MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke
CSALÁDI HÁZ KOMPLEX ENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI KORSZERŰSÍTÉSE
DIPLOMATERV Energetikai mérnöki MSc, épületenergetikai szakirány
Készítette:
LUDNIK TIBOR Neptun kód: AGBL14
Miskolc – Egyetemváros
2016
ÁRAMLÁS- ÉS HŐTECHNIKAI GÉPEK INTÉZETI TANSZÉKE
MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
3515 Miskolc – Egyetemváros Iktató szám: AH-…-XXI-2016
MSC v. BSC TERVEZÉSI FELADAT
LUDNIK TIBOR II. éves Energetikai mérnök szakos hallgató részére Neptun kód: AGBL14
A tervezés tárgyköre: A tervezési feladat címe:
Épületenergetika, épületgépészet Családi ház komplex energetikai épületgépészeti korszerűsítése
és
A FELADAT RÉSZLETEZÉSE: 1.
2.
3.
4.
5.
6. 7.
Végezze el a családi ház felmérését, ezen belül kiemelten vizsgálja: az épület és környezetének viszonyát, az épület szerkezetét, nyílászáróit, a belső épületgépészeti rendszerét és az épület egyéb sajátosságait. Végezze el az épület hőtechnikai számítását a WinWatt számítási módszer szerinti részletezéssel (Hőtechnikai vizsgálat, szerkezetek páradiffúziós vizsgálat stb.) Határozza meg az épület meglévő szerkezeteinek, csomópontjainak, határolószerkezeteinek, nyílászáróinak és meglévő hőszigetelésének –téli, nyári állapotra vonatkozó hőszigetelését- a jelenleg érvényes hőtechnikai előírások, szabványok valamint a 7/2006 TNM előírásainak megfelelően. Ezzel meghatározta az épület jelenlegi állapotának megfelelő un. bázis állapotot. Ez képzi a továbbiakban az összehasonlítás alapját. Ugyan ezt a vizsgálatot végezze el a 7/2006 TNM rendelet jelenleg költségoptimalizált állapotnak megfelelő korszerűsítési (nyílászáró csere, határolószerkezetek utólagos hőszigetelése, passzív hővédelem, stb.) hőtechnikai számításait. Vizsgálja meg az épület használati módozatát, lakók fogyasztási szokásait: (HMV, elektromos eszközök, gázfogyasztás, ezek napi, heti és éves menetrendjét). Ezt követően vizsgálja meg az elmúlt 1 év számlaadatai alapján a tényleges gázfogyasztási adatokat. Vizsgálja az épület környezetében rendelkezésre álló megújuló energiahasznosítási lehetőségeket (talajhő, napenergia, stb.) Végezze el a jelenlegi épületgépészeti rendszer analízisét, tárja fel a rendszer veszteségeit, a kivitelezés hibáit, elemezze a rendszer fenntarthatóságának lehetőségeit, indokolja.)
2
Az előzetes méretezési számítások és vizsgálatok alapján legalább 3 változatot figyelembe véve adjon javaslatot az épület fűtéstechnikai, HMV rendszerére. 9. Műszaki gazdaságossági előszámítás: a vizsgált fűtési, HMV módozatokra, energiahordozókra és ez alapján döntsön a kidolgozásra kerülő változatról. 10. A 3. pontban elvégzett optimalizálás eredményei alapján tervezzen új fűtési, hűtési és HMV ellátási rendszert az épület számára, alaprajz, függőleges és energetikai kapcsolási rajz formájában. Végezze a rendszerek hidraulikai méretezését. 8.
Tervezésvezető: Konzulens:
Prof. Dr. Szabó Szilárd Cservenyák Gábor
A tervezési feladat kiadásának időpontja: A tervezési feladat beadási határideje: Miskolc, 20
év
hó
2016.09.11 2016.12.09 nap
Ph Dr. Szabó Szilárd tanszékvezető egyetemi tanár
3
1. TARTALOMJEGYZÉK 1. Tartalomjegyzék ................................................................................................ 4 2. Jelölések és indexek jegyzéke ......................................................................... 7 3. Bevezetés........................................................................................................... 9 4. Családi ház energetikai vizsgálata ................................................................ 10 4.1. Épített környezet vizsgálata ............................................................................................... 10 4.2. Családi ház alaprajza .......................................................................................................... 12 4.3. Hőtechnikai számítás ......................................................................................................... 12 4.3.1. Számítás módszertana .................................................................................................. 13 4.3.2. Rétegtervi hőátbocsátási tényezők ............................................................................... 14 4.3.3. Épületre vonatkozó hőtechnikai adatok......................................................................... 17 4.3.4. Fűtés éves nettó hőenergia igénye ............................................................................... 19 4.3.5. Nyári túlmelegedés kockázata ...................................................................................... 20
5. Az épület passzív hőszigetelése .................................................................... 21 5.1. Az épület határolószerkezeteinek passzív hőszigetelése .............................................. 21 5.1.1. Szigetelés kiválasztási szempontok .............................................................................. 22 5.1.2. Alkalmazható technológiák ............................................................................................ 22 5.1.3. Hőszigetelt felületek hőtechnikai számítása ................................................................. 23 5.2. A nyílászárók hőtechnikai tulajdonságának fejlesztése ................................................. 26 5.3. Hőtechnikai számítások ..................................................................................................... 28 5.3.1. Helyiségek hőtechnikai adatai ....................................................................................... 30 5.4. Passzív hőszigetelés kiválasztása .................................................................................... 31
6. A fogyasztási adatok vizsgálata .................................................................... 33 6.1. Fogyasztói szokások feltérképezése ................................................................................ 33 6.2. Földgázfogyasztási szokások ........................................................................................... 33 6.2.1. Földgázfogyasztás éves menetrendje ........................................................................... 33 6.2.2. Gázfogyasztás napi menetrendje (fűtés napi menetrendje).......................................... 34 6.3. HMV fogyasztási szokások ................................................................................................ 36 6.3.1. HMV fogyasztás napi menetrendje ............................................................................... 37 6.3.2. HMV fogyasztás heti menetrendje ................................................................................ 37
7. A megújuló energihasznosítási lehetőségek elemzése ............................... 39 7.1. Természetes környezet vizsgálata .................................................................................... 39 7.2. Épület közvetlen környezetének vizsgálata ..................................................................... 40
8. Épületgépészeti rendszer vizsgálata ............................................................. 42 8.1. Jelenlegi központi fűtési rendszer áttekintése és a veszteségek feltárása .................. 42
4
8.1.1. Rendszer méretezési problémái .................................................................................... 43 8.1.2. Rendszer szabályozása ................................................................................................ 44
9. Épület energetikai fejlesztése ........................................................................ 45 9.1. Tichelmann hidraulikai rendszer ....................................................................................... 45 9.1.1. Elméleti áttekintés ......................................................................................................... 45 9.1.2. A családi ház fűtése Tichelmann-féle rendszer szerint ................................................. 48 9.1.3. Tichelmann-féle rendszer méretezése .......................................................................... 49 9.1.4. Méretezett Tichelmann rendszer ................................................................................... 52 9.2. Sugaras rendszer ................................................................................................................ 53 9.2.1. Elméleti áttekintés ......................................................................................................... 53 9.2.2. A családi ház fűtése sugaras rendszer szerint .............................................................. 54 9.2.3. Sugaras rendszer méretezése ...................................................................................... 56 9.3. Padlófűtés ............................................................................................................................ 56 9.3.1. Elméleti áttekintés ......................................................................................................... 58 9.3.2. A családi ház padlófűtéssel ........................................................................................... 64 9.4. Fűtési rendszer kiválasztása ............................................................................................. 66
10. Hőtermelők .................................................................................................... 68 10.1. Hőszivattyú ........................................................................................................................ 68 10.1.1. Geotermikus energia hasznosítása ............................................................................. 69 10.2. Hőszivattyús rendszer méretezése ................................................................................. 71 10.2.1. Hőszivattyú primer oldali méretezése ......................................................................... 71 10.2.2. Hőszivattyú szekunder oldali méretezése ................................................................... 75 10.2.3. Fűtési rendszer csatlakozás ........................................................................................ 76 10.3. Hőszivattyús rendszerhez csatolt HMV előállítás ......................................................... 77
11. összefoglalás................................................................................................. 80 12. Irodalomjegyzék ............................................................................................ 81 Függelék .............................................................................................................. 83
5
M1.
Családi ház térképmásolat
M2.
Családi ház alaprajza
M3.
Családi ház hőtechnikai számítása
M4.
Családi ház hőszükséglet számítása
M5.
Családi ház hőtechnikai számítása alap követelményszint
M6.
Családi
ház
hőtechnikai
számítása
költségoptimalizált
követelményszint M7.
Jelenlegi rendszer függőleges csőterve
M8.
Tichelmann rendszer alaprajza
M9.
Tichelmann rendszer függőleges csőterve
M10. Buderus radiátorok adatai M11. Réz csővezeték méretezési segédtáblázatok M12. Tichelmann rendszer méretezése során kapott eredmények M13. Sugaras rendszer alaprajza M14. Sugaras rendszer függőleges csőterve M15. Padlófűtés alaprajza M16. Padlófűtéses rendszer méretezése során kapott eredmények M17. Talajszondás rendszer telepítési terve M18. Talajszondás hőszivattyús rendszer függőleges kapcsolási terve és alaprajza M19. Talajszondás rendszer méretezési táblázata M20. REHAU padlófűtés méretezés segédletek
6
2. JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE Jelölések: U A V d q Q QF qF ∆t v Uw Uf Ug
𝑄̇ p ∆p
S’ ∆ps ∆pz
cs ζ 𝑚̇ 𝑉̇ l ρ H σ R εf P Re ν
[W/(m2K)] [W/(mK)] [m2] [m3] [mm] [W/(m3K)] [kW] [MWh/a] [MWh/(m2a)] [K] [m/s] [W/(m2K)] [W/(m2K)] [W/(m2K)] [W] [Pa] [Pa] [Pa/m] [Pa] [Pa] [-] [-] [kg/h] [m3/h] [m] [kg/m3] [m] [K] [Pa/m] [-] [W] [-] [m2/s]
hőátbocsátási tényező hővezetési tényező felület térfogat átmérő hőveszteségtényező hőmennyiség éves nettó hőenergia igény éves fajlagos nettó hőenergia igény hőfokkülönbség áramlási sebesség teljes ablakfelületen vett hőátbocsátási tényező tokszerkezet hőátbocsátási tényező üvegezés hőátbocsátási tényezője transzmissziós hőveszteség nyomás nyomáskülönbség fajlagos csősúrlódási tényező csővezeték nyomásesés csőidomok nyomásesése csősúrlódási tényező alaki ellenállás tömegáram térfogatáram hossz sűrűség emelőmagasság hőlépcső fajlagos nyomásveszteség COP érték felvett villamos teljesítmény Reynolds szám kinematikai viszkozitás
7
Indexek: f max min p e v korr köz fel le ö FT
fogyasztó maximálisan megengedett érték minimális megengedett érték padló előremenő visszatérő korrigált érték középérték, közepes felfelé irányuló lefelé irányuló összes fektetési távolság
8
3. BEVEZETÉS A hazai épületállomány vizsgálatából kiderül, hogy az összes lakóépület 95,71%-as családi ház, melyek az építésük időpontjai alapján jól tipizálhatóak. A diplomamunkám során egy falusias környezetben található családi háznak fogom a komplex energetikai és épületgépészeti felújítását elvégezni. A kiválasztott épület a tipizálás tekintetében jól megfeleltethető az 1961 és 1979 között épült épületekkel. A teljes hazai épületállományt vizsgálva kiderül, hogy a kiválasztott épülethez hasonló típusú épületből a fent említett időszakban 1,1 millió hasonló családi ház épült. Ez a szám a teljes épületállomány 44%-t teszi ki. [1] Belátható, hogy ez a hatalmas mennyiségű épület – melyek 30-50 éves éve épültekaz elkövetkező 5-10 évben jelentős felújításon kell, hogy átessenek. Az épületek állagmegóvása szükségessé teszi a felújítást, ezen felül pedig a 7/2006 TNM rendeletben foglalt épület hőháztartására és energetikai mutatóira vonatkozó követelményeknek való megfelelés is cél kell, hogy legyen a felújítás során. Ekkora mennyiségű és minőségű épületállomány esetén energetikai mérnökként kötelességemnek érzem, hogy megmutassam, milyen potenciálok vannak egy ilyen épületben melyek, azok a pontok, amiket vizsgálni kell a felújítás tervezése során és milyen kritikus karakterisztikákkal rendelkeznek az épületek. Ezen felül a családi házak többségében az épületgépészeti rendszerek felújítása is szükséges lehet. A rendszerek kialakítása során törekszem arra, hogy a lehető legkorszerűbb megoldásokat alkalmazzam, így a hőtermelői oldal esetén törekszem a megújuló energiaforrások maximális kihasználására. Korunk egyik nagy kihívása a globális felmelegedés megállítása és ennek legegyszerűbb módja, hogy csökkentjük a kibocsájtott káros anyag mennyiségét. Megújuló energiák alkalmazása esetén akár nullára csökkenthetjük az épület által kibocsájtott káros anyagok mennyiségét.
9
4. CSALÁDI HÁZ ENERGETIKAI VIZSGÁLATA Energetikai vizsgálatok egy előre meghatározott szempontrendszer alapján történnek minden esetben, legyen szó családi- vagy társasházról, közintézményről vagy egy egyszerű társasházi lakásról. Az általam kiválasztott épület egy vidéki, falusi környezetben elhelyezkedő különálló családi ház. Az elvégzett komplex energetikai vizsgálat során az alábbi szempontok szerint jártam el: az épület természetes és épített környezetének felmérése az épület határolószerkezeteinek felmérése a határolószerkezetek rétegrendjének felmérése a rétegrendek anyagi jellemzőinek meghatározása a nyílászárók méreteinek és tulajdonságainak felmérése az épület épületgépészeti rendszerének felmérése a fogyasztói szokások felmérése a fogyasztói adatok vizsgálata. A fenti szempontrendszert alkalmazva minden fontos információ rendelkezésemre állt ahhoz, hogy elkészíthessem az épület jelen állapothoz tartozó komplex energetikai vizsgálatát, amely az alábbi elemeket tartalmazza: az épület hőtechnikai számítása az épületgépészeti rendszer felépítésének vizsgálata.
4.1. Épített környezet vizsgálata Az épület felmérése során első közelítésben az épület épített- és természetes környezetét figyeltem meg. A 4.1 ábrán (hivatalos térképmásolaton) jól látható az épület elhelyezkedése, illetve a környező épületek viszonya. A hivatalos térképmásolat az M1 jelű melléklet részeként 1:250 méretarányban is elérhető.
10
4.1. ábra Az épület és közvetlen környezete
A 4.1 ábrán látható, hogy az épület É-ÉK tájolású. A nyílászárók DK-DNY irányba helyezkednek el, tehát a napsugárzás, mint fény- és hőforrás hasznosulhat. Ez az elrendezés épület hőháztartásában is fontos szerepet játszik, hiszen a nyílászárókon keresztül - sugárzással - jelentős hőmennyiség érkezik a lakóépületbe. A felmérés elkészítéséhez elengedhetetlen információkkal rendelkezni az épület történetével kapcsolatban. A kiválasztott családi ház négyzet alapú része a 1969ben, a kor technikai színvonalának megfelelően épült, míg a téglalap alakú épületrész az 1981-ben épült utólag az épülethez, szintén az adott kor színvonalának és szokásainak megfelelően. Ezen információk az épület hőtechnikai vizsgálata során fontosak. Az épületről, az azóta eltelt hosszú idő illetve a korabeli műszaki és társadalmi viszonyok miatt, nem maradt fenn eredeti, hiteles tervdokumentáció, így a felmérés során tanulmányoznom kellett a határolószerkezeteket, azok anyagjellemzőit, a nyílászárókat illetve a jelenleg megtalálható épületgépészeti rendszert.
11
4.2. Családi ház alaprajza A kiválasztott lakóépület energetikai vizsgálatának első lépéseként helyszíni bejárást, felmérést végeztem, rögzítettem az épület határolószerkezeteinek méreteit, az épület elhelyezkedését és az összes mérhető építészeti tulajdonságát. A felmérést követően AutoCAD program segítségével elkészítettem az épület alaprajzát. Az elkészült alaprajz egy kicsinyített rajza a 4.2. ábrán látható. Teljes 1:100 arányú rajz a M2 mellékletben található.
4.2. ábra Családi ház felülnézeti alaprajza
A lakóépület korából illetve az építés körülményeiből adódóan nem álltak rendelkezésemre a falszerkezetet alkotó rétegrendek részletes terve, így – roncsolás mentes vizsgálati módszerek hiányában - hagyatkoznom kellett az ott lakók információira. Az így kapott információk alapján készítettem el a külső határolószerkezetek, padló-, pince- és padlásfödémek rétegrendi tervét. A nyílászárók esetén a szabványban foglalt értékeket vettem alapul. A rétegrendek vastagsága leolvasható az M2 mellékletben található rajzról, továbbá a hőtechnikai számítás során részletezni fogom a felmérés során szerzett tapasztalataimat.
4.3. Hőtechnikai számítás Az épület felmérését illetve számítógépes modellezését követően elvégeztem az épület hőtechnikai számítását. A számításhoz a WinWatt Gólya szoftvert használtam, melyet a Klimasol Kft. biztosított a számomra. 12
A hőtechnikai számítás során a 7/2006 TNM: 2016. január 1. állapotát vettem alapul, mely a diplomaterv készítése során az aktuálisan legfrissebb előírás. Az alkalmazandó követelményszint: Alap (1. melléklet). 4.3.1. Számítás módszertana A hőtechnikai számítás első lépéseként megadtam a program számára a külső határolószerkezeteket, illetve azok rétegrendjét, az egyes rétegek vastagságát továbbá az egyes nyílászárókat, azok típusát. Ezek alapján a program kiszámítja a többrétegű homogén felületekből álló síkfalra merőleges irányú állandósult állapotban kialakuló egydimenziós hőmérsékletmezőt. [2] A WinWatt program az eredő hőátbocsátási tényező számítása során az MSZ-14004-2:1991 szabványban foglaltakat veszi alapul így:
𝑈=
1
[𝑊 ⁄(𝑚2 𝐾)] 𝑑𝑗 1 1 +∑𝑗 + 𝛼𝑖 𝑏𝑒 𝛼𝑒
(4.1)
Az ISO 13370 szabvány értelmében kétféle hőátbocsátási tényezőt kell megkülönböztetni a hőtechnikai számítások során: felületi hőátbocsátási tényező vonalmenti hőátbocsátási tényező A felületi hőátbocsátási tényezővel jellemzett falfelületnek minősül minden olyan felület, amely nem érintkezik a talajjal közvetlen módon. Ezzel ellentétben a vonalmenti hőátbocsátási tényezővel jellemzett felületek közvetlenül a talajjal érintkeznek. Ez utóbbi esetben a program számára meg kell adni az adott helyiség külső, talajjal érintkező vízszintes élhosszát. [2] Minden egyes határoló elem esetén megadtam az adott szerkezeti elem égtáj szerinti tájolását, melynek szükséges a pontos számításhoz. Ezt követően meghatároztam a lakóépület egyes helyiségeinek funkció szerinti méretezési hőmérsékletét. A meghatározott értékek és helyiségek elnevezései a 4.2 ábrán jól láthatóak. A helyiségek létrehozását követően beállítottam az egyes helyiségek külső határolószerkezeti elemeit, azok tájolását, illetve a helyiséghez tartozó nyílászárókat is. Ezt követte az épület belső terében létrejövő hőáramlások vizsgálata. Az épületen belül a kamra és a környező helyiségek közötti hőmérsékletkülönbség meghaladta a 3°C-t így a szabvány előírja, hogy számításba kell venni a határolószerkezetek közötti hőcserét.
