Épületek energiatudatos gépészeti tervezése Szikra Csaba tudományos munkatárs BME Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

Épületek energiatudatos gépészeti tervezése Szikra Csaba tudományos munkatárs BME Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék [email protected] 2011.

A napsugárzás intenzitása

BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

A közvetlen és a szórt sugárzás aránya Magyarországon Napi globális és szórt besugárzás havi átlaga vízszintes felületen (kWh/m², nap) 6

5

4

3

2

1

0

jan.

feb.

már.

ápr.

máj.

jún.

júl.

aug.

szep.

okt.

nov.

dec.

60,2%

52,3%

52,6%

50,0%

46,6%

46,9%

45,0%

44,1%

47,5%

50,7%

60,2%

63,3%

• Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8° és 48,6° között található. • A napsütéses órák száma megközelítőleg évi 2100 óra, • a vízszintes felületre érkező napsugárzás Szórt hőmennyisége ~1300 Globál kWh/m2 év. • Magyarországon a szórt sugárzás részaránya jelentős, meghaladja az 50%-ot. • A napsugárzás csúcsértéke nyáron, a déli órákban, derült, tiszta égbolt esetén eléri, esetenként meghaladja az 1000 W/m2 értéket.

Forrás: http://eosweb.larc.nasa.gov – 22 éves átlagértékek alapján, keletei félteke 19°hosszúság (longitude), északi félgömb 47°szélesség (latitude) területe (ország közepe) BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

A sugárzás hozama fűtési idényben Napi globális és szórt besugárzás havi átlaga vízszintes felületen (kWh/m², nap) 6

Éves jellemzők: globál: 1234 kWh/m²,év szórt: 613 kWh/m²,év szórt hányad: 50%

5

4

Szórt

3

Globál

2

1

0

jan.

feb.

már.

ápr.

máj.

jún.

júl.

aug.

szep.

okt.

nov.

dec.

60,2%

52,3%

52,6%

50,0%

46,6%

46,9%

45,0%

44,1%

47,5%

50,7%

60,2%

63,3%

Jellemzők fűtési idényben (ti=20°C, Δtb=8°C): (okt. közép – ápr. közép) globál: 362 kWh/m²,év (Qtot) szórt: 202 kWh/m²,év szórt hányad: 56%

Forrás: http://eosweb.larc.nasa.gov – 22 éves átlagértékek alapján, keletei félteke 19°hosszúság (longitude), északi félgömb 47°szélesség (latitude) területe (ország közepe) BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

Átlagos globális sugárzás eloszlása függőleges felületen (Budapesten) A függőleges felületekre jutó globális sugárzás átlagos havi és évi értékei Budapesten (kWh/m2). Hónap Január Február Március Április Május Június Július Augusztus Szeptember Október November December ÉV

Forrás:Othmar Humm – Alacsony energiájú épületek

Qsd értékeinek származtatása: BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

Észak 12 16 27 38 57 60 59 47 33 22 14 10 395

Dél 40 59 86 92 101 89 95 106 102 88 55 38 951

Kelet 19 32 54 76 103 107 112 101 72 47 25 17 765

Ny 19 31 51 69 94 98 99 89 65 45 23 16 699

A függőleges felületekre jutó globális sugárzás átlagos havi értékei fűtési idényben, Budapesten (kWh/m2). Észak Dél Kelet Ny Hónap 12,0 40,0 19,0 19,0 Január 16,0 59,0 32,0 31,0 Február 27,0 86,0 54,0 51,0 Március 25,3 61,3 50,7 46,0 Április 2/3 Május Június Július Augusztus Szeptember 14,7 58,7 31,3 30,0 Október 2/3 14,0 55,0 25,0 23,0 November 10,0 38,0 17,0 16,0 December

Fűtés

119,0

398,0

229,0

216,0

Éves besugárzás eloszlása vízszintes felületen

Magyarország egyes területei között a napsugárzás szempontjából nincsenek jelentős eltérések. A legnaposabb rész az ország középső, déli része, a legkevesebb a napsütés az északi és nyugati részen. Az eltérés az egyes országrészek között 10% alatti. BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

A hasznosítható sugárzás irányérzékenysége

A hasznosítható napsugárzás mennyiségét befolyásolja a hasznosító berendezés dőlésszöge és tájolása. Magyarországon a legtöbb napsütés - megközelítőleg évi 1450 kWh/m2 - déli tájolású és 40-42°-os dőlésszögű felületre érkezik. Jelentős csökkenés csak függőleges dőlés, és keleti vagy nyugati tájolás közelében tapasztalható, mivel a napsugárzás jelentős része határozott irány nélküli szórt sugárzás.


