Energiahatékony iskola Nagyszalontán Energy efficient school in Salonta BOROS József1, dr. NAGY-GYÖRGY Tamás1, dr. FÜLÖP Ludovic2 1
Politehnica University of Timisoara, Faculty of Civil Engineering, 2 nd T. Lalescu, 300223 – Timi oara, Romania. Tel/fax: +40 256 403935. E-mail:
[email protected], www.ct.upt.ro 2 VTT Technical Research Centre of Finland, P.O. Box 1000 – Espoo, Finland. Tel: +358207226924.
Abstract The paper presents some essential aspects regarding the design of an energy efficient school building in Romania, in which both the passive house concept and the renewable energy solutions are applied to optimize the cost in the use phase and the global cost of the investment. In order to improve the real-time energy consumption of the building and to analyse the internal climate parameters, a complex monitoring system was planned and partially implemented, its main components are also presented. Összefoglaló A dolgozat egy romániai energiahatékony iskolaépület tervezésével kapcsolatos néhány lényegesebb adatot mutat be, melyben a fenntartási költségek és a beruházás összköltségének optimalizálása érdekében a passzívház koncepció és a megújuló energia megoldások együttesen vannak alkalmazva. Az energiafogyasztás valós idej javítása és a bels klimatikus paraméterek vizsgálata érdekében az épületbe egy komplex monitoring rendszer lett betervezve és részben kivitelezve, melynek f bb részletei is ismertetésre kerülnek. Kulcsszavak: energiahatékonyság; iskolaépület; monitoring rendszer; megújuló energia, passzívház.
1. BEVEZET Romániában meglehet sen kevés energiahatékony épület található, a nyugat európai átlagnál jóval kevesebb áll tervezés alatt és még kevesebb az, amelyikben a komfort és az energia-felhasználás is mérve van. Természetesen léteznek ilyen típusú lakóházak és néhány egyéb típusú alacsony energiaigény épület is, de ezek többnyire nem ismertek és paramétereiket sem lehet nyomon követni. Világszerte alig több mint 80 energiahatékony iskolaépület létezik, amelyek eddig kizárólag csak fejlett országokban épültek, úgy mint Németország, Ausztria, Nagy Britannia, Franciaország és USA [1]. Amikor 2014-ban felmerült a nagyszalontai iskola terve, egy 8 f l álló tervez csapat állt össze, melyb l négynek már komoly tapasztalata volt passzív házak tervezése terén. Ekkor fogalmazódott meg, hogy els lépésben meg kéne vizsgálni a tervezett épület kivitelezési és fenntartási költségeit, összehasonlítva az eredetileg elgondolt és egy energiahatékony megoldásban épített változatot. Amint az várható volt, az eredmények azt mutatták, hogy nagyobb kezdeti többletbefektetéssel számottev en csökkenthet k a fenntartási költségek (lásd 1. ábra), ami egy hosszú távú befektetésnél, mint egy iskola, igen jelent s érv. A megtérülési id nagy vonalakban megegyezik a Romániában energetikai felújításoknál várható értékkel [2]. Az eredeti megoldásban a kezdeti befektetés 511 EUR + ÁFA/m2 nagyságrend , míg az energiahatékony változatban 565 EUR + ÁFA/m2 beruházást jelent. Ez a 10% különbséget a számítások szerint 6 év alatt visszanyerhet a fenntartási költségek csökkentéséb l. Az iskola jelenleg építés alatt van, a harmadik emeleti födém kivitelezése van soron, ami után a tet szerkezet és a kitölt falak következnek.
Remélhet leg 2016 tavaszáig befejez dik a teljes épület kivitelezése, amit addig is a tervez csapat rendszeresen és szigorúan felügyel. 7 000 6 500
KÖLTSÉGEK [ezer euró]
6 000
Eredeti megoldás
5 500
Energihatékony megoldás
5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
ÉVEK
1. ábra – Beruházás élettartam-összköltség összehasonlítása a két típusú megoldásra A létesítmény építészeti szempontból igencsak korlátozva volt, hisz a helyi feltételekhez kellett igazodni. E többfunkciós épületben négy, egyenként 1000 nm-es szint lesz. A földszinten a f bejárat és egy autóbejárat, egy könyvtár, tároló helyek, valamint egy 500 menü/nap kapacitású étkezde kerül majd. Az els és a második emeleten lesznek a tantermek, laboratóriumok és az adminisztrációs helyiségek. A harmadik emeleten kerül elhelyezésre 60 diák befogadására alkalmas bentlakás, egy rekreációs terem, valamit egy szoba az orvosi személyzetnek. Így az iskola kapacitása 450 diák, 65 tanár és a személyzet lesz.
2. ábra – Az iskola homlokzati rajza A szerkezet tervezésénél, az energiahatékony kiképzésen kívül, figyelembe kellett venni a romániai földrengésállósági követelményeket is. Mivel az épület 4 szintes, vasbeton keretszerkezet lett el írva. Az alap számításánál a gazdaságossági és kivitelezési id t kívül a szigetelhet séget is figyelembe kellett venni, ezért úgy a vasbeton pontalap, mint a gerendarács-alap és lemezalap alkalmazása is számításba jött, melyek közül a második bizonyult a legmegfelel bbnek. A szerkezetet nyeregtet fedi, két t zfallal. A küls kitölt falak 25 cm-es pórusbetonból készül, 15 cm-es k zetgyapot h szigeteléssel fedve. A
vasbeton padlólemez 23 cm extrudált polisztirolal, míg a tet födémje 20 cm vastagságú k zetgyapottal lett h szigetelve. A szerkezeti elemek kialakításánál arra is figyelni kellett, hogy lehet leg az összes h híd ki legyen iktatva. Az alap gerendái 80 cm mélységig egy 12 cm-es vastagságú függ leges h szigeteléssel lettek ellátva a küls kerületen, melyek a földszinti falakat tartó gerendákon megszakítás nélkül folytatódva csatlakoznak a falak és padlólemez h szigeteléséhez. Ez a megoldás az épület alatti föld h mérsékletének variációját komolyan csökkenti és így a h veszteség a talaj felé minimális lesz. Az egyik fontos részlet éppen itt található, ahol a padlólemez h szigetelése a földszinti falakat tartó gerenda alatt kapcsolódik a küls falakon futó h szigeteléssel, ugyancsak megszakítás nélkül. Ezek a gerendák az oszlopokba lettek bevezetve, így lehet ség nyílt körbeszigetelni ket, elkerülve ezzel a padlólemeznek 15%-nyi területével egyenérték h hidat. A vasbeton oszlopok úgy voltak elhelyezve a küls falakhoz viszonyítva, hogy plusz 5 cm zetgyapot volt alkalmazható. A küls térben található pillérek 5 cm vastag kerületi h szigeteléssel lettek ellátva. A padlás részen lev t zfalak és a vasbeton födém keresztez dését nem lehetett szerkezetileg elválasztani, emiatt egy 15 cm vastag k zetgyapot h szigetelés lett alkalmazva a fal bels oldalán 1.00 m magasságig. A tervezett ablakok háromréteg üvegezés ek, alumínium kerettel ellátva. A küls nyílászárók a falak vastagságában lesznek elhelyezve, úgy hogy a k zetgyapot h szigetelés eltakarja a keretek szélességének félét, ezzel csökkentve a h hidakat kialakulását. A megfelel légtömörség a nyílászárók és a fal között elhelyezend tömít szalagok segítségével lesz biztosítva. Mivel egy iskolában a megfelel természetes fénnyel való ellátottság alap követelmény, az üvegfelületek aránya magas lesz, emiatt kritikus az épület e részét komolyan figyelembe venni. Ami az épületgépészeti berendezéseket illeti, a h tés és f tés h szivattyús konvektor ventilátorokkal lesz megoldva, a használati melegvíz úgyszintén h szivattyúkkal. Továbbá h visszanyer szell rendszer is alkalmazásra kerül, és lesznek még CO2 érzékel k is, melyek a szel zés ütemét szabályozzák. A konyhai berendezések energia ellátását egy földgáz alapú rendszer látja el, ami egyben az épületgépészet f tési biztonsági rendszere is lesz.
3. ábra – Az iskola els emelet vizsintes metszete A küls felületek h szigeteléseinek vastagsága, valamint a h technikai rész is a passzívház tervezési csomag (PHPP) segítségével volt kiszámítva a pontos helyi éghajlati adatok figyelembevételével
[3], úgy hogy a f tésre fordított energia 15 kWh/nm/év alatt legyen. Az így kapott h szigetelések vastagsága jelent sen nagyobb, mint a jogszabályokban minimálisan el írt értékek. Ugyanakkor tudva lev , hogy ezek a méretek olyan lényeges paraméterekt l is függnek, mint a tájolás, a légtömörség, a helyi klimatikus viszonyok, a kihasználtság, h hidak mennyisége, a szoláris nyereség, a használt h szivattyúk és h visszanyer k típusa/teljesítménye/hatásfoka, a szabályozórendszer típusa és nem utolsó sorban a felhasználók viselkedése.
2. A MONITORING RENDSZER Abból kifolyólag, hogy a szerkezet funkcionalitása meglehet sen összetett és iskola lévén nem folytonos a kihasználtsága sem, ezért nem sorolható be egyetlen tipikus épület-kategóriába sem, ebb l kifolyólag a számított energiafelhasználás különbözhet a valós értékekt l. Hogy ezek mérhet ek legyenek, egy komplex monitoring rendszer került kidolgozásra. A mérések célja sokrét , a mért paramétereket ugyanis több szinten is használni lehet. A tervez k kapott adatokat felhasználhatják: 1) az el zetes a számítások igazolására; 2) a további tervezési folyamatokban a modellek kalibrálására, a számítási módszerek tökéletesítésére; 3) az adott épület energiahatékonyságának növelésére (költségoptimizálás); valamint 4) komfort (érzet) javítása érdekében a felhasználók esetében. A monitoring rendszer lehet a kapocs a tervez és az épület között. A beruházó (aki jelen esetben a m ködtet is) számára a mért adatok lehet vé teszik és segítséget nyújtanak az energiafogyasztás valós idej javítását, hatékonyabban szabályozására, valamint a felhasználók igényeinek minél jobb kiszolgálását. A felhasználók, bár a mért adatokkal nem rendelkeznek, de a visszajelzéseik függvényében igényeik, elvárásaik könnyebben kiszolgálhatóak. A monitoring rendszerben számos paraméter mérésére kerül majd sor. Ezek 4 kategóriába lettek sorolva. Az els ben a komfort és energiahatékonysági paraméterek tartoznak, melyek a következ k lennének: különféle h mérsékletek (szerkezeti elemek, burkolatok, leveg , talaj, h /f víz, h pompák vize), páratartalom (beltéri, kültéri), mozgás, ablaknyitás, napsugárzási intenzitás és id tartama, foglaltság (emberek száma), hang és fény intenzitás, valamint a légtömörség. A második kategóriába a berendezések paramétereinek mérései lennének, mint további h mérsékletek (h cserél , fúrt kút, használati melegvíz, a bevezetett és elszívott leveg ), vízfogyasztás, leveg sebesség, áramfogyasztás (különféle fogyasztók) és földgázfogyasztás. A harmadik kategóriában egészségügyi szempotok által diktált paraméterek mérései lennének, úgy mint radonsugárzás, szén-dioxid (CO2), formaldehid (CH2O) g z, dinitrogén-oxid (N2O), nitrogén-dioxid (NO2), valamint illékony szerves vegyületek. A negyedik kategóriába pszichológiai mérések lennének, melyek a felhasználó viselkedését és viselkedés-változásokat követne, olyan kérd íveken keresztül, melyeket a diákok és tanáraik is kitöltenének, ezzel mérve a komfortérzetet (leveg sebessége, páratartalom, h mérséklet, általános komfort, stb). A h mérsékletszenzorok elhelyezése úgy lett kigondolva, hogy valósidej információkat nyújtsanak az elméletileg is vizsgált épületelemekr l, de a szerkezet számos pontján a kültéri és beltéri klímát is nyomon lehessen követni velük. Mivel a h áramlat és h mérsékletek megoszlása a csomópontokban az elemek anyagának és formájának függvénye, a szenzorok rétegesen lettek elhelyezve minden lényeges oldalon, úgy a betonban, a falazatban vagy a h szigetelésekben. A szenzorok kábelekhez való csatalakozásai, úgy a bels , mint a küls részen, zsugorcsöves véd réteggel lettek ellátva, hogy a megfelel m ködés biztosítva legyen a betonozás, falazás vagy vakolás fázisai után is. Az összes bebetonozott kábel pedig polietilén csövekkel volt védve. A betervezett h mérséklet szenzorok száma 360, melyekb l eddig kb 180 lett elhelyezve az alapokba, a talajba, a padlólemezbe, a gerendákba, az oszlopokba és ezek h szigeteléseibe. A közeljöv ben kerül sor a falazatokba és a tet szerkezetbe való beszerelésre. A mérések több adatgy jt egységen keresztül kerülnek rögzítésre. A hatalmas mennyiség adat feldolgozása egy online platformon keresztül lesz megvalósítva. Ennek a kidolgozása már folyamatban van. Amennyiben a jelenlegi ütemterv marad, monitoring rendszer beindítása 2016 májusba volna esedékes.