13
Végezetül a belső hőnyereséget alkotó elemek kerültek bevitelre. Belső hőnyereséget okoz az épületben tartózkodó emberek, a világítás és az egyéb elektromos árammal működő berendezések által létrehozott hőnyereség. 4.3.2. Rétegtervi hőátbocsátási tényezők A hőtechnikai számításhoz, illetve az előző fejezetben taglalt hőátbocsátási tényezők számításához elengedhetetlen ismerni a határoló (külső, belső) felületek rétegrendjét. A helyszíni felmérés során, részletes tervek hiányában, manuálisan felmértem az egyes rétegek vastagságát, illetve az anyagjellemzőit. Megállapítható, hogy az 1969-ben épült négyzet alapú, utcafronti épületrész külső falazata az alábbi rétegrendet követi:
4.3. ábra Kohósalakbeton blokk falazat rétegrendi terve
A külső falszerkezet alapját az un. kohósalak beton blokk adja. Jelen épület esetén kézzel készített kisblokkokból áll össze a teljes külső teherhordó falfelület. A kohósalak beton az 1950-70-es évek egyik közkedvelt és olcsó építőanyagának számított. Felhasználása széles körben elterjedt volt, akár közép és nagyblokkos technológiával épült épületek esetén is alkalmazták. [3] A rétegtervi hőátbocsátási tényező számításához szükséges volt a hővezetési tényező ( [W/(mK)]) ismerete. A WinWatt program három különböző típust ajánl a felhasználók számára, így a lehetséges három típus közül a legnagyobb hővezetési tényezőjű kohósalak beton típust választottam. Az 1981-ben utólag hozzáépült téglalap alakú épületrész külső falának anyaga gázszilikát, melyre már megfelelő adatok álltak a rendelkezésemre. Az épület hőtechnikai számítása szempontjából nagy jelentősége van még a padlásfödém rétegrendjének. A négyzet alapú épületrész padlásfödémjének rétegrendje az alábbi 4.4 ábrán látható:
14
4.4. ábra Az 1969-es épületrész padlásfödém rétegrendje
A padlásfödém nagyon sok korabeli természetes szigetelő elemet tartalmaz. A legfelső szigetelő réteg (duzzasztott perlit) az épület 1981-es kibővítése során került rá a padlásfödémre. Az eredeti 1969-es épületrész esetén a padló kavicsfeltöltéssel van ellátva, így az előző (4.3.1) fejezetben foglaltak szerint az talajon fekvő felületnek minősül, így megadtam a talajjal érintkező felületek élhosszát. Az 1981-es toldás során az új épületrész alá pincehelység került kialakításra, így ez az épületrész nem minősül talajon fekvő felületnek. A számítás során először az egyes falszerkezetek rétegtervi hőátbocsátási tényezőjének az értékét számolta ki a program a bevitt adatok függvényében. A következő 4.1-es táblázatban összefoglaltam az összes határolószerkezet számított adatait, illetve a szabványban előírt megengedett értéket.
15
4.1. táblázat Határolószerkezetek rétegtervi hőátbocsátási tényezője
Számított érték
Megengedett érték
[W/m2K]
[W/m2K]
belső_fal_1
0,69
0,50
Nem Megfelelő
belső_fal_2
1,72
0,50
Nem Megfelelő
külső_ablak
2,35
1,60
Nem Megfelelő
külső_ajtó
2,05
1,60
Nem Megfelelő
külső_fal
1,27
0,45
Nem Megfelelő
külső_fal_új
0,95
0,45
Nem Megfelelő
padlásfödém
0,24
0,30
Megfelelő
padlásfödém_új
0,49
0,30
Nem Megfelelő
padló
1,39
0,50
Nem Megfelelő
Szerkezeti elem neve
Megfelelés mértéke
A 4.1 táblázatban szereplő „új” index az 1981-s bővítés során megépült elemeket tartalmazza. A rétegrendi hőátbocsátási adatokból kitűnik, hogy egyetlen határolószerkezet van, amely megfelel a jogszabályi követelményeknek, ez pedig a padlásfödém a négyzet alapú régi épületrészben. Az eredmények alapján látható, hogy a nyílászárók hőátbocsátási tényezője sokkal rosszabb, mint a (7/2006 TNM: 2016. január 1.) rendelet 2. mellékletében meghatározott érték. Továbbá az épületben található 55 éves nyílászárók állapota is ezt sugallja. Sem a nyílászárók, sem a falszerkezetek nem érik el a követelmény értékeket, azok cseréje indokolt, a külső falazatok utólagos hőszigetelése szükséges. A program minden egyes réteges falfelület esetén elvégzi az adott rétegrendek páradiffúziós vizsgálatát, hogyan alakul a szerkezetben a hőmérséklet lefutása és hogyan viszonyul a szerkezetben kialakuló parciális vízgőznyomás az adott hőmérséklethez tartozó telítési nyomáshoz. [2] A páradiffúziós vizsgálat a fal nedvesedése szempontjából fontos, hiszen a cél annak elkerülése, hogy a fal belsejében páralecsapódás keletkezzen, amely azon túl, hogy roncsolja az anyag szerkezetét, penészképződéssel is járhat. Az M3 jelű mellékletben részletesen megtalálhatóak az egyes szerkezeti elemek rétegtervei, illetve a rétegeken belüli hőátbocsátás mértéke is nyomon követhető, így nem részletezem az egyes szerkezeti elemeket.
16
4.3.3. Épületre vonatkozó hőtechnikai adatok Az előző (4.3.2) fejezetben a határolószerkezetek eredményei alapján a WinWatt program segítségével kiszámítottam az egyes helyiségek téli hőszükségletét, illetve a nyári hőterhelés kockázatát. A helyiségek adatai alapján kiszámítható az egész épület téli hőszükséglete, mely a jelenlegi épületgépészeti rendszer vizsgálatához szükséges. Továbbá az épület utólagos hőszigetelésével, nyílászáró cseréjével a fejlesztés utáni állapot hőigénye határozható meg. 4.3.3.1. Téli hőszükséglet számítása A fűtési rendszer tervezésének az alapja a téli hőszükséglet számítása, mind az egész épületre, mind az egyes helyiségekre vonatkozólag. A WinWatt program a számítás
során
az
MSZ-04-140-03
szabvány
rendelkezéseit
használta.
Kiszámításra kerültek a 4.1 táblázatban is megadott határolószerkezetek alapján a transzmissziós hőveszteségek. A program lehetővé teszi az üvegezett felületek által nyert napsugárzási hőnyereséget is számításba vételét, ez fontos a hőveszteség csökkentése szempontjából. A minél pontosabb eredmények érdekében számba vettem az épület belső hőnyereségeit is. Az alábbi 4.2 táblázatban foglaltam össze az elhelyezett belső hőforrásokat, illetve a működésük időtartamát. 4.2. táblázat Belső hőleadók elhelyezkedése és hőleadásuk mértéke
Belső hőleadó Hőleadás megnevezése mértéke [W] Gáztűzhely I. Gáztűzhely II. Világítás Asztali PC TV Laptop Emberi Hűtőszőkrény
Működési időtartam [óra]
300 300 15 100 50 50 450 200
3 1 4 5 4 4 16 24
Elhelyezkedése Konyha Konyha_új Teljes épület Szoba_új Nappali, Hálók Hálók Teljes épület Konyha
A 4. mellékletben részletesen megtalálhatóak a téli hőveszteség számítás során kapott eredmények. A program a helyiségekre és az épület egészére kiszámította a hőveszteséget. Az alábbi 4.5 ábrán látható az egyes helyiségekben a fűtési hőigény nagysága.
17
4.5. ábra Az egyes helyiségek téli hőveszteségei
A hőtechnikai számítás alapján kell majd a helyiségek fűtési rendszer elemeit tervezni, ez alapján lesznek a csőhálózatok méretezve. A számítás segítségével kapott értékek jelentik az épület, - s így az egyes helyiségek – jelenlegi állapotának megfelelő úgynevezett bázis állapotot, vagy bázis értéket. A későbbiekben ezen adatok fogják az összehasonlítás alapját jelenteni. 4.3.3.2. Energetikai számítás eredményei Az energetikai számítás során alkalmazott
összefüggések az M4-es
mellékletben találhatóak. Az alábbiakban számítás során kapott eredményeket fogom bemutatni, kiértékelni. A 7/2006 TNM rendelet rendelkezik az épület egészére vonatkozó szabályokkal, így kiszámításra került a fűtött térfogatot határoló összfelület (A) illetve a fűtött térfogat (V). Ezt követően kiszámításra került az A/V arány, ami az épületre jellemző arányszám. 𝐴 𝑉
=
439,2 392,4
= 1,173
𝑚2 𝑚3
(4.2)
A felület-térfogat arány, a sugárzási hőnyereség, illetve a sugárzási hasznosítási tényezők szorzatából kiszámítható a fajlagos hőveszteségtényező értéke. A hőveszteségtényező értékéről a szabvány az épület rendeltetésének és alaptulajdonságainak függvényében maximálisan megengedett értéket ad meg. A fajlagos hőveszteségtényező számítása során, a rendelet alapján kiszámítottam előbb a sugárzási hőnyereség nagyságát, majd a felület térfogatarány
18
felhasználásával a szabványban részletezett módon kiszámítottam a jelenlegi állapotra vonatkozó adatot:
𝑞 = 0,768
𝑊 𝑚3 𝐾
(4.3)
A megengedett hőveszteségtényező értéke:
𝑞𝑚𝑎𝑥 = 0,511
𝑊 𝑚3 𝐾
(4.4)
Látható, hogy jelen állapotban a hőveszteségtényező nem megfelelő, viszont a különbség nem jelentős. Az egész épületre vonatkoztatva a számítás során kiszámoltam a téli hőveszteség maximális értékét, mely a korábban már bemutatott helyiségenkénti hőveszteségek összege:
𝑄 = 13,955 𝑘𝑊ℎ
(4.5)
A kapott érték megmutatja, hogy napi szinten mekkora hőmennyiséget kell bevinni az épületbe a megfelelő komfortérzet fenntartása érdekében. A kapott érték a nap egészére vonatkozik, tehát az egyes órákban különböző mértékű a hőveszteség nagysága: például éjszaka folyamán az üvegezett felületek hőt adnak le a környezet felé, míg nappali órákban a napsugárzás útján csökkentik az igényeket. Részletes diagram található erről az M4-es mellékletben. 4.3.4. Fűtés éves nettó hőenergia igénye Lakóépületek gépészeti rendszerének méretezése során a téli hőveszteség maximális érteke számít bázisértéknek, mely a méretezés és összehasonlítás alapja, viszont energetikailag éppoly fontos a fűtés éves nettó hőenergia igényének meghatározása. Jelen dolgozatban a számítás során kapott érték a jelenállapotot tükrözi, tehát az eredmények függvényében fejlesztési potenciálok várhatóak. A számítás során figyelembe vettem az éves fűtési órák számát, az épület átlaghőmérsékletét, a belső helyiségek hőmérsékletkülönbségét. Az így kapott érték:
𝑄𝐹 = 19,29 𝑀𝑊ℎ/𝑎
(4.6)
Éves szinten 19,29 MWh a nettó hőenergia igénye az épületnek. Szokás a hőenergia igényt fajlagosítani egységnyi felületre:
𝑞𝐹 = 149,55 𝑘𝑊ℎ/(𝑚2 𝑎)
(4.7)
A fajlagos fűtési igény szintén jó összehasonlítási alap, hiszen számos rendeletben ez a fajlagos érték alapján határozzák meg az épület energetikai besorolását.
19
Például passzív házak esetén a darmstadti Passivhaus-Institut által meghatározott rendszer szerint Magyarországon 15 kWh/m2a a megengedett fűtési hőenergia igény nagysága. [4] Látható, hogy ez az épület jelen állapot szerint messze elmarad a passzívház szinthez képest. A fűtési hőenergia-igény számítás alapján kapott eredményt a későbbiekben összehasonlítom a fejlesztéseket követő állapottal. A teljes számítás és eredmények az M4-es mellékletben találhatóak. 4.3.5. Nyári túlmelegedés kockázata A határolószerkezetek feldolgozása során figyelembe vettem, hogy a DK-DNY irányban elhelyezkedő ablakok árnyékoló redőnyökkel vannak felszerelve. Ezek alapján kiszámításra került a nyári túlmelegedés kockázata. Ez a számítás megmutatja, hogy mekkora hőfokkülönbség lesz tapasztalható nyári, meleg időjárás esetén.
∆𝑡𝑏𝑛𝑦á𝑟 = 3,1 °𝐶
(4.8)
A túlmelegedés mértéke tehát 3,1 °C-nak adódott. A szabvány által meghatározott maximális érték ezzel szemben 3,0 °C, így megállapítható, hogy az épület nyáron gépi hűtést igényel jelen állapot szerint. Megjegyzendő, hogy külső árnyékolók segítségével ez a különbség csökkenthető, és a szabványnak való megfelelőség közelíthető.
20
5. AZ ÉPÜLET PASSZÍV HŐSZIGETELÉSE Az épületek passzív hőszigetelését két nagy csoportra bonthatjuk fel: -
a határolószerkezetek hőszigetelése
-
a nyílászárók hőszigetelése
Az épület passzív hőszigetelése során e két nagy csoportba tartozó szerkezeti elemek hőátbocsátási tényezőinek [U] csökkentése a cél. A szerkezeti elemek esetén jellemzően utólagos hőszigetelő réteggel megvalósítható a megfelelő U érték. Ezzel szemben a nyílászárók esetén csak új, speciális kivitelű hőszigetelő ablakokkal érhető el. A 7/2006 TNM rendelet rendelkezik az épületek határolószerkezeteivel és nyílászáróival kapcsolatos minimális követelményekről. Az alábbi 5.1 táblázat tartalmazza a 7/2006 TNM rendelet legfrissebb (2016. január 1. állapot) hőátbocsátási tényező követelmény értékeket a külső határolószerkezetek vonatkozásában – alap és költségoptimalizált szint esetére is: 5.1. táblázat 7/2006 TNM rendeletben foglalt hőátbocsátási tényezők és a jelenlegi rendszer adatai
Alap Költségoptimalizált Jelenlegi épület 2 [W/m K] [W/m2K] [W/m2K] Külső fal
0.45
0.24
1.27
Padlásfödém
0.30
0.17
0.24
Fűtött és fűtetlen terek közötti fal
0.50
0.26
1.77
Talajon fekvő padló
0.50
0.30
1.39
Nyílászáró
1.60
1.15
2.35
A feladatom az, hogy az épület jelenlegi hőátbocsátási tényező értékeit valamilyen külső passzív hőszigetelés megoldásával a követelményekben meghatározott szint alá csökkentsem, bizonyos feltételek mellett.
5.1. Az épület határolószerkezeteinek passzív hőszigetelése Az alábbi fejezetben bemutatom, hogy milyen módon lehetséges a kiválasztott lakóépület külső határolószerkezeteinek a passzív hőszigetelése, úgy hogy a hőátbocsátási tényezők értékei megfeleljenek a 7/2006 TNM rendelet 1. és 5. fejezetében foglaltaknak.
21
5.1.1. Szigetelés kiválasztási szempontok Az épület határolószerkezeteinek passzív hőszigetelési módjának kiválasztása során az a legfontosabb, hogy a teherhordó falazat mechanikai, statikai és páradiffúziós tulajdonságainak megfelelő anyagot válasszunk függetlenül attól, hogy milyen követelményszintnek szeretnénk megfelelni. A 4.3.2 fejezetben ismertetettek szerint a teherhordó falazatot kisblokkos kohósalakbeton alkotják. Ezen anyag a korabeli mérések alapján közel azonos tulajdonságokkal rendelkezik, mint a tégla, [3] a helyszíni szemle eredményei illetve a tapasztalatok azt mutatják, hogy az építést követő közel 50 év alatt a blokkok mechanikai tulajdonságai messze alulmaradnak a korabeli értékeknek. Ebből kifolyólag nagy körültekintéssel kell eljárni
a
szigetelőanyag
kiválasztása
során.
Az falszerkezet
anyagának
tulajdonságai miatt az alábbi szempontok szerint került kiválasztásra a szigetelőanyag: szigetelőanyag sűrűsége alkalmazandó rögzítési mód légáteresztő képesség hővezetési tényező ár-érték arány A következő fejezetben megvizsgálom, hogy mely szigetelési módok felelnek meg a fent felsorolt feltételek mindegyikének. 5.1.2. Alkalmazható technológiák Épületek passzív hőszigetelésére számos lehetőség adott: szigetelő vakolatok, különféle természetes alapú, szerves vagy szervetlen anyagú, szilikát bázisú és ezek különböző kombinációiból álló hatékony hőszigetelő anyagok. A teherhordó falazat – már korábban feltárt – hiányosságai miatt figyelembe kell venni azt, hogy a fal szerkezete korlátozottan tudja elviselni a mechanikai rögzítést igénylő szigetelő anyagokat. Mechanikai rögzítésre abban az esetben van szükség, amennyiben a szigetelőanyag sűrűsége, illetve vastagsága oly mértékű hogy a hagyományos kémiai kötést biztosító ragasztásos technológia nem elegendő. A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy szigetelő anyagok rögzítése során – szigetelőanyag vastagságtól függetlenül – érdemes mechanikai rögzítést is alkalmazni, hiszen épületek esetén a tervezett élettartam 30-40 év. A hosszú
22
élettartam alatt mind a kémiai kötést biztosító ragasztóanyag, mind a szigetelőanyag anyagszerkezetében történhet olyan változás mely hatással van a rögzítés tartósságra. Továbbá a szélszívás jelensége sem elhanyagolható, Észak-magyarországon a talajmenti erős széllökések megjelenhetnek, s ilyen erős széllökések hatására hirtelen lecsökkenhet a falfelület egyes részei mellett a légnyomás értéke, amely erős szívóhatásként jelentkezik. A meteorológiai adatok azt mutatják, hogy éves szinten 35 a viharos napok száma, ami azt jelenti, hogy akkor a széllökések 15 m/snál nagyobb sebességűek. [5] Tehát szükséges a rétegek mechanikai rögzítése is. A mechanikai rögzítés hátrányai között – a teherhordó falazat esetleges mechanikai sérülésén túl – jelenik meg, hogy a dübelek pontszerű hőhidat képeznek a falfelületen. Ebből kifolyólag az alábbiakban részletezett falszerkezeti hőátbocsátási tényező számítások során a dübelek által létrehozott hőhidakat is belevettem a számításba a már korábban alkalmazott 7/2006 TNM rendeletben erre az esetre vonatkozó megkötései alapján. 5.1.3. Hőszigetelt felületek hőtechnikai számítása Az 5.1.1 fejezetben felsorolt feltételeknek megfelelően kiválasztottam két különböző szigetelőanyagot, s minden típus esetére elkészítettem a WinWatt program segítségével a szerkezetek hőtechnikai, páradiffúziós vizsgálatát. A két kiválasztott típus: az Extrudált Polisztirol lemez (EPS), mint szervetlen szigetelőanyag, illetve a Kőzetgyapot, mint szerves szigetelőanyag. A két szigetelőanyag tulajdonságait tekintve nagyban különböznek, az alkalmazási lehetőségek és követelmények jelentősen eltérnek egymástól. Az alábbi 5.2 táblázatban összefoglaltam a legfontosabb paraméterek alapján a két szigetelőanyag típust: 5.2. táblázat EPS és kőzetgyapot összehasonlítása
Nikecell EPS Rockwool 150 Kőzetgyapot Hővezetési tényező [W/mK]
0,035
0,036
Testsűrűség [kg/m3] Pradiffúziós ellenállási tényező EN13162 szerint
10-30
35-50
30-70
1
Fajlagos ár [Ft/m2/6 cm]
2110
2440
ragasztás + dübel
ragasztás + dübel
E
A1
Rögzítésének módja Tűzvédelmi osztály MSZ EN 13501-1 szerint
23
Látható, hogy a kőzetgyapot jobb páradiffúziós képességgel rendelkezik az EN 12162 szabvány szerint, továbbá sokkal magasabb tűzvédelmi osztályba tartozik az MSZ EN 13501-1 szabvány szerint. Hővezetési tényezőt tekintve nincs jelentős különbség a két anyag között. A két gyártó hivatalos árképzése alapján csekély, 10%-os árkülönbség van a két anyag között. A kiválasztás során az alábbi táblázatban bemutatott adatok lesznek mérvadóak. 5.1.3.1. Alap követelményszint A WinWatt program segítségével először a 7/2006 TNM rendelet Alap követelményszintnek
való
megfelelőség
szerint
dolgoztam.