A hasznosítás lehetséges módjai


Építmények energiamérlege stratégiák, egyensúlyi hőmérséklet

Qg = Ql(tib) → QF~ (ti-tib) QSG+QLG+QVG+QOG= QTRL+ QTBL+QGRL+QFIL BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

Az üvegezés hővesztesége fűtési idényben

ti

U te

A U QTR   H ti , z 1000 BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

Teljes szoláris energia átbocsátási tényező (g) Árnyékolás nélküli üvegek

QTOT

az árnyékolatlan épületszerkezeten átjutó, valamint az arra ráeső teljes szoláris energia időben

g

átlagolt hányada.

Qsd

Qsd g QTOT

Egyszeres üvegezések: Normál üveg (3mm) Táblaüveg (6mm) Abszorbens üvegek: a=40-48% a=48-56% a=56-70% Kettős üvegezések: Normál üveg (3mm) Táblaüveg (6mm) Abszorbens üvegek: Kívül a=48-56%, belül normál üveg Kívül a=48-56%, belül tábla üveg (6mm) Hőszigetelő üvegezések: U= U= U= Fényvédő üvegezések: r= r= r= Hármas üvegezések: Normál üveg (3mm) Táblaüveg (6mm) Hőszigetelő üvegezés


Naptényező N(-)

Teljes sugárzás áteresztő tényező g (-)

1,00 0,94

0,87 0,82

0,80 0,73 0,62

0,70 0,64 0,54

0,90 0,80

0,78 0,70

0,52

0,45

0,50

0,44

0,87 0,81 0,78

0,72 0,67 0,65

0,58 0,45 0,30

0,48 0,37 0,25

0,83 0,69 0,60

0,72 0,60 0,50

Direkt sugárzás hatása a helyiségben

Qsd    AÜ  g  QTOT


Az üvegezés hő-mérlege fűtési idényben elvi levezetés

 Aü  Qsd  A  g     QTOT  A

Qhm  Qhm  Qtr

g

A U  H Qtr  1000

  Aü   Qhm  A   g     QTOT  U  H    A  Qsd – Üvegszerkezet direkt sugárzási nyeresége (kWh/m2,év) Qtr – Üvegszerkezet transzmissziós vesztesége (kWh/m2,év) Qhm – Üvegszerkezet hőmérlege (kWh/m2,év) Aü – Üvegszerkezet transzparens felülete (m2) A – Üvegszerkezet névleges felülete (m2) g – a transzparens felület sugárzás átbocsátó képessége U – az üvegszerkezet hőátbocsátási tényezője (W/m2K) H – Hőfokhíd a fűtési idényben (hK) QTOT– Energiahozam a fűtési idényben (kWh/m2,év)


U

Az üvegezés hő-mérlege fűtési idényben Normál, kettős üvegezésű 3mm-es síküveg (U=1.6, g=0.78) QTOT H g U

2

Sugárzás hozama fűtési idényben (kWh/m ,a) Fűtési hőfokhíd, ti=20°C (h·K) Kettős, 3mm-es üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége (-) A szerkezet névleges mérete névleges méretére vonatkozó hőátbocsátási tényező (W/m 2K)

A szerkezet névleges mérete (m 2) A veszteség- és nyereségáramokat kifejező U/g tényező hányadosa Aü/A Traszparens részarány A

Q sd

g

Q tr

Az üvegezett szerkezeten keresztül érkező hőnyereség fűtési idényben(kWh/m 2 ,év) A névleges felületre vonatkozó hőveszteség fűtési idényben (kWh)

Qhm Energiamérleg (kWh)


D

K, NY

É

400 72000

200 72000

100 72000

0,78

0,78

0,78

1,6

1,6

1,6

1

1

1

2,1

2,1

2,1

0,8

0,8

0,8

124,8

62,4

115,2

115,2

A ·g·(A ü /A)·Q TOT 249,6 A·U·H/1000

Qsd-Qtr

115,2

134 9,6 -53

U

Az üvegezés hő-mérlege fűtési idényben „High-tech” üvegezés, 3x, U=0.83, g=0.6 QTOT H g U

D

K, NY

É

400 72000

200 72000

100 72000

0,6

0,6

0,6

0,83

0,83

0,83

1

1

1

1,4

1,4

1,4

0,8

0,8

0,8

A ·g·(A ü /A)·Q TOT 192

96

48

59,76

59,76

132 36

-12

2

Sugárzás hozama fűtési idényben (kWh/m ,a) Fűtési hőfokhíd, ti=20°C (h·K) Háromszoros 3mm-es üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége (-) A szerkezet névleges mérete névleges méretére vonatkozó hőátbocsátási tényező (W/m 2K)

A szerkezet névleges mérete (m 2) A veszteség- és nyereségáramokat kifejező U/g tényező hányadosa Aü/A Traszparens részarány A

Q sd

g

Q tr

Az üvegezett szerkezeten keresztül érkező hőnyereség fűtési idényben(kWh/m 2 ,év) A névleges felületre vonatkozó hőveszteség fűtési idényben (kWh)

Qhm Energiamérleg (kWh)


A·U·H/1000

Qsd-Qtr

59,76

U

Tervezői stratégiák Az építmény méretének növekedésével a szoláris eszközök alkalmazhatósága csökken. A nagyobb épület összetettebb, az üzemvitel feltételei szigorúbbak, a számítási eljárások megbízhatatlanabbak. Több tartózkodó, magasabb elégetetlen szám A., A hagyományos és passzív rendszerek méretezése csúcsigények ellátására B., Domináns passzív rendszer kiegészítő hagyományos rendszerrel C., Domináns hagyományos rendszer, kiegészítő passzív berendezéssel BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

Direkt rendszerek direkt üvegezés

üvegházzal takart homlokzat, direkt nyereséggel


diffúz üvegezés

bevilágító

Indirekt rendszerek tömegfal

üvegházzal takart homlokzat


Trombe féle tömegfal

Barra - Constantini

Tömegfal

alapok, részei Alapok A legegyszerűbb indirekt napenergiát gyűjtő épületszerkezeti elem. A tömegfal egy jó hővezetőképességű, nagy tömegű fal, melynek nap felé néző oldala hőelnyelő felület, mely a hőveszteségek csökkentése érdekében üvegezéssel burkolt. Egyes változataiban a szilikát alapú falazat helyett vizet (vízfal), illetve fázisváltó anyagot helyeznek. Részei: Nagy tömegsűrűségű, jó hővezetőképességű, és nagy fajhőjű (tehát jó hőtároló-képességű) külső falból ("tömegfal") és az elé épített üvegezésből áll. Ezt mozgatható árnyékoló-szerkezet egészítheti ki. BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

Tömegfal

felületképzés, árnyékolás, hőtárolás szerepe Felületképzés A tömegfal külső felületét nagy hőelnyelő képességű, sötét felületképzéssel látják el. Az ablakon átjutó napból érkező sugárzás jelentős részét ez a felület nyeli el. A nagy hőtárolóés hővezető-képességű fal az elnyelt energiát késleltetve jutatja a helyiségbe . Árnyékolás Az árnyékoló az éjszakai veszteségáramokat csökkenti télen, nyáron napközben a túlzott felmelegedés ellen véd. Az üvegfelület ellátható kiszellőztetést segítő szárnyakkal melynek célja a nyári hővédelem.

Hőtárolás Télen a teljes hőveszteség 65%-a éjjel, míg 35%-a nappal következik be. Tehát a napközben bejutó energia 65%-át tárolni kell éjszakára. A hőtárolás fontos szerepe abban rejlik, hogy a nagy felületű ablakokon bejutó napsugárzás energiája az a fal tárolja, éjjel pedig a fal mögötti helyiségnek átadja. A tömegfal késleltetése a méretezés fontos eleme.


Tömegfal

energetikai működése A napsugárzás 15-20%-át az üvegfelület visszaveri. Az üvegezésen átjutott maradék hányad 80-90%-a tömegfal külső síkján elnyelődik. Az elnyelt hő egy része - a tömegnek megfelelő késleltetéssel a helyiségbe jut. A külső oldalon is felmelegedett tömegfal felülete konvekcióval melegíti az üveggel bezárt légréteget, illetve infra tartományban kifelé is sugároz. A tömegfal energetikai hatékonyságát jelentősen befolyásolja, hogy az infravörös tartományú hőt milyen hatékonyan lehet a nagy tömegű fal és üvegezés között tartani. Az indirekt energiagyűjtő szerkezetekre jellemző, hogy légkör szórt sugárzásából kevesebbet hasznosít, mint a direkt rendszerek. BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

