Szalmaházak energiahatékonysági elemzése Igaz Titusz, Ph.D. hallgató, Dr. habil. Lakatos Gyula, Ph.D Debreceni Egyetem, Ökológiai Tanszék
[email protected],
[email protected] Godó Zoltán Attila, Ph.D Debreceni Egyetem, Környezet- és Vegyészmérnöki Tanszék
[email protected] Kozmáné Szirtesi Krisztina Debreceni Egyetem, ÉpítĘmérnöki Tanszék
[email protected] Abstract Not long ago in Hungary red mud disaster destroyed a lot of houses. Some houses have been rebuilt by donations. One of them was designed to be really environmentally friendly, insulated with natural straw bales. Is this construction energy efficient as well? At our University the Department of Ecology and Environmental Engineering have made a cooperation to investigate the straw insulated structures if they work properly. The insulating property, energy transfers and the durability of the structures are tested at the same time. It was designed to place seven high-precision sensors into each measuring points into the structures. The high number of sensors are controlled by microcontrollers and the data transfer is made online. The real-world measurements of environmentally friendly constructions can help the future be modernized and sustainable. Szalmaházak története Az elsĘ szalmaházakat Nebraskában a 19. század vége felé, a bálázó gépek feltalálása idején építették. A homokos dombokkal jellemezhetĘ tájban nem találtak építésre alkalmas anyagot. Fát csak a folyók partjain élĘk alkalmazhattak. Sok helyen gyeptéglák segítségével építettek kunyhókat, de bizonyos területeken ebbĘl sem lehetett megfelelĘ minĘségĦt fellelni, így adódott a telepeseknek az ötlet, hogy a szalmabálákat, mint téglákat egymásra építve készítsenek házat (1.a,b. ábra). ElĘször csak ideiglenes jelleggel építették, de idĘvel rájöttek, hogy ha bevakolják, akkor nagyon is komfortos és tartós házakat kapnak. Az elsĘ ilyen házak már több mint 100 éve épültek, és közülük sok még ma is épségben áll és lakják (LACINSKI P. ÉS BERGERON M, 2000). ϭ͘Ă͘
ϭ͘ď͘
1.a. ábra. Teherhordó típusú szalmaház építés közben 1.b. ábra. Szalmabála falazattal épült templom az USA-ban (1927)
IdĘvel, a „korszerĦ” építĘanyagok megjelenésével és a mobilizáció fejlĘdésével, ezek a házak feledésbe merültek, ám késĘbb, az 1970-es évek energiaválsága idején újra felfedezték Ęket. Azóta a világ számos országában készültek és készülnek ilyen házak. Napjaink gazdasági és környezeti válsága idején egyre többen ismerik fel a környezet– és energiatudatos házak létjogosultságát, így a szalmaházak is nagy jövĘ elé nézhetnek. Szalmaházak Európában Az EU számos országában (Anglia, Franciaország, Németország, Dánia, Spanyolország, Ausztria,…) készültek már szalmaházak különbözĘ építési technológiákkal. A legtöbb esetben hagyományos, kézi kivitelezésĦ házak épültek, de több példa található elĘre gyártott panelek alkalmazására is. A különbözĘ építési módok függvényében változik az így létrehozott házak „beépített energia” igénye, ami a kivitelezéshez felhasznált építĘanyagok alapanyagainak kibányászásához, elĘállításához és helyszínre szállításához szükséges. Mindegyik építési módra igaz, hogy nagyságrendekkel kevesebb energiát igényel, mint a konvencionális (tégla, beton) házak létrehozása. Egy épület teljes életciklusa alatt felhasznált energia és nyersanyagok mérlegébe beletartozik az épület rendeltetésszerĦ üzemeltetése során elhasznált javak mennyisége is. Ezek részben a lakók szokásaitól is függenek, de legnagyobb mértékben az épület tulajdonságai határozzák meg. Az épületek energia felhasználásának legnagyobb hányadát a fĦtési (MEDGYASSZAY P, OSZTROLUCZKY M, 1999) és (bizonyos helyeken) a hĦtési energia teszi ki, így ezek minimalizálása a legfontosabb egy környezet– és energiatudatos épület kapcsán. A manapság egyre divatosabb passzívházak messzemenĘkig teljesítik az energiatudatosság követelményét. Viszont nem szabad megfeledkezni arról, hogy az energiatudatos ház nem feltétlenül környezettudatos is, ugyanis az utóbbi esetében nem elég, ha az üzemeltetés során kevés energiát használ fel, hanem lehetĘleg az építése során is minél kisebb mértékben terhelheti a környezetét (MEDGYASSZAY P, 2007). Jól szemlélteti a különbséget egy osztrák tanulmány (2.a-d. ábra), amely többek között egy „hagyományos” (beton + polisztirol felhasználásával készülĘ) és egy szalmabála – vályog kombinációjú passzívház ökológiai lábnyomát veti össze. A vizsgálat tanulsága szerint a „hagyományos” passzívház több mint ötször annyira terheli a környezetét, mint a szalmabálás megoldás (REINBERG G. ÉS MEINGAST R, 2007). Ennek okát jobban megérthetjük, ha szemügyre vesszük a 2.b. ábrát, amely a különbözĘ építĘanyagok beépített energiaigényét fejezi ki CO2 egyenértékben. MegfigyelhetĘ, hogy a manapság elĘszeretettel használt mesterséges építĘanyagokkal (fémek, mĦanyagok, szilikátok) szemben a természetes, növényi eredetĦ anyagok használata esetén nemhogy CO2–ot juttatunk a légkörbe, hanem éppen ellenkezĘleg, a növény által megkötött CO2–ot a levegĘbĘl és - az épület élettartamának idejére - a körforgásból kivonva, negatív elĘjelĦ értékeket is kaphatunk (WIHAN J, 2007). Ennek is köszönhetĘ tehát, hogy a szalmaházak igazán környezetkímélĘ alternatívát nyújtanak, míg a passzívházaknak csupán az üzemeltetése tekinthetĘ energiatudatosnak. Egy teljesen közönséges épület esetében pedig, melynek üzemeltetése is rendkívül gazdaságtalan, a környezetterhelés még a passzívházakhoz képest is sokkal nagyobb. A magyarországi épületállomány mĦszaki állapotát figyelembe véve megállapíthatjuk, hogy nálunk még lesújtóbb a helyzet.