Az
alap
követelményszintnek (7/2006 TNM 1. melléklet) való megfelelőséghez szükséges szigetelőanyag vastagságot és az egyes esetekben így elérhető hővezetési tényező nagyságát az alábbi 5.3 táblázatban foglaltam össze, a külső falak viszonylatában: 5.3. táblázat Különböző típusú szigetelőanyag hatása az U értékre alap követelményszint esetén Kőzetgyapot
Nikecell EPS
Alap követelmény
Szigetelőanyag vastagság [mm]
Számított U érték [W/m 2K]
Szigetelőanyag vastagság [mm]
Számított U érték [W/m 2K]
Szükséges U érték [W/m 2K]
külső_fal
80
0.333
80
0.340
0.45
külső_fal_új
60
0.368
60
0.374
0.45
Szerkezeti elem neve
Az eredmények azt mutatják, hogy 8 cm EPS, vagy 8 cm kőzetgyapot alkalmazásával már elérhető a salakbeton falazat esetén a 7/2006 TNM rendelet által meghatározott 0,45 W/m2K hőátbocsátási tényező. A később épült gázszilikát alapú külső_fal_új esetén szintén szükséges a 6 cm szigetelés az alap követelményszinthez
való
megfelelés
eléréséhez.
Látható,
hogy
annak
segítségével már kisebb a megfelelés mértéke, magasabb U érték érhető el, amelynek az épület téli hőszükséglet számítása során lesz jelentősége. A szigetelés alkalmazásával a szerkezetre vonatkozó páradiffúziós tulajdonságok is jelentősen javultak, előreláthatólag nem lesz nedvességkiválás a teherhordó falszerkezetben. Az 5.1.2 fejezetben foglaltaknak megfelelően még ilyen kis vastagságú, - s így tömegű - szigetelőanyag esetén is ajánlott mechanikai rögzítést alkalmazni. Emiatt a számítás során pontszerű hőhidakat állítottam be a felületre, 6 db/m 2 mennyiségben. További módosító tagként vettem figyelembe a hőhidak arányát a teljes felülethez viszonyítva, s a 7/2006 TNM rendeletben foglaltak alapján e módosító tag nagysága: 20%.
24
A falszerkezetek hőátbocsátási tényezőinek számítása, a kapott eredmények illetve a páradiffúziós diagramok az M5-ös mellékletben megtalálhatóak. 5.1.3.2. Költségoptimalizált követelményszint A költségoptimalizált szintnek (7/2006 TNM 5. melléklet) való megfelelőséghez szükséges szigetelőanyag vastagságokat, és az így elérhető U hőátbocsátási tényező értékeit az alábbi 5.4 táblázatban foglaltam össze, a már korábban is alkalmazott két különböző szigetelőanyag alkalmazásával: 5.4. táblázat Különböző típusú szigetelőanyag hatása az U értékre költségoptimalizált követelményszint esetén Kőzetgyapot
Nikecell EPS
Költségoptimalizált
Szigetelőanyag vastagság [mm]
Számított U érték [W/m 2K]
Szigetelőanyag vastagság [mm]
Számított U érték [W/m 2K]
Szükséges U érték [W/m 2K]
külső_fal
140
0.219
140
0.224
0.24
külső_fal_új
140
0.208
140
0.213
0.24
Szerkezeti elem neve
Az eredmények azt mutatják, hogy csekély a különbség a két szigetelőanyag között. Látható, hogy az előző 5.3 táblázatban szereplő adatokhoz képest jelentősen megnőtt a hőszigetelő réteg szükséges vastagsága. Az ilyen vastag szigetelőréteg esetén elengedhetetlenné válik a szigetelőanyagok mechanikai rögzítése, ami a már korábban felvázolt teherhordó falazat szilárdságtani problémái miatt sokkal igényesebb és precízebb tervezést és megvalósítást igényel. Ebből kifolyólag a számítások során pontszerű hőhidakat megjelenésével is számoltam, 6 db/m 2 darabszámmal. További módosító tagként vettem figyelembe a hőhidak arányát a teljes felülethez viszonyítva, s a 7/2006TNM rendeletben foglaltak alapján e módosító tag nagysága: 20%. A hőszigetelő réteg vastagsága illetve rajta található különböző felületképző, és díszítő rétegek miatt a falszerkezet páradiffúziós szempontból megfelelőnek bizonyult, hiszen előreláthatólag nem lesz nedvességkiválás a belső teherhordó szerkezetben. A falszerkezetek hőátbocsátási tényezőinek számítása, a kapott eredmények illetve a páradiffúziós diagramok az M6-s mellékletben megtalálhatóak.
25
5.2. A nyílászárók hőtechnikai tulajdonságának fejlesztése A nyílászárók esetén nem lehet utólagos hőszigetelésről beszélni, mindössze a hőtechnikai tulajdonságaikat lehet fejleszteni. Jelen épületben az alábbi nyílászárók találhatóak: 5.5. táblázat Nyílászárók típusa és méretei
Nyílászáró Nyílászáró Nyílászáró típusa mérete [cm] felülete [m2] 205x150 205x150 150x150 135x205 135x150 120x143 125x125 125x125 95x210 55x70 55x70 55x70
3.08 3.08 2.25 2.77 2.03 1.72 1.56 1.56 2.00 0.39 0.39 0.39
Összesen:
21.18
Kapcsolt gerébtok Kapcsolt gerébtok Kapcsolt gerébtok Kétsszárnyú ajtó Kapcsolt gerébtok Kapcsolt gerébtok Kapcsolt gerébtok Kapcsolt gerébtok Ajtó Kapcsolt gerébtok Kapcsolt gerébtok Kapcsolt gerébtok
Az 5.5 táblázatban szereplő nyílászárók többsége az 1970-es években került beépítésre, emiatt a fa kereten vetemedések jelentek meg, amik nagymértékben rontják az épület hőszigetelését. A teljes épület esetében a fűtött térfogatot határoló felület 439m 2. Amennyiben a teljes határoló felületből levonjuk a padló, pincefödém illetve a padlásfödém területét akkor megkapjuk a teljes falfelületet: amely 163,8 m2-nek adódik. Ez alapján az ablak/falfelület arány alapján megállapítható: 12,93 %. Ez alapján a nyílászárók cseréjével jelentős megtakarítás érhető el az épület egészére vonatkozóan. Mint ahogy az már az 5.1 táblázatból is kiderült, a 7/2006 TNM rendelet két féle lehetőséget biztosít a nyílászárók hőátbocsátási tényező tekintetében attól függően, hogy alap követelményszint (1. melléklet) vagy költségoptimalizált követelményszint (5. melléklet) szerint tervezzük az épületet. A nyílászárókat energetikai tulajdonságaik lapján, két fő alkotóelemre bonthatjuk szét: üvegfelületek hőtechnikai jellemzői keret hőtechnikai jellemzői
26
Az üvegfelületek hőtechnikai jellemzése során a legfontosabb szempont a hőátbocsátási tényező. A 7/2006 TNM rendelet alap követelményszint esetén 1,6 𝑊 ⁄(𝑚2 𝐾) míg költségoptimalizált szint esetén 1,15 𝑊 ⁄(𝑚2 𝐾) értéket határoz meg. A nyílászárókra vonatkozó ISO 10077-1 termékszabvány az alábbi egyszerűsített képlet alapján számítják a hőátbocsátási tényező értékét:
𝑈𝑤 =
𝐴𝑔 ∙𝑈𝑔 +𝐴𝑓 ∙𝑈𝑓 +𝐼𝑔 ∙𝑔
(5.1)
𝐴𝑔 +𝐴𝑓
Ahol UW az egész ablakra vonatkozó hőátbocsátási tényező, Uf a tokszerkezet, Ug az üvegezés hőátbocsátási tényezője. Af a tokszerkezet, Ag az üvegezés felülete, Ig az üvegperem hossza, g az üvegezett keretkitöltés vonalmenti hőátbocsátási tényezője, értéke≈ 0,04 𝑊 ⁄(𝑚𝐾). [6] Az üvegezés hőátbocsátási tényezőjének értékét nagyban befolyásolja az üvegek rétegrendje: több rétegű üvegezés alkalmazásával alacsonyabb Ug hőátbocsátási tényező érhető el. Ezen felül jelentősen befolyásoló hatással bír az egyes rétegek közötti gáztöltet minősége. Az alábbi 5.6 táblázatban összefoglaltam különböző rétegszámú és minőségű ablaküveg Ug értékét: 5.6. táblázat Különböző ablaküvegek Ug értékei
Rétegek száma
Rétegek közötti gáz
Vastagság [mm]
Ug érték
2
Levegő
24
[W/m2K] 1.4
2
Argon
24
0.94
2
Kripton
24
0.83
3
Levegő
38
0.8
3
Argon
38
0.67
3
Kripton
38
0.39
Látható, hogy azonos rétegszám és vastagság esetén a legjobb Ug értékek a nemesgáztöltéssel rendelkező üvegek esetén érhető el. A legoptimálisabb a kripton gázzal töltött háromrétegű ablaküveg alkalmazása. A nyílászárók üvegezésének kiválasztásán túl a tokszerkezet tulajdonságai is rendkívül fontosak. A tokszerkezet anyaga alapján három fő típus különböztethető meg: fa keretes műanyag keretes fém/alumínium keretes
27
A tokszerkezet alapanyaga a hőátbocsátási tényező értékére jelentős hatást gyakorol, hiszen a három különböző anyag három különböző hővezetési tényezővel rendelkezik. A keretek esetén nem lehet egyértelmű összehasonlítást készíteni, hiszen a keretben található légkamrák, illetve a keret vastagsága miatt jelentős különbségek léphetnek fel. A keretekre vonatkozó átlagos hőátbocsátási tényezők alapján megállapítható, hogy az alumínium keret jellemzően 2-3 x akkora Uf értékkel rendelkezik, mint a műanyag vagy fa keretek. A műanyag illetve a fa keretek átlagosan közel azonos Uf értékkel rendelkeznek. [7] A tájékozatók alapján, illetve a környezettudatosság szellemében fa keretes, háromrétegű
üvegezéssel
és
argongáz
töltettel
rendelkező
nyílászárókat
választottam ki. Ezen felül a külső és a belső üvegrétegek rendelkeznek egy úgynevezett Low-E réteggel, amely az angol low emissivity szó rövidítéséből alakult ki. Az ilyen réteg tulajdonképpen egy, az ablaküveg belső felületére felhordott vékony, fémoxid réteg, amely lecsökkenti az ablaküvegen a sugárzásos hőcsere mennyiségét. Ez alapján az általam kiválasztott ablaküvegek rétegrendje az alábbi: 4 Low-E. - 17,5Ar - 4 - 17,5Ar - 4 Low-E Látható, hogy összesen 48 mm az üvegezés vastagság. Az így elérhető Uf hőátbocsátási tényező értéke: 0,5 W/m2 K. Ezen érték kellően alacsony ahhoz, hogy elérhető legyen vele a 7/2006TNM rendelet költségoptimalizált szintjére vonatkozó előírás.
5.3. Hőtechnikai számítások A passzív szigeteléssel rendelkező külső falazatok rétegtervi hőátbocsátási tényezőinek, illetve a nyílászárók hőátbocsátási adatainak ismeretében a WinWatt program segítségével kiszámítottam a téli hőszükségletet, amely a fűtéstechnikai rendszer tervezésének alapja. Az 5.1.3 fejezetben bemutattam, hogy a két kiválasztott szigetelőanyag típus (EPS, kőzetgyapot) esetén milyen szigetelőanyag vastagság szükséges az egyes - a 7/2006 TNM rendeletben foglalt - követelményszintek eléréséhez. Ezt követően az 5.2 fejezetben bemutattam, hogy milyen feltételek mellett teljesíthetőek a nyílászárókra vonatkozó követelményszintek. Ezek alapján a WinWatt program segítségével készítettem egy összehasonlító elemzést a különböző felújítási lehetőségeket figyelembe véve. Az összehasonlítás 28
során vizsgáltam, hogyan alakulna a téli hőszükséglet nagysága az alábbi esetekben: nyílászárócsere falszerkezeti hőszigetelés nélkül falszerkezeti hőszigetelés nyílászárócsere nélkül nyílászárócsere falszerkezeti hőszigeteléssel. A fenti szempontok alapján elkészítettem egy összehasonlító 5.7 táblázatot, melyben szerepelnek az így kapott téli hőszükséglet értékek. 5.7. táblázat Különböző fejlesztési lehetőségek összehasonlítása
Követelményszint Szigetelés típusa Alap [W]
Költségoptimalizált [W]
Nyílászárócsere
12218
11911
EPS szigetelés
9431
8782
Kőzetgyapot szigetelés
9465
8815
Nyílászárócsere + EPS szigetelés
8943
7974
Nyílászárócsere + Kőzetgyapot szigetelés
8977
7998
A 4.3.3.2 fejezetben bemutatott energetikai számítás során az épület téli hőszükségletére Q= 14,311 kW bázisértéket kaptam. Összehasonlítva a fenti táblázat adataival megállapítható, hogy kizárólag nyílászárócserével nem csökken jelentősen az épület téli hőszükséglete, tehát mindenképp szükség van a falszerkezetek utólagos külső hőszigetelésére. Abban az esetben amennyiben nem végzünk nyílászárócserét, csak külső szigetelést, az elérhető téli hőszükséglet csökkenés már nagyon jelentős: alap követelményszint esetén 4,8 kW EPS és kőzetgyapot szigetelés esetén, míg költségoptimalizált követelményszint esetén már 5,5 kW hőigény csökkenés tapasztalható. A
várakozásoknak
megfelelően
a
legnagyobb
téli
hőigénycsökkenést
a
nyílászárócsere és a külső hőszigetelő rétegek együttes alkalmazásával érhető el. Ez alapján megállapítható, hogy alap követelményszintnek való megfelelés esetén 5,3 kW, míg költségoptimalizált követelményszint esetén 6,3 kW hőmennyiség csökkenés tapasztalható a bázisértékhez képest. Látható, hogy a két szint között 1 kW a téli hőigényben a különbség. 29
Meglepő módon a táblázatból kiderül, hogy közel azonos a hőigény mértéke a költségoptimalizált szintnek való megfelelőség szerint szigetelt falszerkezetek alkalmazásával, mint ha mind a nyílászárókat, mind a szigetelőrétegeket az alap követelményszintnek megfelelően választjuk meg. A fenti megállapítások illetve a táblázat adatai alapján megállapítható, hogy energetikailag
a
legelőnyösebb
a
költségoptimalizált
követelményszint
alkalmazása. 5.3.1. Helyiségek hőtechnikai adatai Az alábbi 5.8 táblázatban összefoglaltam, hogy az egyes helyiségekben mekkora lesz a téli hőveszteség nagysága az előző 5.3 fejezetben meghatározott feltételek szerint. Az alábbi táblázatban szereplő helyiségek adati a költségoptimalizált szintnek megfelelő hőszigetelési rendszer alkalmazása esetén érhetőek el. A továbbiakban, a táblázatban szereplő értékek lesznek az egyes fűtési rendszerek méretezésének alapjai. 5.8. táblázat Helyiségek hőtechnikai adatai
Teljes téli hőveszteség [W]
Transzmissziós hőveszteség [W]
Filtrációs hőveszteség [W]
Folyosó
817
415
402
Fürdőszoba
575
368
207
Háló_1
1355
750
605
Háló_2
1420
815
605
Konyha
929
510
419
Konyha_új
749
474
275
Nappali
1114
629
485
Szoba_új
1039
543
496
Helyiség
Az 5.8 táblázatban szerepel a teljes téli hőveszteség, amely két részből tevődik össze: a
külső
határoló
szerkezeteken
keresztül
eltávozó
transzmissziós
hőveszteség helyiség filtrációs hővesztesége A határoló szerkezetek utólagos hőszigetelésével, illetve a nyílászárók cseréjével a transzmissziós hőveszteség nagyságát lehet direkt módon csökkenteni. Az 5.8
30
táblázatban szereplő különböző fejlesztési lehetőségek közötti téli hőveszteségbeli különbségek mind a transzmissziós hőveszteség változásából adódnak. A transzmissziós hőveszteség kiszámítása során alapul veszi a már korábban definiált külső felületek rétegrendjeit, s az abból származó U hőátbocsátási tényező értékét. Az U hőátbocsátási tényező értékét az alábbi összefüggés alapján számíthatjuk:
𝑈= Az U hőátbocsátási tényező
1 1 𝛿 1 +∑𝑛 𝑛 +𝛼 𝛼𝑏 𝑛 𝑘
ismeretében
[𝑊/𝑚2 𝐾]
(5.2)
kiszámítható
az adott felület
transzmissziós hővesztesége:
𝑄̇ = 𝐴 ∙ 𝑈 ∙ ∆𝑡 [𝑊]
(5.3)
Ezen két (5.2-5.3) összefüggés alapján számítottam ki az 5.8 táblázatban foglalt transzmissziós hőveszteségek nagysága. Az 5.3 képletben található ∆t a helyiség belső hőmérsékletének és a külső hőmérsékletnek a különbsége. A belső hőmérsékletértékeket megadtam a program számára, míg a külső hőmérsékletek esetében az ISO13370 szabvány ide vonatkozó rendelkezéseit vette alapul a program.
5.4. Passzív hőszigetelés kiválasztása Az előző fejezetekben bemutattam, hogy milyen hatással van az épület hőtechnikai tulajdonságaira a külső határoló szerkezetek hőszigetelése, illetve a nyílászárók korszerűsítése. A határoló szerkezetek hőszigetelése során kétféle megoldást vizsgáltam, melyek alkalmazásához különböző előnyök és hátrányok kapcsolhatók. Ezen felül megvizsgáltam, hogy a 7/2006 TNM rendeletben szereplő két
fő
követelményszintnek
való
megfelelés
esetén
milyen
hőtechnikai
tulajdonságokkal bír az épület. Az
5.7
táblázatban
látható,
hogy
az
alap
és
a
költségoptimalizált
követelményszintnek való megfelelés, illetve a különböző határoló szerkezetek megfelelése esetén mekkora az épület teljes hőigénye. Ez alapján megállapítható, hogy hosszú távon érdemes alkalmazni a költségoptimalizált szintre vonatkozó
31
7/2006TNM rendelet előírásait. Az 5.9 táblázatban összefoglaltam, hogy mekkora a költségvonzata az 5.7 táblázatban bemutatott esetleges megoldási módoknak. 5.9. táblázat Költségkalkuláció az 5.7-es táblázat vonatkozásában Követelményszint Szigetelés típusa Alap [W]
Költség [Ft]
Költségoptimalizált [W]
Költség [Ft]
Nyílászárócsere
12218
1 068 582 Ft
11911
1 313 907 Ft
EPS szigetelés
9431
889 120 Ft
8782
1 252 640 Ft
Kőzetgyapot szigetelés
9465
979 032 Ft
8815
1 402 160 Ft
Nyílászárócsere + EPS szigetelés
8943
1 957 702 Ft
7974
2 566 547 Ft
Nyílászárócsere + Kőzetgyapot szigetelés
8977
2 047 614 Ft
7998
2 716 067 Ft
Látható, hogy az alap és a költségoptimalizált szint között a költségek tekintetében körülbelül 35%-os különbség figyelhető meg.
A költségoptimalizált szint
alkalmazásával átlagosan 1 kW-al kisebb a téli hőszükséglet értéke. Ez az 1 kW hőenergia különbség jelentős lehet: például a hőtermelő egység kiválasztása során nagyobb berendezést kell választani, amelynek a bekerülési költsége nagyobb. Az eredmények alapján érdemes a költségoptimalizált szint szerint megvalósítani a fejlesztést, mégpedig a külső határoló szerkezetek teljes szigetelésével, illetve a nyílászárók cseréjével. Az 5.9 táblázat eredményei összesített adatok, a számítás során használt adatokat táblázatos formában csatolom az M7-es mellékletben. Ezen szint eléréséhez az 5.4 táblázat alapján két lehetőséget határoztam meg: EPS és kőzetgyapot szigetelőanyag alkalmazását, melyek tulajdonságait az 5.2 és az 5.7 táblázatban vizsgáltam. Megállapítható, hogy hőtechnikailag nincs jelentős különbség a két szigetelőanyag között, az alkalmazásával elérhető hőenergia csökkenés mértéke közel azonos. Így a továbbiakban a kőzetgyapot szigetelőanyag alkalmazását javaslom.
32
6. A FOGYASZTÁSI ADATOK VIZSGÁLATA
6.1. Fogyasztói szokások feltérképezése A fogyasztói szokások elemzése az épületgépészeti rendszerek tervezésének egyik elengedhetetlen lépése. A fogyasztói szokások ismerete lehetőséget ad az energiahatékony rendszer tervezésre a belső komfort kialakítására.
6.2. Földgázfogyasztási szokások A gázfogyasztási szokások feltérképezése lehetőséget biztosít a fűtési rendszer igénybevételének előrejelzésére, hiszen az éves, havi és napi fogyasztási adatok ismeretében meghatározhatóak azok a csúcsterhelések, és a terhelések időtartamai. Ezen adatok a rendszerméretezés szempontjából fontosak. Ezen felül a jelenlegi fűtési rendszer állapotának felmérése is elengedhetetlen, mert az így számolt elméleti gázfogyasztás, s ez összevethető a tényleges fogyasztási adatokkal. Ez alapján a teljes rendszer hatásfoka is meghatározható. A továbbiakban a földgázfogyasztás éves és napi menetrendjét vizsgálom, nyári és téli napok esetén. A diagramok készítése során az előző év, ténylegesen lemért, s az ezáltal elfogyasztott – gázmennyiségét vettem alapul. A gázórák olvasása minden hónap azonos napján történt, így lehetőségem volt nagyon pontos képet kapni a fogyasztás éves menetrendjéről. 6.2.1. Földgázfogyasztás éves menetrendje A földgázfogyasztás éves menetrendje két nagy egységre tagolható: nyári földgázfogyasztás téli földgázfogyasztás. A nyári fogyasztási adatok képezik a földgázfogyasztás alapját: a konyhai gáztűzhely által a nyári hónapok (Június, Július, Augusztus) során elfogyasztott átlagos havi gázmennyiség. Ez a nyári átlagos fajlagos mennyiség jó közelítéssel megfeleltethető az év többi hónapjának konyhai gázfogyasztásával is. Így, amennyiben a téli hónapok földgázfogyasztásából levonjuk ezt a nyári fajlagos átlagfogyasztási értéket, akkor megkapjuk a tényleges fűtésre elhasznált földgáz mennyiségének nagyságát. Az alábbi 6.1 diagramon kék görbével jelöltem 20152016 év során a földgázfogyasztás mennyiségét, illetve pirossal a nyári földgázfogyasztás átlagértékét.
33
6.1. ábra Éves földgázfogyasztás
A 6.1 diagramban szereplő két görbe által közrezárt terület felel meg a téli, fűtési célból
felhasznált
földgázmennyiségnek.
Ezen
adat
a
későbbiekben
az
összehasonlítás alapját fogja képezni. A 6.1 diagram a fogyasztói szokások felmérése alapján készült, mely során az alábbi pontok kerültek feltárásra: a fűtési rendszer két részből áll, egy központi és egy egyedi fűtést biztosító kéménybe szerelt konvektorból a központi fűtési rendszert általában októberben indítják, amikor a külső hőmérséklet tartósan + 2°C alatt marad a központi fűtési rendszer kikapcsolása Április elején történik (tartós fagymentesség esetén) ezen túl az egyedi fűtési rendszer szakaszosan üzemel a teljes fűtési szezon alatt, a külső hőmérséklethez viszonyított mértékben. A központi fűtési rendszer a teljes alapterületet ellátja, míg a kéménybe szerelt konvektoros egyedi fűtés egy 50m2-es területet fűt be, párhuzamosan a központi rendszerrel. 6.2.2. Gázfogyasztás napi menetrendje (fűtés napi menetrendje) Mint ahogy azt az előző 6.2.1 fejezetben bemutattam, éves szinten jelentős különbségek
fedezhetőek
fel
a
földgázfogyasztás
napi
mértékében.
földgázfogyasztás nyári napi ritmusa az alábbi 6.2 ábra szerint alakul:
34
A
6.2. ábra Nyári földgázfogyasztás napi ritmusa
Az ábrából kitűnik az életvitel, az étkezések konyhai ritmusa. A földgázfogyasztás napi összes mennyisége átlagosan (a 6.1 diagram alapján): 0,55 m3, amely kizárólag a lakóépületben található két földgáztüzelésű tűzhely használatából származik. A fogyasztás napi menetrendjének meghatározása során becsléssel dolgoztam: a teljes napi átlagfogyasztás értékét osztottam fel a fogyasztói szokásoknak megfelelő mértékben. Ezzel ellentétben a téli földgázfogyasztás napi ritmusa az alábbi 6.3 ábra szerint adódik:
6.3. ábra Téli földgázfogyasztás napi ritmusa
Az ábrán látható fogyasztási görbe meghatározása során újfent a 6.1 ábrán bemutatott fogyasztási adatok átlagából indultam ki, s a lakók elmondása alapján készítettem el a napi ritmust. A téli átlagos napi földgázfogyasztás mennyisége 10 m3/ nap értéknek adódott. Látható, hogy 0,3 m3 az alapfogyasztás, ez tartalmazza a központi gáztüzelésű kazán, illetve a kéménybe szerelt konvektor gázfogyasztását. Ez a mennyiség az éjszaka (22-05 óráig) állandónak tekinthető, hiszen a konvektor egy állandó értékre
35
van beállítva, a központi fűtés pedig az egész fűtési idény alatt szintén egy adott állandó üzemmódra van beállítva. A diagramon látható, hogy 5 órától hirtelen meredeken megnövekszik az elfogyasztott gáz mennyisége, ami abból következik, hogy a lakók az ébredést követően, magasabb fokozatra állítják a vezérlő termosztátot. Ezen felül megjelenik az előző 6.2 ábrán már bemutatott alapfogyasztás is, hiszen a gáztűzhelyeket ugyan olyan napi ritmusban használják télen, mint nyáron. Ez alapján a napi fogyasztási csúcs 0,53 m3/óra értékűnek adódik.
6.3. HMV fogyasztási szokások A használati meleg víz fogyasztási szokások elemzése és ismerete elengedhetetlen az épület teljes energetikai rekonstrukciójához. A fogyasztási szokások elemzésével meghatározhatóak azok a csúcsértékek melyek a rendszerméretezés alapját fogják jelenteni. A HMV fogyasztás napi illetve heti menetrendjének elkészítéséhez a helyszíni szemle során készített fogyasztói szokás-felmérés eredményeit használtam. A felmérés során nem volt lehetőségem a ténylegesen elfogyasztott vízmennyiség lemérésére, így mindössze a különböző HMV fogyasztások időtartamára tudtam adatokat gyűjteni. Ezen adatok, illetve az átlagos fajlagos fogyasztási mennyiségek ismeretében elkészítettem a napi illetve a heti HMV használati menetrendet. A HMV előállítása jelenleg villamos forróvíztárolóval történik. Az alábbi 6.1 táblázatban összefoglaltam az általam használt átlagos fajlagos fogyasztási mennyiségeket, különböző esetekben: 6.1. táblázat Fajlagos HMV fogyasztási mennyiségek [8]
Mosogatás Zuhanyzás Kádfüdő Mosdó Kézmosás
Vízhőfok [%C]
Fajlagos fogyasztás [l/min]
60 38 43 38 38
8 8 12 6 3
36
6.3.1. HMV fogyasztás napi menetrendje A HMV fogyasztási szokások napi menetrendjének feltérképezése elengedhetetlen a rendszer méretezése során, hiszen a napi fogyasztási csúcsérték adja meg a rendszerméretezés alapértékét. Az alábbi 6.4 diagramon látható a napi ritmus:
6.4. ábra HMV használat napi ritmusa
A fenti diagramon bemutatott nap, egy téli, hétvégi napnak a fogyasztása. Ez tekinthető méretezési alapnak. A görbén két csúcs található, az első egy reggeli csúcsérték, mely tartalmazza 2 fő zuhanyzását, illetve mosdási és kézmosási tevékenységet. Az esti csúcs tartalmazza a házban lakó 3 fő zuhanyzási illetve 1 fő kádfürdő használatát. A zuhanyzásokat egységesen 10 perc hosszúra vettem a számítás során. Látható, hogy az esti csúcsérték 160 l, ami azt jelenti, hogy a rendszerben található HMV tárolót ennél nagyobb tárolási kapacitásúra kell méretezni. Így a méretezés során egy darab 200 literes tartályt fogok HMV tároló egységnek használni. 6.3.2. HMV fogyasztás heti menetrendje A HMV fogyasztási adatok heti menetrendje látható az alábbi 6.5 ábrán:
6.5. ábra A HMV fogyasztás heti ritmusa
37
Az ábrán látható, hogy hétköznaponként a teljes napi fogyasztás nagyjából 100 lrel alulmarad a hétvégi mennyiségnek, ami a fogyasztók épületben tartózkodásának rövidebb időtartamával magyarázható. A rendszer méretezéséhez a hétvégi fogyasztás mértékét kell alapul venni.
38
7. A MEGÚJULÓ ENERGIHASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEK ELEMZÉSE
7.1. Természetes környezet vizsgálata A vizsgált épület Sajólád település belterületén helyezkedik el. A település a Sajó és Hernád folyók alkotta hordalékkúpon helyezkedik el. Földtani adottságokat tekintve „a felső pannóniai rétegekre átmenet nélkül települt pleisztocén durva üledék, mely a süllyedés miatt vastagon borítja a korábbi képződményeket.” [9] Megállapítható, hogy a talaj laza, agyagos, kavicsos szerkezetű, a talajvíz szintje jelentős. A talajvíz kiterjedéséről a 7.1 ábra nyújt részletes információt:
7.1. ábra Talajvíz szintjének elhelyezkedése
A területen viszonylag magas a talajvíz átlagos szintje, hiszen a település egészén már 2-4 m közötti mélységben található talajvíz. A térképen egy piros ponttal jelöltem a kiválasztott lakóépület helyét, és azon a területen átlagosan 2-4 m között van a talajvíz mélysége. Ezek alapján a terület kiválóan alkalmas geotermikus földhőhasznosításra. Ezen túlmenően a magas talajvízszint elősegíti a szonda, vagy csőkígyó által átjárt talajréteg regenerációját hőtechnikai szempontok szerint. A település az ország északkeleti részén fekszik, így meteorológiai szempontból a terület változékony, az évi középhőmérséklet alacsonyabb, a csapadék mennyisége több (700-800mm), míg a napsütéses órák száma kevesebb az országos átlagnál. [10]. Az alábbi 7.2 ábrán látható hogyan alakultak az évi átlagos napfénytartamok Magyarországon az 1971-2000 közötti időszakban.
39
7.2. ábra Éves napsütéses órák száma Magyarországon [11]
Ez alapján megállapítható, hogy a fotovoltaikus elektromos áramtermelés Sajólád településen nem a legelőnyösebb, hiszen átlagosan mindössze 1740 a napsütéses órák száma évente, holott vannak olyan területek az országban ahol 2000 óra/év. Ezek alapján mindenképp érdemes mélyrehatóbban elemezni a napenergia hasznosításban rejlő lehetőségeket, annak előnyeit, hátrányait, illetve az esetleges megtérülés lehetőségét. A lakóépületen jelentős méretű DK-i és DNY-i tájolású tetőfelületek találhatóak, melyek alkalmasak arra, hogy napkollektorokat, vagy napelemcellákat telepítsünk. A lakóépület mellett található különálló gazdasági épületek tetőfelülete DK-i és D-i tájolásúak, így e felületek energetikai célú hasznosítása célravezető lenne. A 4.1 ábrán látható, hogy a lakóépület négyzet alapú része fölött sátortető található DK-DNY-i tájolású részekkel, melyek telepítésre nem igazán alkalmasak.
7.2. Épület közvetlen környezetének vizsgálata Az épület közvetlen környezetének vizsgálata elengedhetetlen az energetikai fejlesztéshez. A geotechnikai és meteorológiai adottságok eldönthetik, milyen megújuló energetikai hasznosítási lehetőségek vannak az épület közvetlen környezetében. Az épületről és a hozzá tartozó telekről általam készített sematikus rajz látható a 7.3 ábrán:
40
7.3. ábra Az épület és környezete
A vizsgált épület esetében– a 7.3 ábrán látható módon - a telek DK-i oldalán lévő kertben két nagy terjedelmű fa található, de lombozatával a tetőfelületeket nem árnyékolja. A vizsgálatok alapján a legegyszerűbben és leghatékonyabban a földhőszondák alkalmazásával lehetne eredményesen kiaknázni a környezet megújulóenergia tartalmát. A későbbi fejezetekben részletezni fogom a talajhőszondának az elhelyezését, illetve annak a fűtési rendszerre csatlakozásának lehetőségeit, és a tényleges megvalósítás módját.
41
8. ÉPÜLETGÉPÉSZETI RENDSZER VIZSGÁLATA Az alábbi fejezetben az épületgépészeti rendszer jelenlegi tulajdonságait, a hiányosságait, hibáit, illetve ezeknek a mértékét, fogyasztásra való hatásukat vizsgálom.
8.1. Jelenlegi központi fűtési rendszer áttekintése és a veszteségek feltárása A jelenlegi központi fűtési rendszer alapvetően két nagy egységre bontható: központi fűtési rendszer helyiségfűtés. A központi fűtési rendszer az alábbi 8.1 ábrán látható:
8.1. ábra Épület központi fűtési rendszer alaprajza
A központi fűtési rendszer kivitelezésekor egy fatüzelésű kazán volt a hőtermelő egység, amit a későbbi 1980-as évekbeli bővítés során egy korszerűbb földgáztüzelésű kazánra cseréltek a lakók. A rendszer 90/70°C-s hőlépcsővel lett kialakítva, kezdetben gravitációs cirkulációval, amelyet a gázkazán beépítésével párhuzamosan felváltott egy gépi, szivattyús keringtetés. Jelenleg a téli időszakban mindössze a gázkazán és az rendszert működtető keringető szivattyú van használatban. Ahogy már azt korábban is említettem a rendszer kettős: a központi fűtés mellett az egyterű nappali-konyha rendelkezik egy kéménybe szerelt konvektoros helyiségfűtő
42
egységgel. A téli hőszükséglet kielégítéségére párhuzamosan szokták üzemeltetni a két rendszert. A jelenlegi rendszer függőleges csőtervét az M7-es mellékletben csatoltam. A 8.1es ábrán lévő alaprajz és a függőleges csőtervből megállapítható, hogy az előremenő csővezeték vonalvezetése nem kellően átgondolt. 8.1.1. Rendszer méretezési problémái A központi rendszer szerelő által terv nélkül készített hibáin túl, látható, hogy a konyhában és a nappaliban az egyedi helyiségfűtő berendezésen felül található két hőleadó radiátor is, melyek a központi rendszerre vannak rákapcsolva. A „túlméretezésből” fakadó extra hőnyereséget a lakók úgy mérséklik, hogy a központi rendszeren lévő radiátorok szelepeit szakaszosan nyitják. További tervezési hiba, hogy a kazánba visszatérő 70°C hőmérsékletű vezeték a kamrán keresztül van vezetve, ami fűti a helyiséget. A fűtési rendszer alaprajzából megállapítható, hogy egyfajta sugaras elrendezés lett kialakítva. A helyszíni szemle során tapasztaltam, hogy a csővezetékek átmérője jelentősen túl van méretezve, mint ahogy az a 9.1 ábrán is jól látható.
8.2. ábra Jelenlegi központi fűtési rendszer csőátmérői
A nagyméretű csőátmérők a gravitációs üzemvitel miatt lettek beépítve a rendszerbe az 1970-es években, viszont az 1980-as évekbeli bővítés során beépített földgáztüzelésű kazán és a keringető szivattyú a már meglévő rendszerhez lett hozzáépítve. A csőátmérők miatt a rendszer teljes térfogata
43
jelentős: 293 dm3, amely nem tartalmazza a radiátorokat, amelyekben található folyadékmennyiség mértékét csak becsülni lehetne. A helyiségben található hőleadó radiátorok méretezése nem a hőigényeknek megfelelően történt, ennek mértékét az alábbi 8.1-es táblázatban foglaltam össze: 8.1. táblázat Rendszer jelenlegi radiátorai és a hőigények
Jelenlegi hőleadók [W]
Teljes téli hőveszteség [W]
Túlméretezettség mértéke [%]
Folyosó
2057
1185
174%
Fürdőszoba
1558
1028
152%
Háló_1
4479
2531
177%
Háló_2
4479
1507
297%
Háló_2
2133
1103
193%
Konyha
1783
1273
140%
Konyha_új
3990
1236
323%
Nappali
1632
2187
-75%
Szoba_Új
1707
952
179%
Szoba_Új
2233
952
235%
Helyiség
A táblázatban egyes helyiségek neve kétszer szerepel, ennek oka, hogy azon helyiségekben két fűtőtest található. A fűtőtestek névleges maximális hőleadó képességét gyártói műszaki leírások alapján adtam meg. Az egyes fűtőtestekre jutó valós hőigény az elméleti számítások alapján került be a táblázatba. Látható, hogy egyetlen egy helyiséget leszámítva minden egyes radiátor legalább másfélkétszeresen túl van méretezve. A jelentősen túlméretezett hőleadókhoz jelentősen túlméretezett rendszer is tartozik, ami azzal jár, hogy melegvíz és költségpazarló a rendszer, szabályozása lehetetlen. 8.1.2. Rendszer szabályozása Jelenleg egy szobatermosztát található a konyhában melynek segítségével a központi fűtési rendszer ki-be kapcsolással szabályozható lenne. A radiátorok egy gömbcsapokkal szereltek, ezekkel szabályozás nem lehetséges. A rendszer szakszerűtlen kialakítása, „túlméretezése”, szabályozatlansága folytán – valamint elavult anyaghasználata miatt – nem illeszthető a költségoptimalizált szinten elvárt hőtechnikai korszerűsítésnek. A rendszer teljes cseréje feltétlenül indokolt.
44
9. ÉPÜLET ENERGETIKAI FEJLESZTÉSE Az épület passzív hőszigetelésével (lásd 5. fejezet) elérhető, hogy a bázisértékől1 a téli hőszükséglet nagysága jelentős mértékben csökkenjen. Így a fűtési költségek is jelentős mértékben csökkenni fognak. Az előző 8. fejezetben feltárt okok miatt az épület épületgépészeti rendszereinek fejlesztése elengedhetetlen. A fűtési rendszert három különböző módozatban vizsgálom: Tichelmann rendszer sugaras csőhálózat padlófűtés.
9.1. Tichelmann hidraulikai rendszer A Tichelmann hidraulikai rendszer az energetikai, épületgépészeti gyakorlatban elterjedt, optimális nyomásviszonyokkal, így jól szabályozhatósággal rendelkező rendszer. Alkalmazása a fűtés-, hűtés-, légtechnikában illetve geotechnikai területen meghatározó. 9.1.1. Elméleti áttekintés A Tichelmann rendszer a XIX. század elején kialakult fűtési rendszer-elrendezés. Jelen épület esetében a tájolás, a fogyasztói igények, illetve a fogyasztói szokások okán nagy hatékonysággal alkalmazható. A jól megtervezett Tichelmann rendszer hidraulikailag önszabályozóvá válik. Fontos követelmény a megfelelő hatékonyság elérése érdekében, hogy az épület egyenletes terhelésű és szimmetrikus kialakítású legyen, értem ezalatt, például egy É-D-i fekvésű, hosszan elnyúló épület esetében nem lehet kihasználni a Tichelmann rendszer előnyeit. Ilyen esetben érdemes más rendszer elrendezést megvizsgálni. Az alábbi 9.1 ábrán bemutatom a legfőbb különbséget a hagyományos fűtési- és a Tichelmann-féle rendszer alaprajza között. Az ábrán szereplő fűtőtestek hőleadó képessége megegyezik tehát: 𝑄̇𝐼 = 𝑄̇𝐼𝐼 = 𝑄̇𝐼𝐼𝐼 = 𝑄̇𝐼𝑉 .
1
Az épület jelenlegi állapot szerinti téli hőszükségletének nagysága 13,82 kW
45
9.1. ábra Hagyományos és a Tichelmann rendszer
Látható, hogy hagyományos fűtési rendszerben a IV. fűtőtest képezi a rendszer utolsó elemét, ahonnan visszafordul a hőenergiájának jelentős részét elvesztő víz. Az ábrán látható, hogy az utolsó fűtőtestből indul vissza a hőforrás felé a visszatérő ág, s ebbe csatlakozik be a többi fűtőtest visszatérő csonkja. Emiatt az I. fűtőtestnél két nagy átmérővel rendelkező csővezetéket kell elhelyezni, hiszen az előremenő vízmennyiség még jelentős mértékű, illetve a visszatérő vízmennyiség már jelentős mértékű. A IV. fűtőtestnél ezzel szemben mind a visszatérő, mind az előremenő vezeték átmérője kicsiny. Ez kivitelezés során okoz nehézségeket, illetve egyben a rendszer hidraulikai egyensúlyának problémáját is előrevetíti. A hagyományos rendszer esetén a hőforráshoz közelebb elhelyezkedő fűtőtesteken áthaladó víz útja rövidebb, mint a távolabb elhelyezkedőké. Ezzel szemben a Tichelmann rendszer esetén a visszatérő ág egy irányban áramlik az előremenő ággal, s az I. jelű fűtőtestből indul ki a visszatérő ág. Ez az elrendezés a kivitelezés során nagyon előnyös, hiszen az I. fűtőtestnél az előremenő vezeték nagy-, míg a visszatérő vezeték kis átmérőjű. A IV. fűtőtest esetén pedig az előremenő vezeték a kis-, míg a visszatérő vezeték a nagy átmérőjű. A Tichelmann rendszer esetén minden egyes fűtőtest esetén egyforma hosszúságú utat tesz meg a vízáram, ami a fő különbséget jelenti a hagyományos rendszerrel szemben. Természetesen nem csak kivitelezési szempontok szerint tér el a két rendszer: a hidraulikai beszabályozás és nyomáseloszlás szerint is jelentős különbségek vannak. Az alábbi 9.2 ábrán látható, egymás mellett egy hagyományos kétcsöves fűtési rendszer és a Tichelmann rendszer nyomásesés diagramja négy fogyasztó esetén.
46
9.2. ábra Hagyományos és Tichelmann rendszer nyomásesés diagramja
A hagyományos kétcsöves rendszer esetén, az I. fűtőtesten nagy a nyomásesés nagysága, hiszen ott egyenlítődik ki az előremenő ág még magas nyomása és a visszatérő ág még egy fűtőtest által létrehozott, kezdeti alacsony nyomása. Az utolsó fogyasztó esetén már csak a fűtőtest nyomásvesztesége jelenik meg, mint Δp nyomáskülönbség. Ez alapján belátható, hogy hagyományos rendszerben 𝛥𝑝4 < 𝛥𝑝3 < 𝛥𝑝2 < 𝛥𝑝1 feltétel teljesül a nyomásesések nagyságára. Ahhoz, hogy a rendszer hidraulikailag szabályozott legyen beszabályozó szelepekre van szükség, melyek segítségével lehet a fűtőtesten átáramló térfogatáram mértékét befolyásolni. Tichelmann rendszer esetén látható, hogy az I. fűtőtestből indul el a visszatérő ág, így az közvetlenül nem a fő visszatérő vezetékbe csatlakozik be. Így az I. fűtőtesten akkora a nyomásesés nagysága amekkora az elem hidraulikai ellenállása. Ezáltal beszabályozó szelepek használata nélkül igazzá válhat, hogy: 𝛥𝑝4 = 𝛥𝑝3 = 𝛥𝑝2 = 𝛥𝑝1 . Megállapítható, hogy a rendszer hidraulikailag önszabályozó, hiszen nincs szükség szelepekre a hidraulikai egyensúly beállításához abban az esetben amennyiben a fűtőtestek hidraulikai ellenállása (mérete, hőleadás mértéke) közel hasonló. [13]
47
A jelenlegi fűtési rendszert a kivitelezéskor 90/70 °C-ra alkották meg 20°C belső hőmérséklet mellett. Ez alapján a ∆𝑡𝑘.𝑟é𝑔𝑖 közepes hőmérsékletkülönbség:
∆𝑡𝑘,𝑟é𝑔𝑖 =
90+70 2
− 20 = 60 °𝐶
(9.1)
Amennyiben az új fűtési rendszer közepes hőmérsékletkülönbsége alacsonyabb, mint 60 °C a hőleadókat erre kell méretezni. 9.1.2. A családi ház fűtése Tichelmann-féle rendszer szerint Az előző 9.1.1 fejezetben bemutatott elméleti alapok felhasználásával elkészítettem az épület fűtési rendszerének alaprajzi vázlatát, mely az alábbi 9.3 ábrán látható:
9.3. ábra Családi ház fűtési rendszere Tichelmann-féle alapvezetékek
A 9.3 alaprajz rajz az M8 mellékletben 1:100 méretarányban is megtalálható. A függőleges csőterv az M9 mellékletben található. A függőleges csőterv alapján látható, hogy az eredeti rendszerrel ellentétben mind az előremenő mind a visszatérő fűtési vezetékek a padló felett vannak elvezetve. Ez a megoldás mind szerelési szempontból, mind hőtechnikailag előnyös. Kiemelném a függőleges csőtervből a bejárati ajtó előtti csőelvezetés módját, amely az alábbi 9.4 ábrán látható:
48
9.4. ábra Bejárati ajtó alatti elvezetés
Látható, hogy a kivitelezés során elegendő egy 8-10 cm mély padlóhornyot készíteni, amiben le lehet fektetni a hőszigetelt csővezetékeket az ajtó alatti elvezetés megoldásához. A kialakuló áramlási sebesség nagyobb, mint 0,4 m/s (méretezés szerint), így „levegő dugó” nem alakulhat ki, légtelenítés nem szükséges. Az ábrán látható, hogy a kamrán áthaladó visszatérő vezeték is padlóhoronyban kerül elvezetésre, hőszigeteléssel ellátva. Ezen túl az új rendszerben a külső, lehűlő, falfelületek mentén kerültek elvezetésre a vezetékek, mely segítségével a külső falak felületi hőmérsékletét, még a bútorok mögött is javíthatjuk. 9.1.3. Tichelmann-féle rendszer méretezése A Tichelmann rendszer méretezése során egy saját készítésű programot alkalmaztam, melyet speciálisan erre a célfeladatra készítettem el. A program a számítás során az alábbi módszer szerint végzi a rendszerméretezést. A méretezés alapja a rendszer alaprajza illetve a függőleges csőterv, melyek az M8 illetve M9 mellékletben találhatóak meg. A méretezés két fő részből tevődik össze: a
vízszintes
alapvezeték,
illetve
a
függőleges
radiátor
csatlakozások
méretezéséből. A rendszerméretezés első lépéseként meghatároztam a program számára a csőszakaszokat, melyeket számokkal jelöltem el 1-8-ig. A csőszakaszok elhelyezkedése az alaprajzon jól látható. A
rendszerméretezés
során
először
az
alapvezeték
nyomásveszteségét
számítottam ki, az alábbi összefüggés alapján: 𝑙
𝑣2
𝑑
2
∆𝑝 = ∆𝑝𝑆 + ∆𝑝𝑍 = (𝑐𝑠 ∙ + ∑ 𝜉) ∙
∙ 𝜌 [𝑃𝑎]
(9.2)
A (9.2) összefüggés két tagból áll, egy az egyenes csőszakasz nyomáseséséből (súrlódási
ellenállás)
illetve
az
egyes
idomok,
szerelvények
okozta
nyomásveszteségből (alaki ellenállás). A ∆𝑝𝑆 értéke függ a cs csősúrlódási tényező értékétől, ami az adott csőszakaszra jellemző tényező. A gyakorlatban a ∆𝑝𝑆 49
értékének meghatározása során nem a tényező alapján történik, hanem a fajlagos csősúrlódási tényező értéke adja a számítás alapját: 𝑙
𝑣2
𝑑
2
∆𝑝𝑆 = 𝑐𝑠 ∙ ∙
∙ 𝜌 = 𝑆 ′ ∙ 𝑙 [𝑃𝑎]
(9.3)
Az S' [Pa/m] értékét a térfogatáram függvényében adják meg az adott fűtési csővezetékek gyártói. Az M11 mellékletben megtalálható az általam kiválasztott réz fűtési csővezeték fajlagos nyomásveszteség táblázata. Az adott csőszakaszon átáramló térfogatáram nagyságának meghatározásához az egyes csőszakaszok hőterhelésének kiszámítása szükséges. Ezt az egyes helyiségek, illetve hőleadók adatai alapján egyszerűen elvégzi a program. Ennek segítségével kiszámítottam a csőszakaszon szükséges tömegáram nagyságát az alábbi összefüggés segítségével:
𝑚̇ =
𝑄 ∆𝑡∙𝑐𝑣 ∙3600
𝑘𝑔 [ ⁄ℎ]
(9.4)
Ezt követően megadtam a program számára az adott csőszakaszok hosszát, majd a csőszakaszok átmérőjét. A csőszakasz átmérőjének ismeretében a program megvizsgálja, hogy az adott csőátmérő illetve térfogatáram esetében mekkora az S’ értéke. Amennyiben ezen érték 150 Pa/m-nél nagyobb úgy új, az előzőnél nagyobb csőátmérőt kell megadni. Ez a lépés iteratív, hiszen addig kell növelni, vagy csökkenteni a csőátmérőket, míg azok a megfelelőségi tartományon belülre nem kerülnek. Ezt követően a program automatikusan kiszámítja, a fajlagos nyomásveszteség illetve a csőhossz segítségével az adott csőszakasz nyomásveszteségét a (9.3) összefüggés alapján. A csőátmérő illetve a térfogatáram alapján kiszámítja a közeg áramlási sebességét az alábbi összefüggés alapján:
𝑣=
𝑚̇ 𝜌
∙
1 𝐴
[𝑚/𝑠]
(9.5)
A fenti 9.5 és a korábbi 9.2 képletben szereplő r [kg/m3] sűrűség érték alatt minden esetben a hőhordozó közegnek az adott hőmérsékleten vett értékét veszi figyelembe. Tehát víz közeg esetén az alábbi értékeket használtam: 9.1. táblázat Víz sűrűségének hőmérséklet függése [12]
r [kg/m3]
55 °C 985.7
45 °C 990.3
A program automatikusan kiválasztja az előremenő ág esetén az 55°C-hoz tartozó értéket, míg a visszatérő ág esetén a 45°C-hoz tartozó értéket.
50
Ezt követően az alaprajz illetve a függőleges csőterv alapján összeszámoltam és megadtam a Σξ értékét. Az értékek összeszámolása során az M11-es melléklet idomokra és szerelvényekre meghatározott ajánlásai alapján dolgoztam. A program automatikusan kiszámította a ∆pz értékét az alábbi összefüggés alapján:
∆𝑝𝑍 = ∑ 𝜉 ∙
𝑣2 2
∙𝜌
(9.6)
A program ezután összegzi az egyes csőszakaszokra kapott nyomásveszteségek értékeit, mind az előremenő, mind a visszatérő ágban, majd ahogy azt a 9.1.1 fejezetben is bemutattam, összegzi az egyes hőleadó egységbe beérkező és azt elhagyó csőszakaszok nyomásveszteségét. A Tichelmann rendszer alapja, hogy az egyes hőleadók nyomáskülönbség értékei megegyezzenek. A program megjeleníti a nyomáskülönbségeket, s ezt követően iteratív módon beállítottam az egyes csőátmérőket úgy, hogy a nyomáskülönbség értékek a lehető legjobban közelítsék egymást. Az alapvezeték méretezését követően az előzőeknek megfelelő módon elvégeztem az egyes függőleges radiátor csatlakozások méretezését is, azzal a különbséggel, hogy ez esetben nem csak a csővezeték súrlódási és alaki ellenállását kellett figyelembe vennem, hanem a lecsatlakozáson elhelyezkedő radiátor és a hozzá kapcsolódó szerelvények nyomásveszteségével is kellett számolnom. [12] Ennek kiszámítása során először kiválasztottam a helyiség hőigényét legjobban kielégítő hőleadót. Jelen esetben Buderus márkájú lapradiátorokat választottam ki. A kiválasztás során figyelembe vettem, hogy az ideális komfortérzet érdekében a radiátorok homlokfelülete minél nagyobb legyen. A hőleadókról, illetve a hőátadás módjairól az F1. függelékben írok részletesebben. A kiválasztás során az abban foglaltak szerint jártam el. A kiválasztott radiátorok típusa a függőleges csőtervben megtalálható. A kiválasztott radiátorok esetében az M10 mellékletben található nomogram segítségével meghatároztam az egyes radiátorok nyomásveszteségét. Ezt követően szükséges volt még a termosztatikus szelepek nyomásveszteségének meghatározására is. Azt követően a program összesíti, hogy az egyes radiátor csatlakozásokon mekkora volt a teljes nyomásveszteség nagysága, majd ezt az értéket hozzáadja az alapvezeték adott csőszakaszához. Így kialakul, hogy melyik csatlakozás és így melyik csőszakasz lesz a kritikus csőszakasz, amelyik meghatározza a rendszer szükséges nyomáskülönbségét. 51
A program kiszámítja, hogy az egyes radiátor csatlakozásokon mekkora extra nyomásesést kell biztosítani az egyen nyomáskülönbségek elérése érdekében. Az egyes csatlakozások beszabályozása a radiátor visszatérő ágában található beszabályozó szelep beállításával történik. A szükséges előbeállítási érték meghatározásához, a szelep gyártójának nomogramját használtam. (M10) A rendszer méretezési folyamata ezzel véget ért, mindössze a hőforrás és a rendszer csatlakozásánál lévő szerelvények alaki ellenállásából, illetve az ott lévő csőszakaszok
súrlódási
eredő
ellenállásából
nyomásveszteség
számítása
szükséges a már megismert módszer segítségével. Az így kapott értéket hozzáadja a program a rendszer alap nyomásveszteségéhez, s így kiszámításra kerül a teljes körnek a nyomásvesztesége. A teljes rendszer nyomásveszteségének segítségével kiszámítható a keringető szivattyú szükséges minimális emelőmagassága, amely a szivattyú kiválasztása során lesz fontos szempont. A nyomásveszteségből az alábbi összefüggés alapján számítható ki az emelőmagasság:
𝐻=
∆𝑝 𝜌∙𝑔
[𝑚]
(9.7)
9.1.4. Méretezett Tichelmann rendszer A bemutatott számítási eljárás alapján elvégeztem a rendszer alapvezetékeinek méretezését. Az alábbi 9.5 ábrán láthatóak a kapott eredmények:
9.5. ábra Leméretezett Tichelmann rendszer alaprajza
52
A 9.5 ábrán szereplő méretek és a számítás során kapott részletes eredményeket az M12 mellékletben található méretezési táblázatban csatoltam. Kivehető a 9.5 ábráról a 9.1.1 fejezetben bemutatott alapelvek, miszerint az előremenő és a visszatérő ágban azonos irányba áramlik a közeg, illetve, a két ágban lévő csőméretek egymáshoz való viszonya. A 9.5 ábrán jelöltem az összes csatlakozó vezetéket, amelyeknek a méretezését szintén elvégeztem a program segítségével. A függőleges csőterv tartalmazza a hőszivattyú és a fűtési rendszert összekötő szerelvények és biztonságtechnikai elemek összességét. A rendszer nyomásveszteségének méretezése során ezen elemek által létrehozott nyomásveszteség nagyságát is figyelembe vettem. A 9.5 ábra sematikusan tartalmazza a fűtőtesteket, annak mindössze a hosszirányú koordinátái olvashatóak le belőle. A függőleges csőterv tartalmazza az egyes radiátor bekötéseket, illetve a radiátorok pontos típusát, kötési távolságát, és magasságát. A méretezés során kapott pontos eredményeket az M12 jelű melléklet táblázatában foglaltam össze. Megtalálható benne az összes csőszakasz méretezése során kapott pontos eredmények.
9.2. Sugaras rendszer Az előző 9.1 fejezetben bemutatott Tichelmann rendszer alapvetően körvezetékes fűtési rendszerek körébe tartozik egy fűtési körrel. Ezzel szemben a sugaras rendszerkialakítás során számos fűtési kört kell kialakítani. A sugaras fűtési rendszereket jellemzően nagy kiterjedésű, alapterületű, többszintes épületek esetén alkalmazzák leggyakrabban, de kiválóan alkalmazható a vizsgált családi ház esetén is. Az épületben jelenleg is megtalálható fűtési rendszer alapvetően sugaras elrendezést követ. 9.2.1. Elméleti áttekintés A rendszer alapja, hogy közel azonos 𝑄̇ hőigénnyel rendelkező fűtési körre kell felosztani a rendszert, s minden egyes kör egy közös osztó-gyűjtőbe csatlakozik be. Többszintes épületek esetén kerülhet akár minden egyes szint külön körre, mégis a legjellemzőbb, hogy egy függőleges strangon elhelyezkedő fűtőtestek alkotnak egy kört. Földszintes épületek esetén a sugaras elrendezés alapvetően kétféle módon lehetséges. Az alábbi 9.6 ábrán látható a kétféle elrendezés [12]: 53
9.6. ábra Fűtési rendszer sugaras és körvezetékes elrendezése [14]
A 9.6 ábra bal oldalán lévő alaprajzon a központi osztó-gyűjtő az épület közepén helyezkedik el, s abból indulnak ki sugarasan a különböző fűtési körök. Ezt az elrendezési módot jellemzően újépítésű épületek esetén alkalmazzák, mivel utólagos kialakítása igen bonyolult és költséges lenne. Az ábra jobb oldalán lévő alaprajzon a központi osztó-gyűjtő az épület külső oldalán helyezkedik el, s az egyes körök a külső fal mentén kerültek elvezetésre. Ezt a rendszerkialakítást mind újépítésű mind felújítandó épületek esetén lehet alkalmazni, hiszen könnyen kivitelezhető. A sugaras elrendezés lehetőséget biztosít az égtáj szerinti beszabályozás megvalósítására, amely tulajdonképpen egy zónaszabályozásnak is tekinthető. Az ilyen típusú szabályozást jellemzően nagy kiterjedésű és tartós használatban lévő épületek esetén célszerű alkalmazni. Belátható, hogy az épületek benapozottsága jelentősen befolyásolja a fűtési igényt, hiszen egy déli, délnyugati fekvésű helyiségben, a délutáni órákban a sugárzásos hőnyereség nagysága jelentősebb s így a fűtési hőigény kisebb. Ezzel ellentétben, a délelőtti órákban a sugárzásos hőnyereség alacsony, ami intenzívebb fűtési hőigényt
eredményez.
Ez
a
különbség
jelenti
az
égtáj
szerinti
fűtési
rendszerszabályozás alapját. Ilyen esetben fűtési zónákat lehet létrehozni az égtájaknak megfelelően, s egy zónához egy fűtési kör kapcsolódik. 9.2.2. A családi ház fűtése sugaras rendszer szerint Az előző 9.2.1 fejezetben foglaltak alapján elkészítettem a fűtési rendszer alaprajzát. Az M13-as mellékletben csatoltam az alaprajz 1:100 arányú ábráját. A 9.7 ábrán kicsinyített méretben látható az alaprajz:
54
9.7. ábra Fűtési rendszer alaprajza sugaras elrendezésben
A fűtési rendszert három nagy zónára osztottam fel, melyek az alábbiak: 1. kör DNY-NY irányultsággal 2. kör K-DK irányultsággal 3. kör K irányultsággal a teljes új épületrész és a konyha számára A három kör kialakítása során igyekeztem az előző fejezetben bemutatott alapelvek szerint eljárni, amely jó közelítéssel meg is valósult, hiszen az egyes körök különböző égtájak felé irányulnak, továbbá a hőterhelésük nagysága is közel azonos, mint ahogy az alábbi 9.2 táblázatban jól látható: 9.2. táblázat Sugaras rendszer fűtőköreinek hőterhelése
Hőterhelés nagysága [W] 1. kör
2750
2. kör
2531
3. kör
2716
Az előző 9.2 fejezetben bemutatott Tichelmann-féle elrendezéshez hasonlóan a külső lehűlő felületek mentén vezettem az előremenő és a visszatérő vezetékeket, a padló felett. Ezen túl figyelembe vettem azt is, hogy az 1. kör előremenő illetve visszatérő ágai elkerüljék a kamrát. Az egyes körök egy közös osztó-gyűjtőbe csatlakoznak.
55
9.2.3. Sugaras rendszer méretezése A sugaras rendszer méretezése során az előző 9.1 fejezetben bemutatott alapelveknek megfelelően jártam el. Az előző fejezetben egy saját készítésű célprogram segítségével történt a rendszer méretezése. A sugaras rendszer méretezése során egy az IMI cég által készített Hecos nevű grafikus felülettel rendelkező rendszerméretező programot használtam. A program használata során először elkészítettem a grafikus felület segítségével a rendszer függőleges csőtervét, melyet az M14 jelű mellékletben csatoltam. Ennek készítése során először definiáltam a padló és a pincefödém méreteit, illetve az egyes helyiségeket, a helyiség hőtechnikai adatait. Ez fogja a későbbiekben a radiátor méretezés alapját képezni. Ezt követően elhelyeztem az egyes helyiségekben a hőleadó radiátorokat és a radiátorokat összekötő csővezetékeket. Minden egyes hőleadó esetén megadtam azok függőleges méreteit (kötési távolság), a beépítés korrekciós tényezőjét, maximálisan beépíthető hosszt és a radiátor típusát. A radiátorok kiválasztása során az F1 függelékben foglalt alapelveket vettem figyelembe, tehát törekedtem arra, hogy minél nagyobb legyen a sugárzó felület nagysága, a komfortérzet növelése érdekében. A radiátorok bekötővezetékein termosztatikus szelepeket helyeztem el, a visszatérő ágon pedig beszabályozó szelepeket. Ezt követően a M13 mellékletben található alaprajz segítségével meghatároztam a radiátorokat összekötő csővezetékek hosszméreteit, majd megadtam a program számára az egyes csőszakaszokon található szerelvények alaki ellenállását. Ezen kívül kiválasztottam a csővezeték anyagát, amely a fajlagos nyomásveszteség értékek szempontjából kritikus adat. A megadott adatok alapján a program a 9.1 fejezetben bemutatott számítási metódushoz hasonló módon határozza meg a rendszerben található csővezetékek átmérőjét, a radiátorok termosztatikus és visszatérő ágon lévő beszabályozó szelepek előbeállítási értékeit. A kapott eredményeket feltüntettem M13 jelű mellékletben található sugaras rendszer alaprajzán.
9.3. Padlófűtés A padlófűtés korunk egyik legkorszerűbb fűtéstechnikai megoldása. A hagyományos,
elsősorban
konvekciós
elven
működő
radiátoros
fűtési
rendszerekhez képest a padlófűtés javarészt sugárzás útján adja át a
56
környezetének a hőenergiát. Előnye, hogy a nagy hőleadó felületek miatt elegendő alacsony (40-45 °C) hőmérsékletű előremenő vezetékeket alkalmazni. Ez nemcsak a rendszer hőveszteségét csökkenti, hanem lehetőséget biztosít arra, hogy hőforrásként
kondenzációs
elven
működő
kazánt,
vagy
akár
megújuló
energiaforrást használjunk. A padlófűtéses rendszer a padló nagy hőtároló képessége miatt stabil rendszert, alakot, amely hirtelen hőmérsékletingadozás (pl.: szellőztetés miatti lehűlés) esetén gyors kiegyenlítődést biztosít. Ezzel szemben a nagy hőtehetetlenség a felfűtés során hátrány, hiszen emiatt az sokkal több időt vesz igénybe ez a folyamat, mint konvekciós elven működő fűtési rendszerek esetében. A fent említett technológiai és energetikai előnyökön túl komfortelméleti szempontokat figyelembe véve is az egyik legjobb fűtési módnak számít. Az alábbi 9.8 ábrán látható, hogyan alakul különböző fűtési módok esetén a hőmérsékleteloszlás függőleges sík mentén:
9.8. ábra Hőmérséklet-eloszlás függőleges sík mentén: 1. ideális, 2. padlófűtés, 3. konvekció, 4. mennyezetfűtés [15]
A komfortelméleti vizsgálatok kimutatták, hogy az emberi hőérzet számára az ideális hőmérséklet-eloszlás a függőleges sík mentén az, ha a padló felületéhez közel a hőmérséklet 2 °C-al magasabb, mint fejmagasságban. Ez jól lekövethető a 9.8 ábra 1. eloszlás-diagramján. Látható, hogy a legjobban a padlófűtés közelíti meg az elméletileg meghatározott hőmérsékleteloszlást. Az ISO 7730 –as szabvány ad javaslatot a helyi diszkomforttényezők számítására, s ez alapján a hideg vagy, meleg padlók okozhatnak diszkomfort érzetet. A szabvány alapján a diszkomfort értékét az alábbi összefüggés alapján számíthatjuk ki: 2
𝑃𝐷 = 100 − 94 ∗ 𝑒 (−1,387+0,118 𝑡𝑓−0,0025𝑡𝑓 ) 57
(9.8)
Ahol 𝑡𝑓 a padló felületi hőmérséklete [°C]. A 9.8 képlet alapján a meghatározható egy diszkomfortérzet-hőmérséklet diagram, amit az alábbi 9.9 ábra mutat be:
9.9. ábra Padlóhőmérséklet által okozott diszkomfort tényező alakulása [16]
A 9.9 ábra alapján megállapítható, hogy 24°C-os padlóhőmérséklet esetén lesz a legkisebb a diszkomfort érzete a helyiségben tartózkodó személyeknek. A későbbi méretezések során ezen érték fogja a számításom alapját képezni. 9.3.1. Elméleti áttekintés Padlófűtési rendszer tervezése során az alábbi szempontokat kell figyelembe venni: a helyiség használati módozata külső határolószerkezetek, felületek hőveszteségének nagysága helyiség téli hőszükségletének mértéke az ablakfelületek elhelyezkedése a padló anyaghasználata. Padlófűtéses rendszer tervezése esetén az épület egészén túl az egyes helyiségeket is zónákra kell felosztani. Ezek a zónák, külön fűtési kört képeznek. A padlófűtéses rendszer akkor lesz megfelelő, ha ezek a körök hidraulikailag be vannak szabályozva, tehát a körök nyomásveszteségei közel hasonlóak. A padlófűtéses rendszerek esetében alapelv, hogy egy épület esetében egyféle csőátmérőt kell alkalmazni, így a rendszer méretezése során ezt az elvet fogom követni. A zónák kialakítása során figyelembe kell venni, hogy a lehűlő felületek mentén intenzív
fűtést
kell
biztosítani,
így
határolószerkezeteinek hidegsugárzása.
58
kiküszöbölhető
az
épület
külső
Az egyes zónák között a bennük lefektetett csövek átmérőjében nem, csak az osztásközükben, illetve az előremenő és a visszatérő vízhőmérsékletben (σ hőlépcső) lesz különbség. Az előremenő (te) és a visszatérő (tv) ág vízhőmérséklete közötti különbséget az DIN EN1264 szabvány értelmében az alábbi összefüggés alapján kell kiszámítani: 𝜎 = 𝑡𝑒 − 𝑡𝑣 [K] Tehát
a
magasabb
hőigényű
(9.9)
területeken
kisebb
osztástávolságot
kell
meghatározni, mint a kisebb hőigényű területeken, illetve magasabb hőigény esetén kisebb σ hőlépcsőt kell beállítani. Az DIN EN1264-es szabvány kiköti, hogy a rendszertechnikailag a legkedvezőtlenebb helyiségre vonatkoztatva a 𝜎 =≤ 5 𝐾 feltételt kell alkalmazni. Az
egyes
csőméretezések,
osztásközök
távolságának
meghatározásához
szükséges számítások során alkalmazott módszereket az alábbiakban mutatom be. A rendszerméretezés során számos módszer áll a rendelkezésünkre: lehet a szükséges fajlagos hőigény alapján a különböző hővezetési és hőátadási törvényszerűségek felhasználásával, illetve lehetséges a szabványban foglalt komfortelméleti szempontokból kiindulva meghatározni a szükséges méretezési információkat. Mindkét módszerben közös, hogy iteratív eljárás, tehát egy kezdeti peremfeltétel megadását követően a végeredmény függvényében újabb és újabb korrekciókat kell végrehajtani. 9.3.1.1. Leadott hőmennyiség számítása A padlófűtési rendszer tervezéséhez az adott helyiség funkciója, padlóburkoló anyagának ismerete a fontos. A megfelelő komfort, hőérzet a padlóburkolattól függő felületi hőmérsékletnél áll elő. A helyiségeket egynél több zónára is fel lehet osztani, viszont minden egyes helyiség esetén adott – és zónaszámtól független – a DIN4701 szabvány szerinti hőszükséglet nagysága. A padlófűtési rendszer méretezése során figyelembe kell venni, hogy a padlóba fektetett hőleadó csőkígyók nem csak a helyiség felé adnak le hőt, hanem a padlószerkezet illetve a talaj felé is. Ez alapján: 𝑄𝑘𝑜𝑟𝑟 = 𝑄ℎ𝑠𝑧 − 𝑄𝑝 [𝑊] Ahol a
𝑄ℎ𝑠𝑧 a
(9.10)
DIN4701 szabvány szerinti hőszükséglet [W], 𝑄𝑝 a padló
hővesztesége [W] és 𝑄𝑘𝑜𝑟𝑟 a korrigált hőszükséglet [W].
59
A 4.3.3 fejezetben bemutatott energetikai számítás során megadtam, hogy az egyes helyiségek milyen 𝜗𝑏 helyiséghőmérséklettel rendelkeznek. Ezen felül az EN1264 szabvány értelmében a peremzónák esetében 𝜗𝑝𝑎𝑑𝑙ó,𝑚𝑎𝑥 = 35°C, míg a tartózkodási zóna esetén: 𝜗𝑖,𝑚𝑎𝑥 = 29°C. Ezen értékek fogják meghatározni a méretezés során a rendszer adatait, ettől eltérni nem lehet, hiszen azzal diszkomfortérzetet váltanánk ki a helyiségben tartózkodókból. Iteratív tervezés során peremfeltételeket kell megadni, melyek az alábbiak lesznek: előremenő vízmérséklet 𝜗𝑒 [°C] visszatérő vízhőmérséklet 𝜗𝑣 [°C] csőosztás [mm] Ezen adatok felhasználásával kiszámítható a 𝜗𝑘ö𝑧 szükséges közepes fűtővíz hőmérséklet, amely az alábbiak szerint számítható: 𝜗𝑘ö𝑧 = (𝜗𝑒 − 𝜗𝑣 )⁄2 [𝐾]
(9.11)
A közepes túlhőmérséklet illetve a helyiséghőmérséklet segítségével kiszámítható a fűtővíz közepes túlhőmérséklete, amely a méretezés elengedhetetlen eleme: 𝜗𝑘ö𝑧,𝑡ú𝑙 = 𝜗𝑘ö𝑧 − 𝜗𝑏 [𝐾]
(9.12)
A fenti adatok (fektetési távolság, 𝜗𝑘ö𝑧,𝑡ú𝑙 , 𝑅𝑝𝑏 ) ismeretében már táblázatok, illetve grafikonok segítségével meg lehet határozni az adott fűtőkör által ténylegesen felfelé leadott fajlagos hőmennyiség 𝑞𝑓𝑒𝑙,𝑡 nagyságát. A meghatározáshoz a padlófűtési rendszer gyártója (pl.: REHAU) mellékel a műszaki dokumentációban segédtáblázatokat, vagy diagramokat, melyek segítségével leolvashatóak a kívánt értékek. Az adatok kiolvasásához szükség van a padlóburkolat hővezetési 2 ellenállásának ismeretére is: 𝑅𝑝𝑏 [𝑚 𝐾⁄𝑊 ] mely szintén az adott padlóburkolat
típusához tartozó adattáblákból olvasható ki. Az egyes különböző padlóburkolatok hővezetési ellenállásának értékeit az M20 mellékletben csatolt diagram alapján lehet meghatározni. A fajlagos hőmennyiség nagyságából meghatározható a padlóból, felfelé irányuló tényleges hőmennyiség nagysága is: 𝑄𝑓𝑒𝑙,𝑡 =
𝑞𝑓𝑒𝑙,𝑡 𝐴
[𝑊]
(9.13)
A méretezés során először itt kell ellenőrizni a kapott eredményeket. Jelen esetben a kapott 𝑄𝑓𝑒𝑙,𝑡 hőmennyiségnek fedeznie kell a 4.3.3 fejezet hőtechnikai számítása során kapott hőigényeket. Amennyiben az eredmény nem megfelelő, a fektetési távolság, vagy a fűtési visszatérő vezeték vízhőmérsékletének változtatásával lehet
60
korrigálni az eredményeket. A korrekciókat egészen addig kell elvégezni, míg a hőigény illetve a ténylegesen leadott hőmennyiség 10%-os határon belül van. [16] A 9.3 egyenlet alapján belátható, hogy a padlóban vezetett fűtési csővezeték nem csak felfelé, hanem lefelé is ad le hőmennyiséget. A lefelé áramló hőmennyiség pontos kiszámításához megvizsgáltam a fűtési csövet hordozó padlószerkezet rétegrendjét. A padlószerkezet úgy lett kialakítva, hogy a lefelé irányuló hőveszteség a lehető legkisebb legyen. Az alábbi 9.10 ábrán is látható, hogy a csőhordozó betonréteg alatt egy hőszigetelő réteg lett kialakítva a hőszigetelés javítása érdekében.
9.10. ábra Az épület padlószerkezeteinek rétegrendje
A padló rétegrendje alapján az 5.2 egyenletet felhasználva kiszámítottam a pincefödém és a talajra fektetett padlónak a hőátbocsátási tényezőjét a fűtőcső alatt elhelyezkedő rétegek vonatkozásában. Az a hőátadási tényező értékét a talajra fektetett padló esetén 23,5 [W/(m2K)], míg a pincefödém esetén 6,5 [W/(m2K)] értéknek vettem szakirodalmi ajánlás alapján. [12] Ezt követően az 5.3 képlet alapján minden egyes helyiség esetén kiszámítottam a lefelé irányuló hőmennyiség nagyságát az adott helyiségekre. A kapott eredményeket az M16 mellékletben csatoltam. Az 5.3 képletben szereplő ∆t=tb-tk értékének számítása során, a tb minden esetben 40°C, míg a tk talajon fekvő padló esetén -15°C, pincefödém esetén 12°C értéknek vettem az ISO 13370 szabvány rendelkezése alapján. [2] 9.3.1.2. Rendszer méretének meghatározása A hőleadás mennyiségének kiszámítását követően meg kell határozni, hogy a kialakított zónák teljes csőhosszát. Egy fűtési kör teljes hossza: fűtőkör csőhossza 𝐼𝑓𝑘 [𝑚]
61
bekötővezeték csőhossza 𝐼𝑏𝑒 [𝑚] átmenővezeték csőhossza 𝐼á𝑡𝑚𝑒𝑛ő𝑣𝑒𝑧 [𝑚] A fűtőkör hossza alatt a fűtendő zónában található tényleges fűtési csőhosszt értem, melyet a fektetési távolság befolyásol. Az alábbi 9.3-as táblázatban összefoglaltam, hogy különböző fektetési távolságok esetén az egy négyzetméterre jutó csőhosszak hogyan alakulnak: 9.3. táblázat Egy négyzetméterre jutó csővezeték hosszak
osztásköz [mm] 100 150 200 300
m/m2 10 6.67 5 3.33
A bekötővezeték hossza független a fektetési távolságtól, mindössze az osztógyűjtő és a zóna távolságától függ. Az átmenő vezeték alatt értem azokat a vezetékeket, amelyek más helyiségeken át, más zóna mellett vezetnek. Az átmenővezetéket hőtechnikailag külön kell kezelni, hiszen ami az adott körben hőveszteségként, az hőleadás formájában az adott (másik) helyiségben kell figyelembe venni. A fűtőkör csővezetékeinek hossza tehát:
𝐼ö = 𝐼𝑓𝑘 + 𝐼𝑏𝑒 [𝑚]
(9.14)
A csőszakaszok hosszának meghatározását követően ki kell számítani, hogy az egyes csőszakaszok mekkora hőmennyiséget adnak le. Értelemszerűen a fűtőkörben elhelyezkedő fűtőcsövek a 𝑄𝑓𝑒𝑙,𝑡 + 𝑄𝑙𝑒 hőmennyiségnek megfelelő hőt adnak le, viszont a fűtőkörhöz vezető szakaszon is adnak le hőt. Ez a hőmennyiség az előremenő, illetve a visszatérő vezeték vízhőfokától függ, a mérnöki gyakorlat szerint, 40°C körüli középhőmérséklet esetén 10 W/m értéknek adódik. Ez alapján kiszámítható, hogy mekkora a 𝑄𝑐𝑠𝑎𝑡𝑙,𝑣𝑒𝑧 , illetve a 𝑄á𝑡𝑚𝑒𝑛ő𝑣𝑒𝑧 hővesztesége. Ezek alapján kiszámítható az összes hőleadás nagysága az adott fűtési körön:
𝑄𝑘ö𝑟,ö = 𝑄𝑓𝑒𝑙,𝑡 + 𝑄𝑙𝑒 + 𝑄𝑐𝑠𝑎𝑡𝑙,𝑣𝑒𝑧 − 𝑄á𝑡𝑚𝑒𝑛ő𝑣𝑒𝑧 [𝑊]
(9.15)
Tehát az adott zóna számára a fűtőkör által biztosítandó hőmennyiség áll a felfelé és a lefelé áramló, a csatlakozóvezeték által elvesztett hőmennyiség összegéből, amiből levonódik az adott fűtési zónán, más fűtési kör által létrehozott átmenővezetékből nyert hőmennyiség nagysága, hiszen az hőnyereségként jelenik meg a vizsgált körön.
62
9.3.1.3. Rendszer nyomásveszteségének számítása Az egyes körök hőleadásának meghatározását követően a csőméretezés szükséges. Ehhez a padlófűtés rendszergyártó műszaki dokumentációja ad méretezési segédletet, amely tartalmazza a különböző térfogatáramokhoz tartozó fajlagos nyomásesés értékeket az adott csőtípusokra vetítve. A méretezéshez szükséges a térfogatáram, amelyet az alábbi képlet alapján lehet meghatározni:
𝑣̇ =
𝑄𝑘ö𝑟,ö ∙0,86 𝜎∙3600
[𝑙⁄𝑠]
(9.16)
A szállított térfogatáram, illetve a gyártó által biztosított nyomásveszteség diagram felhasználásával meghatározható a csőátmérő, amelyen az összes fűtési kör esetén közel azonos a fajlagos nyomásveszteség értéke. Az M20 mellékletben található nyomásveszteség diagramból kiolvasható az adott csőátmérőhöz és térfogatáramhoz tartozó R [Pa/m] fajlagos nyomásveszteség érték. A fűtési kör teljes nyomásveszteség az alábbiak szerint számítható:
∆𝑝𝑘ö𝑟 = 𝐼ö ∙ 𝑅 [𝑃𝑎]
(9.17)
A számításokat elvégezzük az összes fűtési körre, majd a legnagyobb nyomásértékhez tartozó kört kijelöljük a mértékadó körnek. Ez lesz az a kör, amelyhez viszonyítva, beszabályozó szelepek segítségével beállítjuk a többi kör nyomásveszteségét. Ezzel a zónák tervezett térfogatáramát biztosíthatjuk. Az osztó-gyűjtőn elhelyezett fojtószelepek segítségével pontosan beszabályozhatóak a kívánt nyomáskülönbségek. Az M20 mellékletben található finomszabályozó szelep átfolyás diagram segítségével kiolvasható, hogy melyik fűtőkör esetén milyen előbeállítás szükséges. [16] A nyomásveszteségeken túl fontos szempont a csővezetékekbe áramló víz sebessége, hiszen lakóépületek esetén a maximálisan megengedett áramlási sebesség: 𝑣 = 0,5 𝑚/𝑠. A korábban kiszámolt térfogatáramok illetve a kiválasztott csőátmérő segítségével kiszámíthatóak az áramlási sebességek az egyes körökben az alábbiak szerint:
𝑣=
𝑣̇ ∙0,001 𝑑2 ∙𝜋 4
63
𝑚
[ ] 𝑠
(9.18)
9.3.2. A családi ház padlófűtéssel A rendszer kialakítása során a 9.3.1 fejezetben felsorolt szempontok alapján elkészítettem a padlófűtési rendszer fűtési zónáinak felosztását. Az alábbi 9.11 ábrán láthatóak az egyes zónák:
9.11. ábra Családi ház padlófűtési zónák
Összesen 9 zóna került kialakításra a feltételrendszer alapján. A folyosó számára nem hoztam létre külön fűtőkört, mivel azon keresztül összesen 10 db átmenővezeték halad keresztül. Az átmenővezetékek megfelelő rendszerezésével és kialakításával elérhető, hogy a vezetékek hőleadása itt hasznosuljon. A kialakított rendszer az M15 mellékletben megtekinthető. A Háló I. és Háló II. esetében egy helyiségbe 2 fűtési kört alakítottam ki. Ennek oka, hogy a külső lehűtő felületek mentén létrehoztam egy 80 cm széles peremzónát, amely segítségével ellensúlyozom a lehűlő falfelületek illetve nyílászárók okozta úgynevezett „hidegsugárzás” mértékét. A 9.11 ábrán láthatóak az egyes helyiségek estén a padlóburkolat anyag. A méretezés során fontos hőérzeti tényező a padló anyaga, hiszen különböző anyagok különböző hőtechnikai tulajdonságokkal bírnak. Jelen esetben a padlófelület hővezetési ellenállása a mérvadó érték, ahogy az a M20 mellékletben található ábrán látható. A méretezés során a diagram adatai alapján dolgoztam.
64
A méretezést egy saját készítésű program segítségével végeztem, mely a REHAU padlófűtési rendszer elemeit használja fel: REHAU padlófűtés méretező diagram (M20-as melléklet) Rautherm nyomásveszteség diagram (M20-as melléklet) A program a 9.3.1 fejezetben leírt számítási módok alapján készült. A vett értékek az M20 mellékletből származnak. Az M15 számú mellékletbe csatoltam a padlófűtési rendszer alaprajzát. Az alaprajzból jól kivehető, hogy az összes 9.11 ábrán megjelölt zónában egyszeres kígyóvonalú csőfektetést alkalmaztam. Ennek a fektetési módnak az előnyét az alábbi 9.12 ábra mutatja be:
9.12. ábra Egyszeres kígyóvonalú csőfektetés [16]
Az ábrán látható, hogy egyszeres kígyóvonalú csőfektetés esetén hogyan váltakoznak az előremenő és a visszatérő csővezetékek. Az előremenő vezeték akár 10°C –al magasabb hőmérsékletű is lehet, mint a visszatérő vezeték, ami a hőérzetet jelentősen befolyásolhatja. A cél az, hogy az ábrán látható hullámok minél kisebbek legyenek, tehát vagy a hőmérséklet különbség, vagy fektetési távolság a lehető legkisebb legyen. Az egyszeres kígyóvonalú csőfektetés alkalmazásával egy előremenő vezetéket egy visszatérő vezeték követ, ami biztosítja az egyenletes hőátadást. Ezen felül, ahogy az az M15 mellékletben található alaprajzon is látható, ezáltal a nem csak lokálisan, hanem zóna egész felületén egyenletes lesz a hőátadás mértéke. Az elrendezésen túl M16 mellékletben található táblázatban foglaltam össze a méretezés során kapott eredményeket. A táblázatban láthatóak a 9.11 ábrán látható adatok. Tartalmazza az egyes leadott hőmennyiségeket, illetve a körökben áramló folyadék térfogatáramának és sebességének nagyságát is. Kiszámítottam továbbá a körök nyomásveszteségét, illetve ebből az egyes körök esetén a fojtandó
65
nyomáskülönbség nagyságát, és a fojtáshoz szükséges beszabályozó szelepállást meghatároztam.
9.4. Fűtési rendszer kiválasztása A 9.1, 9.2 és 9.3-as fejezetben bemutattam 3 különböző fűtéstechnikai rendszerelrendezést, azok előnyeit, hátrányait, a rendszer méretezését, a függőleges csőterveket és az alaprajzokat. Mindhárom esetben méreteztem a hőleadó felületeket és az egyes szabályozástechnikai elemeket. A hőleadó felületek alapján két nagy csoportra osztható a három típus: a radiátoros és a felületfűtésre. A radiátoros fűtés esetén célszerű a parapetbe helyezett radiátor geometriáját úgy megváltoztatni, hogy homlokfelülete – a jelentős sugárzásos hőleadás miatt – minél nagyobb legyen. Az alacsony hőmérsékletű fűtés energetikailag racionális megoldás, hiszen megújuló energiahasznosítással való hőellátás esetén jól illeszthető. A rendszerek kialakítása során nem szükséges jelentős bontási munkálatokat eszközölni, mindössze kisebb átalakítások szükségesek az épület határoló szerkezeteiben, mint például azt a 9.4 ábrán bemutattam. A padlófűtés alkalmazása esetén a rendszer kialakítása sokkal összetettebb és bonyolultabb feladat, mint a radiátoros hőleadó felületek esetén. Míg radiátoros fűtés kialakítása esetén kisebb bontási munkálatok elegendőek, addig a padlófűtés esetén az épület szerkezetében jelentős változásokat kell eszközölni. Ahogy azt a 9.10-es ábrán is bemutattam, a padlófűtés kialakításához statikailag és hőtechnikailag is megfelelő fogadó felületet kell kialakítani. Az
épület
határolószerkezeteinek
szükségszerű
fejlesztése,
az
alacsony
hőmérsékletű fűtés, a magasabb komfortszint a padlófűtést helyezi előnybe. Az alábbi táblázatban összefoglaltam, hogy milyen költségei vannak a megvalósításnak a különböző esetekben. A kapott adatok tájékoztató jellegűek, a végösszeg a kialakítás során felmerülő esetleges extra költségek nem kalkulálhatóak.
66
9.4. táblázat Fűtési rendszerek anyagköltségei
Költségek
Tichelmann
Soros
Padlófűtés
Hőleadók Csővezeték Kiépítés
342,235 Ft 146,410 Ft -
326,081 Ft 146,410 Ft -
0 Ft 450,500 Ft -
Összesen:
488,645 Ft
472,491 Ft
450,500 Ft
A 9.4-es táblázatban látható, hogy a Tichelmann és a soros rendszer csővezetékeinek alapanyagköltsége megegyezik, és csekély különbség figyelhető meg a radiátorok bekerülési költségében. A padlófűtés esetében egészen más a helyzet,
hiszen
a
hőleadók
hiányában
csak
a
csővezetékeknek
van
alapanyagköltsége. Ennek nagysága megfeleltethető a radiátoros hőleadót alkalmazó rendszerelrendezés költségeivel. Ezeken felül természetesen a kiépítés költségvonzata jelentős hányadot képvisel a teljes költségvetésből. A telepítés költségeit becsülni nem tudtam, hiszen az minden esetben az adott piaci környezet, az adott régió és a megrendelő igényei jelentősen befolyásolják. Ettől függetlenül megállapítható, hogy a Tichelmann illetve a soros elrendezés telepítési költsége várhatóan azonos nagyságrendet fog képviselni, míg a padlófűtés, a kialakítás során elengedhetetlenül szükséges bontási tevékenységek miatt nagyobb nagyságrendet fog jelenteni. A rendszerek épületgépészeti berendezései, szivattyúk, szűrők, elzáró szerelvények, azonos költséget képviselnek, így az összehasonlítás során a nagyságuk nem mérvadó. A fenti költségvetés, illetve a megrendelő igényei alapján a padlófűtéses rendszer megvalósítása mellett döntöttem. A továbbiakban a fűtési és a forrásoldali rendszer összekapcsolásának módját fogom bemutatni, a rendszer méretezését elvégezni.
67
10. HŐTERMELŐK Az előző fejezetekben bemutattam, milyen lehetőségek vannak az épület hőszigetelésére, milyen előnyei és hátrányai vannak ezek alkalmazásának. ezen felül
bemutattam
három
különböző
rendszertervet
a
fogyasztói
oldal
viszonylatában, majd kiválasztottam a fogyasztói igényeket teljesen lefedő rendszert. A 9. fejezetben bemutatott rendszertervek közös pontja, hogy minden esetben 55/45 °C-os hőlépcsővel kalkuláltam a méretezések során, így adott, hogy a hőtermelő egység alkalmas legyen egy alacsony hőmérsékletű rendszer működtetésére. A bevezetőben megfogalmazott alapelvek okán úgynevezett monovalens rendszert (100%-ban megújuló energia, fosszilis kiegészítés nélkül) választottam.
10.1. Hőszivattyú A hőszivattyú a működése során a hőellátásra közvetlenül nem hasznosítható alacsony
hőmérsékletű
környezetben
megtalálható
hőforrásokat,
külső
–
jellemzően - villamos energia ráfordításával magasabb hőmérsékletszintre emelik, mely hőhasznosításra már alkalmas. A hőforrástól, a hőtermelést biztosító energiától és a hőhasznosítástól függően a hőszivattyúknak több típusa alakult ki. A legszélesebb körben a villamos meghajtású gőzközegű kompresszoros hőszivattyúkat alkalmaznak. A hőhasznosítás során P villamos teljesítmény felhasználásával és 𝑄̇𝑎 környezetben tárolt hőteljesítmény elvonásával, 𝑄̇𝑓 hasznos hőteljesítményt állít elő. [17] A működtető közeg speciális tulajdonsága, hogy normál nyomáson és alacsony hőmérsékleti tartományon belül található a forráspontja, így képes a halmazállapot változáshoz szükséges hőmennyiséget a külső –alacsony hőmérsékletű- környezetből felvenni. Ezt a hőmennyiséget a rejtett hő formájában szállítja, külső mechanikus munka segítségével juttatja el a hőleadó egységhez, ahol a kondenzáció során leadja a rejtetthő tartalmát. A hőszivattyú körfolyamat lépéseit a hőszivattyús folyamat T-s diagramján keresztül mutatom be (10.1. ábra):
68
10.1. ábra Hőszivattyú sémája és T-s diagramja [18]
1. – 2. az elpárologtatóban a közeg a környezetből felvett hő segítségével elforr, folyadékból telített gőz halmazállapotúvá válik 2. – 3. a kompresszor az elpárolgott alacsony nyomású és hőmérsékletű gőzt komprimálja, túlhevített gőz keletkezik 3. – 4. a nagy nyomású és hőmérsékletű gőz a kondenzátorban átadja a hőenergiáját a szekunder körnek 4. – 1. a lecsökkent hőmérsékletű és nyomású folyadék a fojtószelepen keresztül ismét az elpárologtatóba kerül Minden hőszivattyú a fenti körfolyamatot valósítja meg, a különbség a típusok között csak a primer és a szekunder oldali közegekben található. A különböző típusú hőszivattyúk összehasonlítására a COP (Coefficient of Performance) értéket használják, melyet fűtési tényezőnek is nevez a szakirodalom:
𝜀𝑓 =
𝑄̇𝑓 𝑃
[-]
(10.1)
A (10.1) képletben P a hőszivattyú által felvett villamos teljesítmény, míg 𝑄̇𝑓 a hőfogyasztónak átadott hasznos fűtési teljesítmény. A COP érték minden hőszivattyú esetén alkalmazható, s egy egységes összehasonlítási alapot nyújt. [17] 10.1.1. Geotermikus energia hasznosítása Geotermikus energiahasznosítás során a szilárd kőzetben tárolt hőenergia hasznosítását értjük. A földből való hőkinyerés általában víz, vagy valamilyen környezetbarát hőközvetítő közeg segítségével történik. A rendszerek minden esetben zártak, tehát a közeg egy zárt csőrendszerben kering a szilárd talajban s
69
veszi fel annak a hőtartalmát. A következő részben bemutatom a 7. fejezetben meghatározott geotermikus hőhasznosítási lehetőséget. 10.1.1.1. Talajszondás rendszerek A talajszondás rendszerek a föld belsejéből a felszín felé áramló, folyamatosan megújuló hőt hasznosítják. A rendszer kialakítását a 10.2 ábra jól szemlélteti. Látható rajta a rendszer központi eleme a szonda, amely tulajdonképpen két egyenes cső, a végükön két db 90°-os könyökidommal összekapcsolva.
10.2. ábra Talajszondás rendszer [17]
A szondás rendszer kialakítása során először egy megfelelő átmérőjű (~150mm) furatot fúrnak a földbe jellemzően 50-200 m mélységig. Ezt követően behelyezik a két összekapcsolt csövet, majd egy jó hővezető képességgel rendelkező anyaggal kitöltik a furatot. Az így kialakult csőhurokban fog keringeni a hőhordozó közeg, mely a 10.2 ábrán piros és kék színnel van jelölve. A piros szín jelöli a szonda - épület felé - előremenő vezetékét a kék szín pedig a már lehűlt hőhordozó közeggel teli visszatérő ágat jelöli. A talajszondás rendszerek esetében a kinyerhető hőmennyiség függ a mélységétől, a
talaj
minőségétől,
kőzetszerkezetétől
és
a
földrajzi
adottságoktól
is.
Magyarországon agyagos homokos talaj esetén 50W/m az átlagos fajlagos hőnyereség mértéke. Ez alapján könnyen méretezhetővé válik a talajszondás rendszer, hiszen ha ismerjük az épület hőigényét, akkor egy egyszerű számítás segítségével kiszámítható a szükséges kútmélység.
70
A talajszondás rendszer előnye, hogy a jelentős mélység miatt ott állandó közeghőmérsékletből von el hőt, így kiszámítható jól szabályozható, fűtésre is alkalmas előremenő vízhőmérséklet nyerhető ki a kútból. Ennek segítségével alacsony hőmérsékletű rendszerek jó hatásfokkal elláthatóak. A hőhordozó közeg hőmérséklete illetve a hőszivattyú szekunder oldali rendszer kialakítása jelentősen befolyásolhatja a fűtési tényező (COP) értékét. A talajszondás rendszer hátránya, hogy a hőszivattyú primer oldalán egy viszonylag összetett rendszert kell kiépíteni, melynek bekerülési és üzemben tartási költségei rontják a megtérülési időt.
10.2. Hőszivattyús rendszer méretezése 10.2.1. Hőszivattyú primer oldali méretezése 10.2.1.1. Szonda méretezése Mint ahogy azt a 7.1 fejezetben bemutattam, a lakóépület a Sajó és Hernád folyók alkotta hordalékkúpon helyezkedik el, a talajszerkezet a felszín alatt vízzel telített homokos, kavicsos jellegű. Ez alapján a VDI 4640 (2001) német szabvány ajánlásai alapján megállapítható, hogy talaj az alábbi termo fizikai tulajdonságokkal bír: Vízzel telített kavicsos, homokos talaj esetén: q= 55-65 W/m a fajlagos hőelvonás mértéke. Ezen adat ismeretében az alábbi 10.2 egyszerűsített számítás alapján megbecsülhető, hogy mekkora szondahosszra van szükség az adott épület esetén:
𝑙=
𝑄̇𝑡 𝑞
[𝑚]
(10.2)
Ahol q [W/m] a talajra jellemző fajlagos hőkinyerés illetve, 𝑄̇𝑡 a talajból kinyerendő hőteljesítmény, amely az alábbi 10.3 képlet alapján számítható: ̇
𝑄 𝑄̇𝑡 = 𝑄̇ − 𝜀 [𝑊] 𝑓
(10.3)
Ez alapján 8kW fűtési hőigény és egy átlagon aluli 4-es COP értéket feltételezve megbecsülhető a szükséges szondahossz nagysága. [17] Ezen felül a méretezés biztonsága érdekében feltételezzük, hogy a fajlagos hőelvonás mértéke nem a legideálisabb, így 40 W/m-nek veszem az értéket. Ez alapján a szükséges csőhossz: 𝑙 = 150 [𝑚] Ez az érték tartalmazza a talajból kinyerhető hőmennyiség hőszivattyú hatékonysággal korrigált értékét. A talajszondás hőszivattyúk telepítése során
71
általánosan elfogadott gyakorlat szerint 60, 100, 120 és 150 m mély kutakat szoktak telepíteni. A 150 méteres elméleti kútmélységet feltételezve két lehetőség adott: 1 db 150 méter mély kút, vagy 2 db 100 méter mély kút. A rendszert érdemes túlméretezni termelői oldalról, hiszen egy esetleges későbbi hőigény növekedés esetén van lehetőség a fogyasztói kapacitások további növelésére. Ezt feltételezve érdemes a jelen, és a jövőbeli hőigények ismeretében 2 db 100 méter mély szonda telepítését megtervezni. Az M20 mellékletben a hivatalos térképmásolaton berajzoltam a talajhőszondákat és azok védelmi zónáját. A szondák elhelyezése során ügyeltem arra, hogy a szondatelepítés során a talajhőszondák furatai nem közelíthetik meg a közművezetékeket 1 méternél közelebb, illetve, hogy a talajhőszondák védelmi zónái telekhatáron belül kell, hogy maradjanak. Ezen felül a telepítés során nagyméretű fúróberendezést használnak, mely számára elegendő helyet kell biztosítani. A hőszivattyú primer oldali méretezéséhez elengedhetetlen ismerni a hőszivattyú primer oldali térfogatáram igényét. Ez alapján a rendszerhez kiválasztott DAIKIN EWWP01 4KBW1N típusú hőszivattyú katalógusában szereplő érték: 𝑄̇𝑠𝑧 = 2,2 [𝑚3 ⁄ℎ]. [19] A hőszivattyúk primer oldali méretezésének alapja, hogy a megfelelő hőtranszport érdekében az áramlásnak turbulensnek kell lennie. A turbulens áramlás akkor következik be, ha a Reynolds szám értéke nagyobb, mint 2320. A Reynolds szám kiszámítása az alábbi 10.4-es összefüggés alapján történik:
𝑅𝑒 =
𝑣∙𝑑 𝜈
[– ]
(10.4)
A 10.4 képletben szereplő ν a kinematikai viszkozitás, mértékegysége [m2/s]. A kinematikai viszkozitás értéke függ a hőmérséklettől, 10°C folyadékhőmérséklet esetén: 1,3 10
-6
m2/s. A hőszivattyú gyártója ad ajánlást a megfelelő csőátmérők
használatához, ez alapján az alkalmazandó csőtípus: 32x2,9 mm melynek a belső átmérője ez alapján: 26,2 mm. A 10.4-es képletben szereplő v áramlási sebesség kiszámítása a 10.5-ös képlet alapján történik:
𝑣=
̇ ∙4 𝑄𝑠𝑧 𝑑 2 ∙𝜋∙3600
𝑚
[ ] 𝑠
(10.5)
A 𝑄̇𝑠𝑧 szükséges térfogatáram értéke a primer oldalon 2,2 m3/h. 2 szonda alkalmazása esetén 1,1 m3/h az egy szondára jutó szükséges térfogatáram. Az alábbi 10.3 ábrán látható, a talajhőszondák csatlakozási részletrajza.
72
10.3. ábra Talajhőszondák csatlakozási részletrajza
Látható, hogy a szondához érkező cső a szonda előtt két párhuzamos ágra bomlik szét tehát 2db U alakú cső van behelyezve a talajba. Így megállapítható, hogy egy csőszakaszon 0,55 m3/h térfogatáram az átáramló folyadékmennyiség. Ez alapján a 32 mm-es csőben a Reynolds szám értéke az alábbiak szerint alakul: 𝑅𝑒 = 5667 [−] Megállapítható, hogy a csőben a turbulens áramlás létrejön, ami ideális a megfelelő hőtranszport elérése érdekében. A méretezés során a cél, hogy a szondában elhelyezett csőpárban lehetőleg alacsony
legyen
az
áramlási
sebesség
a
hőcsere
minél
hatékonyabb
megvalósulása érdekében. Míg az összekötő vezetékben, törekedni kell a nagyobb áramlási sebesség elérésére, hiszen az ott áramló közeg jelentős hőtartalommal bír. Ez az elv látható a 10.3 ábrán, ahol mind az összekötő és mind a szondában található csövek keresztmetszete 32x2,9 mm. Ezáltal az összekötő vezetékekben 0,58 m/s, míg a szondában 0,29 m/s a közeg áramlási sebessége. 10.2.1.2. Hőszivattyú csatlakozás A szondákból az épülethez érkező csővezetéket egy gyűjtő köti össze. Ahogy az az M15 mellékletben található függőleges csőterv részletben és az alábbi 10.4 ábrán is látható, az előremenő gyűjtőre van kapcsolva a primer kör keringető szivattyúja illetve a tágulási tartály.
73
10.4. ábra Hőszivattyú primer köri csatlakozás függőleges csőterv
A tágulási tartály méretezéséhez a Reflex tágulási tartály gyártó cég honlapján található méretezési programot használtam. A program számára megadtam a rendszer statikus nyomását, a lefúvási nyomás nagyságát, a rendszer minimális és maximális hőmérsékletét illetve a rendszerben található víz térfogatát. Ez alapján a program kiszámítja a hőtágulásból eredő nyomáskülönbség maximális értékét, és ehhez kiválasztja az ideális méretű és típusú tágulási tartályt. A kiválasztás során megadtam a program számára a hőszivattyú üzeme során fellépő minimális és maximális hőmérsékleti értékeket, a statikus és a lefúvási nyomás értékét. Megadtam a hőszivattyú teljesítményértékeit, illetve a rendszer térfogatát l mértékegységben. A rendszer térfogata két részből tevődik össze: ez a hőszivattyú
minimális vízigényéből, illetve
a
csőhálózatban található
víz
térfogatából. Ezen adatok alapján a Reflex: Refix DE 12 típusjelű tágulási tartályra kaptam ajánlást. Ez egy 12 literes membrános tágulási tartály, amely 12 liter névleges térfogattal rendelkezik, a maximális nyomás 16 bar, a töltőgáz nyomása 4 bar. A tágulási tartály kiválasztását követően a primer oldal másik fontos eleme a primerköri keringető szivattyú. A primer köri keringető szivattyú kiválasztását a 9.1es fejezetben bemutatott módszerrel végeztem. Először a 9.2- 9.6- ig alkalmazott képletek segítségével meghatároztam a csővezetékek és szerelvények hidraulikai ellenállását. A számítás során kapott eredményeket az M19 mellékletben csatoltam. A mellékletben található hidraulikai nyomásveszteség értékek és a 9.7 képlet 74
felhasználásával kiszámítottam a szükséges szivattyú emelőmagasság értékét majd a Grundfos szivattyúgyártó honlapján lévő online keringető szivattyú kiválasztó program alkalmazásával kiválasztottam a megfelelő berendezést. A számításokat az M22 mellékletben csatoltam, a kapott eredményeket nem részletezem. A méretezés alapján a szükséges emelőmagasság értéke 4,7 m, míg a szállítandó térfogatáram 2,2 m3/h. Ez alapján a Grundfos MAGNA1 25-60 típusú keringető szivattyú jelleggörbéje illeszkedik a legjobban az igényekhez. A kiválasztott szivattyú fordulatszám szabályozós kivitelben kerül beépítésre, a megfelelő működési hatékonyság érdekében. A 10.4 ábrán látható, a visszatérő ágba illesztett levegő és iszapleválasztó szerelvény. Az iszapleválasztónak a feladata, hogy leválassza a rendszerben lévő szennyezőanyagokat, melyek lehetnek különböző fém-oxidok, vízkő, illetve biológiai eredetű szennyezőanyagok. Az általam kiválasztott Spirovent márkájú levegő-és iszapleválasztó a szennyezőanyagok ülepítésén túl, a rendszer levegőtartalmát is képes leválasztani. Előnye a hagyományos akadálykeltésen alapuló szűrőkhöz képest, hogy míg azok a használat során eltömődnek, és így a hidraulikai ellenállásuk folyamatosan növekszik, addig az ülepítés elvén működő leválasztók hidraulikai ellenállása az üzem során nem, vagy csak kis mértékben növekszik. A szűrő hidraulikai ellenállását figyelembe vettem a kör keringető szivattyújának kiválasztása során. 10.2.2. Hőszivattyú szekunder oldali méretezése Az általam kiválasztott hőszivattyú nem tartalmaz beépített puffer tartályt, így a rendszerben jól elkülöníthetően megjelenik a hőszivattyú szekunder oldalát és a fűtési rendszert összekötő kör. A szekunder oldalon elhelyezett puffertartály feladata, hogy dinamikusan összekösse a fűtési rendszert és a hőszivattyút. A hőszivattyú műszaki leírása alapján a tartály mérete minimálisan 62 l kell, hogy legyen. [19] Az alábbi 10.5 ábrán látható a szekunder oldal függőleges csőterve:
75
10.5. ábra Hőszivattyú szekunder oldala
Az ábrán látható, hogy ez esetben is az előremenő vezetékbe van beillesztve a keringető szivattyú. A keringető szivattyú méretezése során ez esetben is a fentebb bemutatott módszert alkalmaztam. A kiválasztott szivattyú típusa megtalálható az M15 mellékletben található pincehelyiség fűtési rendszer alaprajzon. A fenti ábrán látható továbbá a visszatérő ágba ez esetben is egy Spirovent márkájú levegő és iszapleválasztó szerelvényt terveztem. A szűrő hidraulikai ellenállását figyelembe vettem a kör keringető szivattyújának kiválasztása során. A keringető szivattyú kiválasztása során a szállítandó térfogatáram 2,7 m3/h, míg a szükséges emelőmagasság 1 m-nek adódott. Ez alapján az alábbi szivattyú került kiválasztásra: Grundfos ALPHA2 25-60. A kiválasztás során alkalmazott paramétereket az M19 mellékletben gyűjtöttem össze. A kiválasztott szivattyú fordulatszám szabályozós kivitelben kerül beépítésre, a megfelelő működési hatékonyság érdekében. 10.2.3. Fűtési rendszer csatlakozás A 9. fejezetben bemutattam három különböző fűtési módszert, majd végezetül kiválasztottam a padlófűtést, mint az épületben lakók igényeinek leginkább megfelelő fűtési módot. A padlófűtési rendszer osztó-gyűjtőjének csatlakozását az M15 melléklet tartalmazza. Az alábbi 10.6 ábrán átható, hogyan került összekapcsolásra a padlófűtéses rendszer illetve a hőszivattyús kör.
76
10.6. ábra Puffer tartály és fűtési rendszer csatlakozása
A szivattyú emelőmagasságának meghatározásához, a 9.3 fejezetben bemutatott padlófűtés méretezés során kapott eredmények alapján, a 9.2-9.6-os képletek felhasználásával történtek. A számításokat az M19-es mellékletben csatoltam, a kapott eredményeket nem részletezem. A szállítandó térfogatáram 1,35 m 3/h, míg a szükséges emelőmagasság 1 m-nek adódott. A kiválasztott keringető szivattyú típusa: Grundfos ALPHA2 L 25-40 130, amely ez esetben is frekvenciaváltós kivitelben kerül beszerelésre a leghatékonyabb működés érdekében. A visszatérő vezetékhez csatlakozik a padlófűtéses rendszer tágulási tartálya, melynek a méretezésénél ezúttal is a Reflex gyártó által biztosított online kiválasztási segédprogramot alkalmaztam. Ez alapján a Reflex: Refix N 8 típusjelű 8 literes membrános tágulási tartályt, - amely 8 liter névleges térfogattal rendelkezik, a maximális nyomás 3 bar, a töltőgáz nyomása 1,5 bar – választottam.
10.3. Hőszivattyús rendszerhez csatolt HMV előállítás A kiválasztott DAIKIN EWWP01 4KBW1N típusú hőszivattyú teljesítményét tekintve nagyobb, mint a rendszer elméleti maximális hőigénye, így lehetőség adódott arra, hogy az extra hőmennyiséget a HMV rendszerben hasznosítsam. A HMV előállító illetve a fűtési rendszer összekapcsolása energetikailag kedvező, hiszen a fűtési rendszerben lévő tartalék hasznosítása növeli a teljes rendszer hatékonyságát. Az egyetlen hátránya egy ilyen rendszernek, hogy a nyári, illetve az 77
átmeneti időszakokban nem tudja lefedni a HMV fogyasztási igényeket, hiszen a hőszivattyú ezen időtartamokban nem, vagy csak szakaszosan üzemel. Emiatt egy két részből álló HMV rendszert alakítottam ki, amely amellett, hogy kielégíti a fogyasztói igényeket, energetikailag is fenntartható módon biztosítja a meleg víz ellátást. Az alábbi 10.7 ábrán látható a rendszer függőleges csőtervi ábrája:
10.7. ábra HMV előmelegítő rendszer
Az ellenáramú lemezes hőcserélőbe a vezetékes vízhálózatból érkezik a külső hőmérsékletnek megfelelő hőmérsékletű víz, melyet a hőcserélőben a hőszivattyús rendszer puffer tartályából vett magas hőmérsékletű víz felmelegít, úgy hogy azt közvetlen felhasználásra lehessen elvezetni. A 6.4 ábrán bemutattam, hogyan alakulnak napi szinten a HMV fogyasztási igények. Ez alapján megállapítható, hogy átlagosan óránként 100 l meleg víz előállítására van szükség az esti órákban. A rendszert úgy terveztem, hogy az átlagon túli hőigényeket is képes legyen kiszolgálni, így a méretezés során 200 l víz felmelegítésével számoltam.
78
A HMV előállításhoz szükséges hőmennyiség kiszámítása az alábbi 10.6 képlet alapján történik: 𝑄 = 1,16 ∙ 𝛥𝑡 ∙ 𝑉̇ [𝑊]
(10.6)
Ahol a 𝛥𝑡 [°𝐶] a szükséges hőfokkülönbség, amely jelen esetben 5°C-os hálózati ivóvíz és 40°C-os HMV vízhőfok különbségéből adódik. A 𝑉̇ [𝑙 ⁄ℎ] a folyadék térfogatáramát jelöli, amely jelen esetben 200 l/h egységben lett maximálisan meghatározva. A 10.6-os összefüggés a 9.16-os összefüggés átrendezett formája. Ez alapján a szükséges maximális hőmennyiség az alábbiak szerint alakul: 𝑄 = 8120 [𝑊] Tehát a hőszivattyúnak 8,1 kW hőteljesítményt kell maximálisan biztosítani a HMV rendszer számára óránként. A kiválasztott DAIKIN hőszivattyú névleges teljesítménye 16,7 kW. Ezen teljesítmény lefedi az épület 8 kW fűtési hőigényét, illetve a 8,1 kW HMV előállítási igényét. Az értékekben látható aránytalanság oka, hogy a HMV igény egy esti csúcsidőszakra összpontosul, míg a fűtési hőigény a teljes napi fűtési ciklus időtartamára.
79
11. ÖSSZEFOGLALÁS A diplomatervezésem során lépésről lépésre bemutattam egy családi ház energetikai vizsgálatának lépéseit, az épület hőháztartásának és határoló szerkezeteinek felmérését. Ezen adatok felhasználásával elkészítetem az épület hőtechnikai vizsgálatát, illetve a hőenergia igényének számítását. A kapott eredmények tükrében felvázoltam a lehetséges utólagos passzív hőszigetelési megoldásokat, majd megvizsgáltam, hogy ezek alkalmazásával milyen mértékű hőnyereség érthető el. Ezt követően egy költségkalkulációt készítettem, mely eredményei alapján kiválasztottam az alkalmazott szigetelési módozatot. Ezt követően kiválasztottam három lehetséges fűtéstechnikai rendszer-elrendezést: soros, Tichelmann és padlófűtéses rendszert. Bemutattam a rendszerek előnyeit, hátrányait, illtetve a hidraulikai méretezésük folyamatát. A kapott eredmények alapján elkészítettem egy összehasonlító költségkalkulációt a rendszer kialakítása során felmerülő alapanyagköltségek vonatkozásában. Ezen felül a lakók igényinek a felmérését is elvégeztem, s végül a padlófűtéses rendszernek a megvalósítása mellett döntöttem. A hőigények ismeretében kiválasztottam a megfelelő talajszondás hőszivattyús rendszert. Ennek keretein belül elvégeztem a talajszondás rendszer primer és szekunder
körének
méretezését,
meghatároztam
a
szondák
szükséges
darabszámát illetve mélységeit. Kiválasztottam a rendszer hatékony működéséhez elengedhetetlenül szükséges szerelvényeket, szűrőket, szivattyúkat. Mindezek alapján megállapítást nyert a bevezetésben bemutatott elképzelésem, miszerint ezek az 1961-79 között épült épületek esetén lehetséges a kor szigorú követelményeinek a betartása, és fenntartható módon történő üzemeltetése. A megtervezett rendszer, eleget tesz a 7/2006 TNM rendeletben foglalt legszigorúbb követelményeknek is. A fejlesztett és a jelenlegi állapot között az éves fajlagos nettó hőenergia igény értéke jó mutatószám: a jelenlegi állapot szerint 149,55 kWh/m 2a, míg a fejlesztett állapot esetén mindössze 68 kWh/m 2a az értéke, tehát több, mint a felére csökkent a fajlagos hőenergia igény. Véleményem szerint ezek az épületek felújításába érdemes pénzt és energiát fektetni, hiszen egy ilyen rendszer képes ellátni egy újabb generációt, fenntartható és költséghatékony módon.
80
12. IRODALOMJEGYZÉK [1]
Lakóépület
tipológia
Magyarországon,
EPISCOPE
projekt:
http://episcope.eu/fileadmin/tabula/public/docs/brochure/HU_TABULA_T ypologyBrochure_BME.pdf, letöltési idő: (2016.10.15) [2]
WinWatt
program
leírás:
http://www.bausoft.hu/leiras/WinWatt.pdf,
letöltési idő: (2016.09.11) [3]
Kohóhabsalakbetonok – Ujhelyi János, Építőanyag 1959.12. pp429.440: http://www.betonopus.hu/notesz/ujhelyi/8-ujhelyi-1959kohohabsalakbeton.pdf Letöltési idő: (2016.09.11.)
[4]
Passzívház
kritériumrendszer,
Darmstadt: letöltési
http://passiv.de/downloads/03_building_criteria_en.pdf
idő:
(2016.09.18) [5]
Szélsebességi
átlag
adatok
Magyarországon:
http://www.met.hu/eghajlat/magyarorszag_eghajlata/altalanos_eghajlati_j ellemzes/szel/, letöltési idő: (2016. 10.20) [6]
A
nyílászárók
hőátbocsátási
tényezőinek
számítása:
http://real.mtak.hu/17989/1/EPA02321_Faipar_2011_01_05-11.pdf letöltési idő: (2016.10.31) [7]
A
nyílászárók
hőátbocsátási
értékei:
www.megsz.hu/megsz/images/stories/energiaor/nyilaszarok_u_ertekek.d oc, letöltési idő: (2016.10.31) [8]
Fajlagos
HMV
fogyasztási
http://www.egt.bme.hu/w_oktatas/komplex/pdf/KTS.pdf
mennyiségek: letöltési
idő:
(2016.12.01) [9]
Sajólád
Község Településrendezési Tervének módosítása, 2016,
http://www.sajolad.hu/index.php?sl=44 letöltési idő (2016.03.06) [10] A 2010. évi árvíz Borsod-Abaúj-Zemplén megyében, 2011, KSH elemzés letöltési idő (2016.03.06) [11] Magyarországi
éghajlatváltozás
megfigyelési
eredmények:
http://www.met.hu/eghajlat/eghajlatvaltozas/megfgyelt_valtozasok/Magya rorszag/ , letöltési idő: (2016.04.13)
81
[12] Az épületgépészet kézikönyve, Dr Menyhárt József, 1977 [13] Tichelmann
rendszerű
csőhálózatok
hidraulikai
http://biosolar.hu/stuff/uploads/tichelman_hu_print.pdf,
tulajdonságai: letöltési
idő:
(2016.10.17) [14]
Sugaras
és
körvezetékes
csővezetékrendszer
szerelése:
http://www.proidea.hu/viega-kereskedelmi-kft-192075/pexfit-ivovizellatases-futes-270948/L5_Pexfit_tervezesi_segedlet.pdf
letöltési
idő:
(2016.10.18) [15] Padlófűtés
hőmérséklet-eloszlás
függvénye:
http://www.archicentrum.hu/index.php?h=7&a=457,
letöltési
idő:
(2016.09.25) [16] Felületfűtés műszaki tájékoztató, Rehau, 2014 [17] Geotermikus energia* Hőszivattyúzás – Ádám Béla, Büki Gergel, Maiyaleh Tarek, Energetikai szakkönyvek, MKN kft, 2013 [18] Hőszivattyú
körfolyamat
T-s
diagramja
és
sematikus
ábrája:
http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2011_0059_SCORM_ MFKGT5050/sco_02_02.scorm letöltési idő: (2016. 04 29.) [19] DAIKIN EWWP-KBW1N Műszaki leírás
82
FÜGGELÉK A 9.1.1 fejezetben foglaltak alapján belátható, hogy minél alacsonyabb a fűtési rendszer közepes hőmérsékletkülönbsége (∆𝑡𝑘 ) annál nagyobb hőleadó felületekre van szükség. Az alábbi ábrán láthatóak a különböző hőleadó típusok esetében milyen arányban van jelen a konvektív és a sugárzásos hőátadás.
Látható, hogy a radiátoros fűtés esetében 85%-ban konvekció útján történik a hőátadás, és mindössze 15%-ban hősugárzás útján. Kutatások bizonyítják, hogy ugyan
azon
hőérzethez
eléréséhez,
hősugárzás
esetén
alacsonyabb
helyiséghőmérséklet is elegendő, mint tisztán konvektív hőátadás esetén. Így az emberi szervezet számára komfortosabb, ha a testet érő hőmennyiség nagyobb arányban érkezik hősugárzás formájában. Ennek eléréséhez a radiátoros fűtés esetén minél nagyobb hőátadó, hősugárzó felületet kell alkalmazni. Ennek gátat szab a beépíthetőség, hiszen az ablak parapet magassága meghatározza, hogy milyen magas legyen a radiátor.
83
Relatív sugárzáshányad Radiátor jellege
Típus
[%] 38 25 23 20 17 14 27 20 17
[%] 18 11 10 8 7 4 12 7 5
A kettő együtt [%] 56 36 33 28 24 18 38 27 22
28
10
38
26
11
37
26
10
36
21
8
29
Helyiség Külső fali
10 11 20 Lapradiátor 21 22 33 2 oszlopos Acél csőradiátor 3 oszlopos 4 oszlopos Acél tagos – radiátor Keskeny oszlopú – tagos radiátor Öntöttvas-tagos – radiátor 1) Öntöttvas-tagos – radiátor 2)
Így a méretezés során kompromisszumot kell kötni, hiszen a szükséges hőmennyiség, illetve a fűtési rendszer közepes hőmérsékletkülönbsége adott, viszont a lehetőségekhez mérten minél nagyobb hőleadó felületű radiátort fogok kiválasztani,
minél
kisebb
konvekciós
maximalizálása érdekében.
84
hőátadó
felülettel,
a
komfortérzet