Tömegfal

késleltetés, csillapítás Késleltetés: Késleltetés kisméretű tégla vagy avval egyenértékű falazat esetén centiméterenként 20-24 perc. Helyesen méretezett késleltetés esetén a téglában tárolt hő abban az időszakban fejti ki hatását, mikor a direkt energiát gyűjtő szerkezeteknek már benapozatlanságuk miatt hozamuk már nincs. Egynapos ciklust felételezve az energiagyűjtő szerkezetet délfelé tájolva, 12 óra a megfelelő késleltetést. Kelet felé hajló homlokzat esetén növelni, nyugat felé hajló homlokzat esetén csökkenteni kell a késleltetési időt. 12 órás késleltetés 34cm kisméretű téglafalazat két oldalán 2-2 cm cementvakolat esetén alakul ki. BME Építészmérnöki kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék ©Szikra Csaba: Szoláris épületek (2011 Épszerk8 )

A tömegfal hő-mérlege fűtési idényben

Qsid

 Atr  A  g  aN   A

Rki  Qtot   Rki  Rbe

Rki

Qsid

Rbe

Rki  Atr   A  g  aN    Qtot  A  Rki  Rbe Qhm

A U QTR  H 1000

  Atr  A   g      A


Qsd g  Qtot

    Qtot  U  H   

Számítási paraméterek

Ufie

Belső oldali hőátadás Cementvakolat km tégla falazat Cementvakolat Külső oldali hőátadás

számítási példa

0,78 0,9 0,8 400 α λ b R hőáthő- vastag- ellenbocsátás vezetés ság állás W/m2K W/mK cm m2K/W 8 0,125 0,87 1,5 0,017 0,78 30,0 0,385 0,87 1,5 0,017 8 0,125

Falazat hőátbocsátási tényezője (W/m2K) Ellenállás a külső falsíktól befelé (vakolat+fal+vakolat+alfai), (m2K/W)

1,495

Légréteg, árnyékoló

i v t v e

Tömegfal

20 72000

Rle Rá

Levegőréteg egyenértékű ellenállása árnyékoló nélkül Árnyékoló többlet ellenállása (redőny, mely éjszaka zárt állapotban van, ~/2

0,200 0,100

ablak

Tömegfal

betű-jel ti belső hőmérséklet (°C): H Fűtési hőfokhíd (h°C): Üvegezés teljes sugárzás átbocsátó képessége, gü a keretaránnyal együtt (hőszigetelő, 2x) Aü/An Üvegezett részarány: Aüveg/Anévleges (%) aN Tömegfal abszorpciója (-) Qtot Sugárzás hozama fűtési idényben (kWh/m2)

Uat Rat Ra

Az ablak katalógus szerinti hőátbocsátása (W/m2K) Az ablak ellenállása: Rat= 1/Uat (W/m2K) Ablak ellenállása a belső oldali hőátadás nélkül Ra=Rat-1/8 (m2K/W)

1,100 0,909 0,784

Veszt eség

R arány

Rbe

Rki Ellenállás a külső falsíktól kifelé: Rki=Rle+Rá+Ra (m2K/W) Rki/Rbe A kifelé és befelé mutató ellenállások aránya: Rki/Rbe (-) Uie qtr

Eredmények

A qsg gtf Ntf qhm

0,544

1,084 1,992

A teljes rendszer hőátbocsátása Uie=1/(Rbe+Rki) Transzmissziós veszteség: (1*Uie*H/1000 (kWh/m2))

0,614 44,22

Fal felületen elnyelt hő: A= Qtot*g*aN*Aü/An (kWh/m2) Az ellenállások arányában a helyiségbe érkező szoláris hőnyereség: qsg=A*Rki/(Rki+Rbe) (kWh/m2) A sugárzás éves hozamára vetített hőnyereség: qsg/Qtot (kWh/m2) A tömegfal naptényezőhöz hasonló hányadosa: Ntf=gtf/0,87 (-) A fal hőmérlege fűtési szezonban: qhm=qsg-qtr (kWh/m2) A sugárzás éves hozamára vetített hőmérleg: qhm/Qtot (kWh/m2)

224,6 149,57 0,37 0,43 105,35 0,263


Rki

Rbe

Direkt és indirekt energiagyűjtő szerkezetek A direkt energiagyűjtő szerkezet hatékonyabb, mint az indirekt Az üvegezett szerkezetek teljes sugárzásátbocsátó képességének mintájára definiálható az energiagyűjtő szerkezetek „teles energiaátbocsátó képessége” Az energiagyűjtő szerkezetek hatékonyságát csökkenti a hőtárolóképességének növelése


Épületek energiatudatos gépészeti tervezése Szikra Csaba tudományos munkatárs BME Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

Recommend Documents