Ϯ͘Ă͘
Ϯ͘ď͘
Ϯ͘Ě͘ Ϯ͘Đ͘
2.a. és c. ábra. Tattendorfi (Ausztria) passzív szalmaház külsĘ és belsĘ képe 2.b. ábra. ÉpítĘanyagok beépített energiája CO2 egyenértékben 2.d. ábra. Tattendorfi (Ausztria) passzív szalmaház építése elĘregyártott panelekbĘl Magyarországi helyzet bemutatása Ugyan hazánkban is egyre többet hallani a passzívházakról és megújuló energiákról, de nagy áttörés még nem történt e téren. Az igazán környezettudatos (és gyakran olcsóbb) természetes megoldások itthoni elterjedését pedig a jogi környezet is hátráltatja. ϯ͘Ă͘
ϯ͘ď͘
3.a. ábra. Vakolt szalmabála fal tĦztesztje az ÉMI Szentendrei Laboratóriumában (2008) 3.b. ábra. A tĦzmentett oldal felületi hĘmérsékletnövekedésének alakulása a tĦzteszt során
A jogi akadályok leküzdése érdekében az utóbbi idĘben számos kezdeményezés történt szakmai és civil oldalról is. A Magyar Építész Kamarán belül egy szakmai bizottság is mĦködik a korábban említett jogi visszásságokból eredĘ problémák leküzdéséért (ERTSEY A., 2009). MĦemlékvédelemmel foglalkozók számára is nap, mint nap okoz problémát a jogszabály, így Ęk is küzdenek ellene. A szalmaházak hazai népszerĦsítését célul kitĦzĘ Energia és Környezet Alapítvány pályázati forrásból egy tĦztesztet is megfinanszírozott, amely eredményei tanúsítják, hogy szalmából készíthetĘek megfelelĘen tĦzálló falak. (ÉMI, 2008) A tĦzteszthez épített demó fal (3.a,b. ábra) készítésében és a tĦzteszten magán is jelen voltam, így tanúja lehettem, hogy a vizsgálati szabályoknak megfelelĘen közel 1000 Cº-os hĘmérsékletig hevített próbafal tĦzmentett oldalán csupán 7 Cº-os átlagos hĘmérséklet emelkedés volt megfigyelhetĘ. Ez jóval alul marad a megengedett 140 Cº-os értékhez képest, továbbá a vizsgálat közben természetesen a próbafal megĘrizte a teherbíró képességét, és sem lángáttörés nem történt, sem gyúlékony gázok nem jutottak át a falon (TAKÁCS L, 2008). Szalmabálával szigetelt autonóm ház Devecserben a cikk írása idején épül pont egy szalmabála ház egy a vörösiszap katasztrófa során tavaly elpusztított épület helyett. Ez a kísérleti épület egy igazán fenntartható autonóm ház lesz, amely megújuló energiával lesz üzemeltetve és a lehetĘ legtöbb természetes anyag felhasználásával készül. A ház fa tartószerkezete beton alapokról indul. Az épület több érdekes szerkezetet is tartalmaz majd, amelyek különösen érdemessé teszik vizsgálatok/monitorozás céljára. Az épület belsĘ terében, és magukban az épületszerkezetekben megfigyelhetĘ páravándorlás mérésre kerül majd. Szintén érdekes lesz megfigyelni a hĘtranszport folyamatokat is, továbbá az épület gépészeti berendezései által termelt és fogyasztott energia viszonyát. Az elĘzetes számítások alapján a ház alacsony energiaigényĦ épület lesz, amely elsĘ sorban a kiváló hĘszigetelĘ képességĦ szalmabáláknak köszönhetĘ, melyeket nem csak a falban, hanem a padlószerkezetben és a födémben is megtalálhatunk. Fontos, hogy az épület részletei úgy legyenek kidolgozva, hogy a szerkezetek a különbözĘ nedvességformáktól megfelelĘ mértékben megóvásra kerüljenek. Ennek ellenĘrzésére is szolgál majd az épületben alkalmazott monitorozó rendszer, amely rengeteg információt szolgáltat majd az épületben zajló folyamatokról. HĘmérséklet és páratartalom mérés a falban A szalma bála épületek falának objektív vizsgálatát a legmodernebb szenzorok (SHT75) és mikrokontrollerek (BS2SX) felhasználásával végezzük. A fal közvetlen felületén és különbözĘ mélységekben 7 szenzort helyezünk el. A szenzorok által küldött adatok hitelesen mutatják a hĘmérsékleti és páratartalom viszonyok eloszlását. A felületeken lévĘ szenzorok a belsĘ és a külsĘ tér levegĘjét érzékelik amely közvetlenül érintkezik a fallal. Itt a fal módosító hatásait tudjuk vizsgálni. A következĘ szenzorpár a vakolat alatt helyezkedik el. Ez a vakolat hