hőveszteséget a hőszigetelési hiányosság 55%-kal növeli meg.
28
A bordaváz mögött a belső hőszigetelés hiányzik A hibás szerkezeti viszonyokat a 4-4. ábra mutatja.
4-4. ábra Bordaváz mögött a belső hőszigetelés hiányzik
A hibás szerkezet jellemzése: ♦ A kivitelezés során a jelölt szakaszon nem került hőszigetelés elhelyezésre. ♦ A szaruzat alatti hőszigetelés hőtechnikai viszonyait több szerkezeti elem is rontja. E rontás számszerű értékének vizsgálatát ez a példa nem tartalmazza, hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,047 W/mK ♦ A szaruzat közötti hőszigetelés hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,039 W/mK. Elvégezve a csomópont kétdimenziós számítógépes szimulációval történő vizsgálatát, a lényegesebb hőtechnikai paraméterek az alábbi értékekkel közelíthetők: (megjegyzés: a szimuláció során a hőszigetelési hiányosság hőtechnikai hatása, a fa bordával együtt jelenik meg. ) A csomópont legalacsonyabb hőmérsékletei: Hiba nélkül kivitelezve:
29 a hőmérséklet (ti=20°C, te= -5°C): a hőmérséklet sajátléptékben:
tH=19,50 °C ΘH= 0,980
Hibásan kivitelezve: a hőmérséklet (ti=20°C, te=-5°C): a hőmérséklet sajátléptékben:
tH=19,50 °C ΘH= 0,980
A vizsgált modell vonalmenti hőátbocsátási tényezői: Hiba nélkül kivitelezve: ΨH=0,0003 W/mK Hibásan kivitelezve: ΨH=0,0028 W/mK Rövid értékelés: A belső felületi hőmérsékletek vonatkozásában a különbség a hibahatáron belül alakul ki, ezért ezt az értéket a hiba nélkül kivitelezett értékkel azonosnak van megjelenítve. A hibás változat vonalmenti hőátbocsátási tényezője abszolút értékben bár kicsi, azonban a hiba nagy számú ismétlődése esetén számottevő értéket eredményezhet.
30
Illesztési hézag a külső hőszigetelésben A hibás szerkezeti viszonyokat a 4-5. ábra mutatja.
4-5. ábra Bordaváz mögött a belső hőszigetelés hiányzik
A hibás szerkezet jellemzése: ♦ A kivitelezés során a jelölt szakaszon nem került hőszigetelés elhelyezésre. ♦ A szaruzat alatti hőszigetelés hőtechnikai viszonyait több szerkezeti elem is rontja. E rontás számszerű értékének vizsgálatát ez a példa nem tartalmazza, hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,042 W/mK ♦ A szaruzat közötti hőszigetelés hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,038 W/mK. ♦ A hőszigetelési hiányosság vastagsága: 5 cm Elvégezve a csomópont kétdimenziós számítógépes szimulációval történő vizsgálatát, a lényegesebb hőtechnikai paraméterek az alábbi értékekkel közelíthetők: A csomópont legalacsonyabb hőmérsékletei: Hiba nélkül kivitelezve: a hőmérséklet (ti = 20°C, te = -5°C): tH=18,48 °C a hőmérséklet sajátléptékben: ΘH= 0,939 Hibásan kivitelezve: a hőmérséklet (ti = 20°C, te = -5°C): tH= 18,35 °C
31 a hőmérséklet sajátléptékben:
ΘH= 0,934
A vizsgált modell vonalmenti hőátbocsátási tényezői: Hiba nélkül kivitelezve: ΨH = 0,00 W/mK Hibásan kivitelezve: ΨH = 0,0265 W/mK Rövid értékelés: A hiba hőmérsékleti hatása elhanyagolható. A vonalmenti hőátbocsátási tényező értéke abszolút értéke bár nem nagy, de ha a rések hossza 1m2 tetőfelületre vonatkoztatva eléri a 0,5m-t, a rétegrendi hőátbocsátási tényező kb.10%-kal nő meg. A rés szélességének növekedésével a hiba energetikai hatása rohamosan nő. 20cm résméret estén a hiba a fenti érték 10-szeresét is elérheti.