G
Sidewalk - concrete tiles - 10 cm Grained sand - 10 cm Natural ground Bitumen cap
E
15
7 10
12
10 10
-0.38 -0.48 -0.55
25
15
Insulation - mineral wool - 15 cm Insulation - mineral wool - 15 cm
AAC masonry - 25 cm
125
Cover - OSB board - 2 cm Insulation - mineral wool - 20 cm Concrete slab - 13 cm
Filling earth
475
60
78
80
Insulation - extruded polystyrene - 12 cm
-1.35
13
40
20 2
1.65
Insulation - expanded polystyrene - 12 cm
32
5
-1.75
40
Concrete foundation
Concrete leveling 425
-2.20
Concrete beam - 20 x 45 cm
Compacted ballast
775
15
1.20
12
5. ábra – Padlás t zfal részlet
-0.38 -0.48 -0.55
12
7 10
45
7 10
10 10
Finished flooring - hone - 1 cm Adhesive layer - mortar - 4 cm Insulation - extruded polystyrene - 3 cm Support layer - concrete slab - 10 cm Insulation - extruded polystyrene - 20 cm Polyethylene sheet Capillarity breaking layer - ballast - 10 cm Filling - compacted earth - 7 cm Filling - compacted earth - 80 cm ±0.00 -0.08 -0.18 20 10 3 5
20 10 3 5
25
55
Finished flooring - hone - 1 cm Adhesive layer - mortar - 4 cm Insulation - extruded polystyrene - 3 cm Support layer - concrete slab - 10 cm Insulation - extruded polystyrene - 20 cm Polyethylene sheet Capillarity breaking layer - ballast - 10 cm Filling - compacted earth - 7 cm ±0.00 -0.08 -0.18
E
Sidewalk - concrete tiles - 10 cm Grained sand - 10 cm Natural ground Bitumen cap
Insulation - extruded polystyrene - 12 cm Insulation - expanded 125 polystyrene - 12 cm Concrete foundation
-0.38 -0.48 -0.55
Filling earth
475
60 E
6. ábra – Faltartó gerenda részlet és a mérési pontok
7. ábra – Padlólemez részlet
5
4' Insulation - mineral wool - 5 cm
25
Insulation - mineral wool - 15 cm G
15 5 20
15 5 20
A
Insulation - mineral wool - 5 cm 5
Insulation - mineral wool - 15 cm
8. ábra – Küls közbüls pillér részlet és a mérési pontok
G
AAC masonry - 25 cm
Insulation - mineral wool - 15 cm
25
AAC masonry - 25 cm
25
AAC masonry - 25 cm
25
15
Concrete column 45 x 45 cm
A
AAC masonry - 25 cm
G
E
4. ábra – Küls alap részlet és a mérési pontok AAC masonry - 25 cm 15 Concrete beam - 30 x 35 cm Rigid waterproofing - mortar Insulation - mineral wool - 15 cm 3 12 Insulation - expanded polystyrene - 12 cm
25
Insulation - mineral wool - 5 cm Concrete column 45 x 45 cm
25
25
15
AAC masonry - 25 cm
4'
9. ábra – Küls sarok pillér részlet
E 45 Concrete column 45 x 45 cm Finished flooring - hone - 1 cm Adhesive layer - mortar - 4 cm Insulation - extruded polystyrene - 3 cm Concrete beam - 35 cm Insulation - extruded polystyrene - 12 cm Filling - compacted earth - 80 cm ±0.00 -0.08
Insulation - mineral wool - 5 cm Insulation - mineral wool - 15 cm
25
Finished flooring - hone - 1 cm Adhesive layer - mortar - 4 cm Insulation - extruded polystyrene - 3 cm Concrete slab - 13 cm Insulation - mineral wool - 20 cm
AAC masonry - 25 cm
50
Insulation - expanded polystyrene - 5 cm 3 12
A 15
Insulation - mineral wool - 15 cm
20
35
55
45
35
Insulation - expanded polystyrene - 12 cm Sidewalk - concrete tiles - 10 cm Grained sand - 10 cm Natural ground Bitumen cap
13 35
15 5
12
-0.55
20
10 10
12
-0.43
Concrete beam - 20 x 45 cm Insulation - expanded polystyrene - 12 cm
5
12 Concrete foundation
60
5
47
E
10. ábra – Küls földszinti pillér részlet
AAC masonry - 25 cm
Insulation - mineral wool - 20 cm 5
5
17 7 12
5
20
A
11. ábra – Küls els emeleti gerenda részlet
4. A TERVEZÉSI / KIVITELEZÉSI FOLYAMAT TAPASZTALATAI A jelen iskolaépület esetében kiemelhet az a szerencsés helyzet, hogy a beruházó egyben az épület felhasználója is, így a rövid és hosszú távú érdekek könnyen összeegyeztethet k, hisz úgy a beruházási, mint a m ködtetési költségek ugyanonnan finanszírozandók. A tulajdonos érdeke tehát az átfogó, hosszú távú költségminimalizálás. Ha ez az érdekegyezés hiányzik, sokkal nehezebb egy befektet t meggy zni a rövid tavú többletköltségek megtérülésér l. Elvárható lenne, hogy a jöv ben legalább a közpénzb l megvalósuló nagyberuházások esetén az épület teljes élettartamára kiterjed költségszámítást igényl tenderkiírások szülessenek. Egy másik érdekes tapasztalat a tervezés és kivitelezés költségeivel kapcsolatban, hogy egy tradicionális és egy megújuló koncepciókat is használó energiahatékony épület kivitelezési költségei szinte megegyeznek. A lényeges különbségek a tervezési fázisban a hozzáadott tudás és a gondosabb kivitelezésben lelhet fel. Itt kell kiemelni az építési szakért k szerepét az ilyen és ehhez hasonló energiahatékony megoldások elterjedésében [4]. A potenciális beruházóval már a kezdeti szakaszban kapcsolatot tartó m szaki tanácsadók szerepe talán a legfontosabb. Úgy a felújítások, mint új épületek eseteben, a kezdeti tervezési szakaszban született döntések er sen kondicionáljak a jöv beli m szaki megoldások fentarthatósági paramétereit. Ezt felismerve, egyre több figyelmet kell fordítanunk az el tervezési szakaszban hozott döntésekre [5].
5. KONKLÚZIÓK Az energiahatékony épületek egyre nagyobb figyelmet kapnak az utóbbi években a gazdasági és a bels komfort terén nyújtott el nyei miatt. Jelen esetben, e két érv mellett, óriási dolog az, hogy egy iskola olyan környezetet teremt, olyan egészségügyi paramétereken tud m ködni, amelyik segíti a diákok tanulási teljesítményét és képes megtartani a figyelmi szintet is. A kisebb fenntartási költségek ugyanakkor lehet vé teszik majd, hogy a rendelkezésre álló költségvetés nagyobb részét lehessen az oktatás min ségének növelésére fordítani. A tanulmányozott épületnek komoly kutatási potenciálja is van, hisz többfunkciós, nem folytonos kihasználtságú, energiahatékony tervezési és kivitelezési módszerek alkalmazásával készült és megújuló energia rendszereket is alkalmaz. A tervezett komplex monitoring rendszer alkalmazása végs soron a ködtet t segíti majd az épület paramétereinek legjobb kihasználása érdekében, figyelembe véve az energetikai és egészségügyi szempontokat, valamint a felhasználó igényeit is. De a mért paraméterekb l és adatokból olyan fontos információk is adódnak, melyek felhasználhatóak lesznek új iskola épületek
tervezés-kivitelezés folyamataiban, a létez épületek környezettudatosság alkalmazását az oktatási rendszerben.
felújításánál,
ezzel
is
el segítve
a
Hivatkozások [1] http://www.passivhausprojekte.de/ [2] Integrated Strategies and Policy Instruments for Retrofitting Buildings to Reduce Primary Energy Use and GHG Emissions (INSPIRE), Final Draft – Dec. 2014, ERACOBUILD [3] http://www.meteonorm.com/ [4] Z. Nagy, L. Fülöp, and A. Talja, “Reconversion of Flat Buildings Administration: New Romanian Business Opportunities,” Advanced Engineering Forum, vol. 8–9, pp. 621–630, Jun. 2013. [5] H. Koukkari, E. Zukowska, C. Jose, P. Elguezabal, M. Sandra, V. Ungureanu, A. Ciutina, A. Dinca, E. Grodzicka, M. Chmielewski, H. Gervasio, P. Santos, L. Silva, L. Braganca, J. Andrade, C. Baniotopoulos, I. Zygomalas, V. Dehan, and O. Vassart, “Sustainable Building Project in Steel (SB-Steel),” Final Report RFSR-CT2010-00027, 2014. (http://www.onesource.pt/sbsteel/site/)
Acknowledgement This paper is supported by the Sectoral Operational Programme Human Resources Development POSDRU/159/1.5/S/137516 financed from the European Social Fund and by the Romanian Government.
