Hőátbocsátási tényező helyszíni mérésének tapasztalatai Magyarországon
2014. március 22.
Nyomtatva:2014. november 20.
Hőátbocsátási tényező helyszíni mérésének tapasztalatai Magyarországon Bevezetés
Hőtárolásból eredő befolyásoló hatások
Az épületek termikus határvonalába beépített szerkezetek hőátbocsátási tényezőjének pontos ismerete igényként merül fel :
Az épületszerkezetek hőtárolási képességének egyik kedvező hatása,hogy a a fajlagos hőtároló tömegük növekedésével csillapítják a külső hőmérsékletek ingadozásának hatását a belső térben. A hőtárolási képesség belső felületi hőmérséklet kialakulására kifejtett késleltető hatása megnehezíti a hőátbocsátási tényező beépített állapotban történő mérését.
-hőszigetelési beruházások előkészítő fázisában, mint kiinduló tervezési alapadat és -a kivitelezés befejezése után , mint az egyik legfontosabb, az energetikai hatékonyságot meghatározó ellenőrizendő paraméter. A hőátbocsátási tényező számítása a szigorúan ellenőrzött környezetben, próbatesteken végzett, laboratóriumi hővezetési tényező ( λ) méréseken alapul. Amennyiben a vizsgálandó szerkezethez nem állnak rendelkezésre pontos hővezetési tényező értékek és geometriai adatok, vagy esetleg megkérdőjeleződik, hogy a beépített anyag azonos-e a minősítésben szereplő anyaggal, az egyik lehetséges vizsgálati eljárás a hőátbocsátási tényező helyszíni mérése.
A külső hőmérséklet változások ideális esetben szinuszos lefutással modellezhetőek. A külső levegő hőmérsékletének változásai a belső oldali felületi hőmérsékleteket csak késve, időben eltolódva változtatják meg. A belső levegő hőmérsékletét pedig a belső térben termosztát szabályozza, 20 oC körüli értékre. Az így kialakuló elméleti hőmérsékleteket az alábbi grafikon (1.ábra) ábrázolja egy idealizált szemléltető jellegű eset vonatkozásában:
25 C
A helyszíni mérésekhez angol nyelvű szabványok is rendelkezésre állnak:
20 C
ISO 9869:1994 Thermal insulation -- Building elements -- In-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance
15 C
ASTM C1155 – 95 Standard Practice for Determining Thermal Resistance of Building Envelope Components from the In-Situ Data
10 C
Külső hőmérséklet Belső levegő hőmérséklet Belső felület
5 C Írásunk a Testo 635-2 típusú műszerrel végzett méréshez kapcsolódó tapasztalatokat ismerteti.
0
A mérés alapelve
ő
ü
ő
100
150
ő
ü
‐10 C
1. ábra Hőmérsékletváltozások időbeli lefutása
1. egyenlet
az előbbi összefüggés ő
50
‐5 C
A mérés az időben állandósult hőáramlás során kialakuló belső oldali felületi hőmérséklettel egy időben rögzített, külső és belső léghőmérséklet mérésén alapul. (1. egyenlet)
∝
0 C
2.
Amennyiben a fenti tulajdonságokkal rendelkező modellen U értéket mérnénk a Testo 635-2 műszerrel, akkor a mért értékek az alábbiak szerint alakulnának (2.ábra):
tagja ( 2. egyenlet) pontosan meghatározott esetén, a vizsgált felületen átáramló fajlagos energia mennyiségét adja [W/m2] egységben. Az MSZ EN ISO 10077-1 alapján : αi= 7,69 W/m2K (függőleges). A mérés kiértékelését nehezíti,hogy az időben állandósult hőáramlás, beépített szerkezetek helyszíni vizsgálatakor nem biztosítható. A belső oldalon jó esetben egy termosztát biztosít ugyan +/- 1 - 2 oC-on belüli levegőhőmérsékletet,de a külső levegő hőmérsékletének gyors változásai valamint a szél és egyéb időjárási hatások miatt jellemzően nem tud állandósult hőáramlás kialakulni.
2,5 W/m²K 2 W/m²K 1,5 W/m²K 1 W/m²K 0,5 W/m²K 0 W/m²K 0 óra
50 óra
100 óra
150 óra
2. ábra Mért látszólagos pillanatnyi U érték (ULP)
cikluson át, az egyre növekvő számú méréssel lefedett, egyre több teljes ciklus folyamatosan simítja a görbe kilengéseit, és láthatóan egy érték körül ingadozik egyre szűkebb tartományon belül.
Az így mért érték a Pannon Infrared kiértékelési gyakorlatában a látszólagos pillanatnyi U érték (ULP) elnevezést kapta,hiszen a vizsgált szerkezet U értékéhez csak közvetett módon kapcsolódik. Az ULP érték helyes műszerelrendezés esetén megmutatja a falazat által a belső térből elvont fajlagos energia mennyiséget a mérés pillanatában. Amennyiben kint lehűlés kezdődik, a hőtároló tömeg késleltető hatása miatt a belső felület még nem „érzékeli” a változást, így az ULP érték a korábbinál jobb, alacsonyabb értéket mutat. Mire a külső térben felmelegedés indul meg, a belső felületen már jelentkezik a korábbi kinti hideg hatása, ezért a benti hidegebb felület a külső melegedéssel együtt a valóságosnál rosszabb azaz nagyobb mérési értéket eredményez.
Mérés kiértékelési tapasztalatok A Testo 635-2 műszerrel végzett mérések során szerzett tapasztalatok közül alábbiakban három mérés eredményeit ismertetjük. A mérési elrendezés minden esetben megfelelt az előírásoknak. A műszer állványon került elhelyezésre a 3 ágú U érték érzékelők középvonalának magasságában. (1.fénykép)
Egy teljes külső hűlési-melegedési ciklus alatt a hőtárolási hatások közelitőleg várhatóan kiegyenlítik egymást. A késleltetés mértékének számszerűsítése megfelelő felkészültség birtokában elvégezhető lenne a vizsgált szerkezet rétegrendjének ismeretében, viszont ezen rétegek pontos ismerete esetében maga a mérés veszítené el célját, hiszen a cél egy „ismeretlen felépítésű” szerkezet vizsgálata.
Az ULP fent leírt változékonysága miatt az egyedi, a műszer által kijelzett értékeket nem tekintjük mérési eredménynek. Mérési eredménynek tekintjük viszont egy mérési időszak átlagértékeit. Egy mérési időszak jellemzően n x 24 óra, mint a napi hőmérsékletváltozás természetes periódusához illeszkedő időtartam. Az ISO 9869:1994 alapján, a szükséges mérési időtartam minimum 96 óra úgy, hogy a külső és belső hőmérsékletek különbsége legalább 15 oC legyen. A mérések komolyságának értékeléséhez házi használatra minden méréshez meghatározzuk a belső-külső hőmérsékletkülönbség és az eltelt idő szorzatát. 96 órán át min 15 oC hőmérsékletkülönbség, azaz a minimum 96 x 15 ~ 1440 ΔKh*
1. fénykép
A háromágú érzékelő biztos falkapcsolatát rögzítőgyurma és maszkolószalag biztosította. A külső hőmérsékleti adatok rádiófrekvenciás jeladóval, valamint hőmérséklet és páratartalom érzékelővel kerültek rögzítésre. (2. fénykép) A műszer összeállítás érvényes kalibrációval rendelkezik.
Amennyiben a fenti példán szereplő elméleti ULP értékek(2. ábra) mindegyikére kiszámoljuk az összes korábbi érték átlagát. (3. egyenlet)
U átlag i=
∑
3. egyenlet
2. fénykép
és ezt ábrázoljuk az alábbi (3.ábra) értékeket kapjuk. A példaként bemutatott három mérés, három U érték tartományt jelképez, ezek a következőek: 1. Bentmaradó polisztirol zsalus falazat: U=0,184 W/m2K (0 – 0,5) 2. 4LOW-E-12Ar-4-14Ar—4LOW-E üvegezés:U=0,7 W/m2K (0,5 – 1,0) 3. B 30 falazat : U=1,47 W/m2K (1,0 - 1,5)
2 W/m²K
1,75 W/m²K
Növekvő darabszámú átlagok A mérés kiértékeléséhez először kiszámoltuk a folyamatosan növekvő darabszámok átlagait a 3. egyenlet szerint. (4.; 5.; 6. ábra)
1,5 W/m²K
0,2 W/m²K
1,25 W/m²K
0,15 W/m²K
Az elmúlt időszak átlaga 1 W/m²K 0 óra
75 óra
150 óra 225 óra 300 óra
3. ábra Növekvő mintaszámú átlag Az ábrán látható,hogy a mérés kezdete nem esett egybe a hőmérséklet változások által okozott ciklikus viselkedés kezdetével,de elegendő számú
0,1 W/m²K
0,05 W/m²K 0 W/m²K 0 x 5 perc
750 x 5 perc
1500 x 5 perc
4.ábra Bentmaradó polisztirol zsalus falazat
A 96 óránál rövidebb mérési időtartamok várható pontossága
1,25 W/m²K 1,15 W/m²K
A hosszú távú mérések lehetőséget adtak arra, hogy a mérési időszakokon belüli rövidebb rész-mérések lehetséges eredményeit összehasonlítsuk a végeredménnyel, ezért meghatároztuk a mérési időszakokra az 1-3-6-12-2448 órás mozgó (gördülő) átlagokat. A mozgó (gördülő) átlagok értékei megmutatják,hogy a vizsgált időszakon belüli adott hosszúságú mérések milyen eredményeket adhattak volna. Az eredményt a B 30 falazat példáján a 8.ábrán mutatjuk be.
1,05 W/m²K 0,95 W/m²K 0,85 W/m²K 0,75 W/m²K 0,65 W/m²K 0,55 W/m²K 0 x 5 perc 1000 x 5 perc 2000 x 5 perc 3000 x 5 perc
3,2 W/m2K
5. ábra 3 rétegű üvegezés
1
3
6
12
24
2,7 W/m2K
1,55 W/m²K 1,35 W/m²K 1,15 W/m²K
2,2 W/m2K
0,95 W/m²K 0,75 W/m²K
1,7 W/m2K
0,55 W/m²K 0 x 10 perc
500 x 10 perc
1000 x 10 perc
6. ábra B 30 falazat Mindhárom grafikon jellege hasonlít a 3. ábrán bemutatott feltételezett alakhoz, vagyis a kilengések tompulnak és egy jól érzékelhető nyugvópont körül csillapodva ingadoznak.
1,2 W/m2K
0,7 W/m2K 0 x 10 perc
Folyamatos összegzés
550 x 10 perc
7. ábra B 30 falazat mozgó (gördülő) átlagok
A mért értékek folyamatos összegzésével a mért adatok jellemzően egyenesbe rendeződtek. (7. ábra) A 8. ábra és a mindhárom mérés adatait tartalmazó 1. táblázat alapján látható,hogy még a 24 órás időtartamú mérések átlaga is túlzottan nagy tartományon belül mozog, ezért a rövidtávú mérések általában nem alkalmasak a hőátbocsátási tényező meghatározására.
2000 W/m2K 1800 W/m2K 1600 W/m2K
1. táblázat Mozgó (gördülő) átlagok
1400 W/m2K 1200 W/m2K
1000 W/m2K 800 W/m2K
Szerkezet sorszáma
Bentmaradó polisztirol zsalus falazat
4LOW-E12Ar-414Ar— 4LOW-E üvegezés
B 30 falazat
4,6
9,9
3,4
600 W/m2K
Mérés időtartama (nap)
400 W/m2K
ΔKh*
200 W/m2K
Teljes mérés átlaga W/m2K
0 W/m2K 0 perc
5000 perc 10000 perc 15000 perc
7. ábra ULP folyamatos összeg Az egyeneseket legkisebb négyzetek módszerével egyenlítettük ki és az eredmények a 2. táblázatban tüntettük fel.
2 814 0,139
3 719 0,625
1 399 1,265
1 órás mérés (min-max)W/m2K
0,073-0,220
0,109-0,989
0,826-2,879
12 órás mérés (min-max)W/m2K
0,106-0,190
0,469-0,743
0,943-2,024
24 órás mérés (min-max)W/m2K
0,110-0,185
0,548-0,694
1,131-1,577
48 órás mérés (min-max)W/m2K
0,122-0,168
0,577-0,680
1,171-1,417
A mérések várható pontossága
A mért és „tervezési” U érték közötti kapcsolat
A hosszú távú mérések alapján megbecsültük az egyes mérési időtartamoktól várható pontosságot (9.ábra)
A mért U érték még a leghosszabb mérési sorozat és a legpontosabb mérés esetében sem egyezett +/- 5%-on belül a tervezéskor használt rétegtervi U értékekkel. (3. táblázat)
100%
3. táblázat
75%
Felső hiba
50%
vizsgált szerkezet
Bentmaradó polisztirol zsalus falazat
Alsó hiba
25% 0% 0 óra ‐25%
25 óra
50 óra
75 óra 100 óra 125 óra
mért érték,
‐50% ‐75% ‐100%
8. ábra Becsült maximális eltérések ábrája
B 30 falazat
rétegtervi U érték W/m2K
4LOW-E-12Ar-414Ar—4LOW-E üvegezés
teljes mérés átlaga (W/m2K) Folyamatos összegek kiegyenlítése a legkisebb négyzetek módszerével (W/m2K) min 96 óra időtartamú mérés 24 órás mozgó (gördülő) átlagaiból számolt U95%(W/m2K) min 96 óra időtartamú mérés 48 órás mozgó (gördülő) átlagaiból számolt U95%(W/m2K)
0,184
0,7
100%
1,47
100%
100%
0,139
75%
0,625
89%
1,265
87%
0,146
79%
0,634
91%
1,300
88%
0,192
104%
0,704
100,50%
1,624
128%
0,179
97,50%
0,688
98,20%
1,472
100,40%
2. táblázat. Várható becsült pontosság Mérés időtartama Várható becsült pontosság 1 órás mérés ~ +/- 85% 3 órás mérés ~ +/- 65% 6 órás mérés ~ +/- 50% 12 órás mérés ~ +/- 40% 24 órás mérés ~ +/- 25% 48 órás mérés ~ +/- 15% 72 órás mérés ~ +/- 8% 96 órás mérés ~ +/- 5% A fenti pontossági értékeket erősen befolyásolják a vizsgált szerkezet hőtároló tömege által okozott késleltető hatások,valamint az, hogy a hűlési melegedési ciklusok mely fázisában kerültek elvégzésre.