32 A talpszelemen előtt hőszigetelés hiányzik A hibás szerkezeti viszonyokat a 4-6. ábra mutatja.
4-6. ábra A talpszelemen előtt hőszigetelés hiányzik
A hibás szerkezet jellemzése: ♦ A kivitelezés során a jelölt szakaszon nem került hőszigetelés elhelyezésre. ♦ A szaruzat alatti hőszigetelés hőtechnikai viszonyait több szerkezeti elem is rontja. E rontás számszerű értékének vizsgálatát ez a példa nem tartalmazza, hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,047 W/mK ♦ A szaruzat közötti hőszigetelés hővezetési tényezőjének figyelembevett tervezési értéke: 0,039 W/mK. ♦ A térdfal 0,197 W/mK hővezetési tényezővel lett figyelembe véve. Elvégezve a csomópont kétdimenziós számítógépes szimulációval történő vizsgálatát, a lényegesebb hőtechnikai paraméterek az alábbi értékekkel közelíthetők: (megjegyzés: a szimuláció során nem említett szerkezeti elemek hőtechnikailag egyszerűbben lettek megjelenítve, a csatlakozási síkok 180°-os csatlakozással modellezve.) A csomópont legalacsonyabb hőmérsékletei: Hiba nélkül kivitelezve: a hőmérséklet (ti= 20°C, te= -5°C): tH= 18,46 °C a hőmérséklet sajátléptékben: ΘH= 0,938 Hibásan kivitelezve: a hőmérséklet (ti=20°C, te= -5°C):
tH= 18,71 °C
33 a hőmérséklet sajátléptékben:
ΘH= 0,948
A vizsgált modell vonalmenti hőátbocsátási tényezői: Hiba nélkül kivitelezve: ΨH= 0,046 W/mK Hibásan kivitelezve: ΨH= 0,054 W/mK Rövid értékelés: A fenti adatok alapján megállapítható, hogy a hiba a belső hőmérsékleti viszonyokat a várható tendenciától eltérően változtatja meg. Ez abban mutatkozik meg, hogy hibás kivitelezés változatában a legalacsonyabb hőmérséklet mintegy 0,2 K-nel magasabb a hibátlan kivitelezés változatánál. Ez azzal magyarázható, hogy a „meleg” vb. koszorúról a hibaként megjelenő levegő hőmennyiséget szállít a legalacsonyabb hőmérsékleti helyre. Nyilvánvalóan az átlagos felületi hőmérséklet vonatkozásában már helyreáll a megszokott tendencia, nevezetesen, a hibás szerkezet átlagos felületi hőmérséklete lesz az alacsonyabb. Ez jut kifejezésre abban, hogy a többlet hőveszteséget a hőszigetelési hiányosság 16%-kal megnöveli.
34
5. A SZELLŐZTETETT TETŐSZERKEZETEK ÉPÜLETFIZIKAI MEGKÖZELÍTÉSE 5.1. A szellőztetés épületfizikai szempont-rendszere
Épületfizikai oldalról megközelítve, a szellőztetett tetőszerkezetekhez egy jól definiálható szempont-rendszer kell felépíteni. E szempontrendszer az alábbi stratégiai célok köré építhető fel a kérdéses szerkezet sajátosságainak megfelelően. 1. A tetőszerkezet páratechnikai működésének elősegítése, az ún. (pára) kiszellőztetés funkció biztosítása. 2. A tetőszerkezet nyári hővédelmének fokozása, a „komfort tető” kialakítása. A helyes épületszerkezeti tervezés egyik legfontosabb eleme, a fenti stratégiai cél meghatározása. Spontán, -a célok tudatos megvalósítása nélkül-, az épületfizikai elvárásoknak, illetve egyéb építészeti elvárásoknak, optimálisan megfelelő szellőztetett tetőszerkezet csak kis valószínűséggel alakítható ki. A stratégiai cél meghatározása (kiválasztása) után az adott szerkezeti sajátosságok figyelembevételével kell a konkrét szempont-rendszert kialakítani. E szempont-rendszer meghatározásához, illetve szerkezet épületfizikai működésének követéséhez, az alábbiakban néhány tényező szerepe kerül megvilágításba. Páratechnikai Hővédelmi
5.2. A páratechnikai szellőzés főbb tényezői Lényeges hangsúlyozni, hogy a szellőző légréteg kiépítése önmagában még nem garantálja a pára kondenzáció elkerülését a szerkezetben. Ha ugyanis egy szellőző térben ki tud alakulni a 100%-os relatív páratartalom, a vízgőz kicsapódása nem kerülhető el. A légrétegben levegő telítettségének elkerülését e légréteg megfelelő, (100%-nál kisebb) relatív páratartalmon történő tartása jelenti. Ezt a „megfelelő állapotot” meg lehet (meg kell!) tervezni. A tervezés során az alábbi „törvényt”-nek kell eleget tenni. A légrétegben áramló levegő nedvességmérlegét jellemző nedvességtartalom a telítettség alatti állapotot határozzon meg. Az alábbi, 5-1. ábrán a szellőző légréteg nedvességmérlegének komponensei láthatók, amelyek között az alábbi egyenlet teremt kapcsolatot. /5-1./ WKI = WBE + WBT Ahol: WKI a szellőző légrétegből kilépő vízmennyiség WBE a szellőző légrétegből belépő vízmennyiség
35 WBT a szellőző légrétegből a belső térből belépő vízmennyiség WKI
WBT
WBE
5-1. ábra A szellőző légréteg nedvességmérlege
Az /5-1./ egyenletnek úgy kell teljesülni, hogy az alábbi egyenlőtlenség is fenn álljon. /5-2./ WKI 〈 WTEL Ahol: WTEL a telítési állapothoz tartozó nedvességtartalom Az /5-1./ egyenlet az alábbi módon is írható: /5-3./ WKI − WBE = WBT Az /5-3./ egyenlet azt fejezi ki, hogy a belső térből érkező nedvesség mennyiségnek a szellőző levegő által felvett vízmennyiséggel kell azonosnak lenni. Tekintettel arra, hogy téli viszonyok között a levegő nedvességtartalma közel van a telítési értékhez, ez a nedvességtartalom változás nem lehet jelentős. Az 5-2. ábrán látható diagramban egy ilyen lehetséges nedvességtartalom változás van megjelenítve. Az ábra alapján megállapítható, hogy 1kg levegő által elszállítható vízgőzmennyiség, - amennyiben a légrésben a levegő felmelegedése 0°C-ot ér el- , ∆x1=1g-mal egyenlő. Az /5-3./ összefüggésben a (Wki - Wbe ) különbséget a szellőző levegő teljesítménye (L), illetve a „∆x1” szorzataként kapjuk. Megjegyzés: a szellőző levegő teljesítményénél a kg/h és a m3/h mértékegységek a levegő sűrűségének felhasználásával átszámíthatók és tetszőlegesen használhatók. Az „L” érték kialakulásában a szellőztetett tetőszerkezet áramlási ellenállás értékei, illetve a be- és kilépő helyek közt kialakuló gravitációs nyomáskülönbség játszanak szerepet.
36
t (°C)
Rh=70%
80%
90%
100%
5 4 3 2 1 0
B
-1 -2
A
-3
5-2. légréteg nedvességmérlege 2 3 1 ábra A szellőző 4 5
A gravitációs számítható.
nyomáskülönbség
az
∆p = ∆ρ * g * h
alábbi
x (g/kg)
összefüggés
szerint
/5-4./
ahol: ∆ρ a levegő sűrűségkülönbsége a külső és a szellőző légtér között g a szabadesés gyorsulása h a kilépési és belépési pontok szintkülönbsége
A szellőző levegő belépésnél ütközési-, a légrésben súrlódási-, a kilépésnél pedig ismét ütközési ellenálláson fog keresztül áramolni: Megjegyzés: egyes esetekben, a légrétegben is lehetnek ütközési ellenállások Az ellenállásokon kialakuló nyomásesések az számíthatók: A belépési ellenállásokon kialakuló nyomásesés (∆pB): 2 /5-5./ ∆p B = ζ B * ρ * w B / 2 ahol ∆pB (Pa)
nyomásesés belépésnél
alábbi
módon
37 ζB wB (m/s) ρ (kg/m3)
a belépési ütköző ellenállások összege a levegő belépési sebessége a levegő sűrűsége
A légrétegben kialakuló nyomásesés (∆pL): 2 ∆p L = λ * ( l / d ) * ρ * w L / 2
/5-6./
ahol ∆pL (Pa) λ l (m) d (m) wL (m/s)
nyomásesés belépésnél légréteget határoló „csatorna” súrlódási tényezője a légréteg hossza a légréteg egyenértékű átmérője a levegő sebessége a légrésben
A kilépési ellenállásokon kialakuló nyomásesés (∆pB): 2 /5-7./ ∆p K = ζ K * ρ * w K / 2 ahol ∆pK (Pa) ζK wK (m/s) ρ (kg/m3)
nyomásesés kilépésnél a kilépési ütköző ellenállások összege a levegő kilépési sebessége a levegő sűrűsége
A fentiekben ismertetett nyomásesések összege a gravitációs nyomáskülönbséggel egyenlő: /5-8./ ∆p = ∆p B + ∆p L + ∆p K A fenti összefüggésekből a szellőző levegő sebessége (vL) meghatározható. A sebesség ismeretében pedig a szellőző levegő mennyisége egyszerűen számítható. L = Asz * v L
ahol: Asz (m2)
/5-9./
a szellőző légcsatorna keresztmetszete.
A különböző szerkezeti változatok miatt, az áramlási ellenállásokkal összefüggő jellemzők meghatározása okozza a legnagyobb nehézséget. Az alábbi ábrákon a szellőző levegő bevezetésére, illetve kiléptetésére látható egy-egy példa. A belépésnél a kinyúló eresz szakaszban még „hideg” a levegő, ezért a belépési és kilépési pontok szintkülönbségénél ez a szakasz nem vehető figyelembe, ugyanakkor az áramlási ellenállást növeli. A belépési ellenállással hozható összefüggésbe a rovarháló, illetve perforált lemez alkalmazása. Nem biztos, hogy a két elemnek azonos az ellenállásban kifejtett szerepe. A csatorna alatt leszűkül a belépési keresztmetszet. A kivitelezés során mennyire tudatosul ezen tényező figyelembevétele.
38 A kilépésnél 180°-os törést szenved az áramló levegő, amely törés nagy áramlási ellenállást jelent. A kivitelezés során ezt a szerkezeti részt igen nagy gondossággal kell elkészíteni, mert az egyéb, hibákból adódó újabb ellenállások, a szellőzési teljesítményt lényegesen leronthatják.
39
5.3. A hővédelmi szellőzés néhány sajátossága A nyári viszonyok között felmerülő hővédelmi szellőzés épületfizikai megközelítése összetettebb a téli állagvédelmi szellőzésnél. Természetesen az áramlási viszonyok leírása megegyezik az állagvédelmi szellőzés ismertetésénél leírt viszonyokkal, a lényegesebb különbségek az alábbiakból adódnak: o nyári viszonyok között a külső peremfeltételek óráról-órára változnak, ezért a szellőzés teljesítményénél ezt figyelembe kell venni. Ez azt jelenti, hogy míg az állagvédelmi szellőztetésnél állandó hőmérsékletű szellőző levegővel számolunk, addig a nyári viszonyok között ez állandóan változik. A változó hőmérsékletű levegő nem adott, (nem táblázati adat) hanem a légréteg hőmérlegéből kell számolni. o a szellőző légréteg alkalmazása során más hővédelmi szempontok is felmerülhetnek, pl. a sugárzási hőátvitel csökkentése, (reflexiós fóliák alkalmazása) amelyek bonyolíthatják a szokásos megoldásokat. o megemlítendő még, hogy az ilyen szellőzések épületfizikai modellezése során nem tekinthetünk el a felület tájolásától, illetve a szellőző légréteg mögötti szerkezet instacioner modellezésétől, amely a szellőző légréteggel egy hőtechnikai rendszert képez.