A mérési eredmények statisztikai vizsgálata A hosszú távú mérés során rögzített ULP értékek általában Normális eloszláshoz nagyon hasonló eloszlást mutattak. ( 10. ábra )
30% 25% Mérési adatok
20%
A cca. 96 órán át tartó mérések eredményeiből képzett 48 órás mozgó (gördülő) átlagok U 95% értékei viszont 2-3 %-os pontosságon belül illeszkedtek a szerkezetre kalkulált rétegtervi U értékhez!
Összefoglalás A hőátbocsátási tényező, beépített állapotban végzett helyszíni mérését, erősen befolyásolják a szerkezet hőtárolásából eredő késleltetési tulajdonságai. A műszer jellemzően egy látszólagos pillanatnyi U értéket (ULP) mér. Az „ULP” értékek eltérései egy hűlési és melegedési cikluson belül várhatóan kiegyenlítik egymást. A mérés időtartamát ezért a hőmérséklet változás természetes üteméhez igazodóan, a 24 óra többszörösére célszerű megválasztani. Az ISO 9869 szabvány alapján legalább 15 oC hőmérséklet különbség mellett, min. 96 óra hosszúságú mérési időtartamot célszerű választani. Egyetlen példaként bemutatott mérés esetében sem valósultak meg az időben állandó hőáramlás feltételei,és helyszíni vizsgálatok esetében kialakulásuk nem is elvárás. Mindhárom mérés esetében a mért átlag kedvezőbb értéket adott, mint a névleges rétegtervi U érték. A min 96 órán át tartó mérési periódus eredményeiből képzett 48 órás mozgó (gördülő) átlagok, viszont 95 %-os konfidencia szinten 2-3% -ra a névleges értéktől alakultak. 2014. november 20.
15% Elméleti sűrűség függvény
10% 5% 0% 0 W/m²K
0,1 W/m²K
0,2 W/m²K
Monori Tamás okl. építőmérnök Minősített PasszívházTanácsadó www.pannoninfrared.eu
0,3 W/m²K
10. ábra Bentmaradó polisztirol zsalus falazat, mérési eredmények sűrűség függvénye
irodalomjegyzék: MSZ EN ISO 7345:1997 Hőszigetelés. Fizikai mennyiségek és fogalommeghatározások. ISO 6946:2007 Épületszerkezetek és épületelemek. Hővezetési ellenállás hőátbocsátás. Számítási módszer ISO 9869:1994 Thermal insulation -- Building elements -- In-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance ASTM C1155 – 95 Standard Practice for Determining Thermal Resistance of Building Envelope Components from the In-Situ Data Épületenergetika Zöld András, Csoknyai Tamás Energiagazdálkodás az építészetben Gábor László, Zöld András Fűtéstechnikai adatok Völgyes István Energy Renovation of Buildings Utilizing the U-value Meter, a New Heat Loss Measuring Device Lars Schiøtt Sørensen THE SPAB RESEARCH REPORT 1. U-VALUE REPORT Caroline Rye and Cameron Scott On site evaluation of U-value of opaque building elements: a new methodology Rossano Albatici , Arnaldo M. Tonelli THE MEASUREMENT OF U-VALUES ON SITE B.R. Anderson, Ph.D Research on improving the thermal performance of traditional windows and thermal performance monitoring Dr Paul Baker IN-SITU U-VALUE MEASUREMENT: RELIABLE RESULTS IN SHORTER TIME BY DYNAMIC INTERPRETATION OF MEASURED DATA C. Roule, Ph.D. J. Gass, Ph.D. I. Markus ÉPÜLETENERGETIKA SEGÉDLET Baumann Mihály, Dr. Csoknyai Tamás, Dr. Kalmár Ferenc, Dr. Magyar Zoltán, Dr. Majoros András, Dr. Osztroluczky Miklós,Szalay Zsuzsa,Prof. Zöld András
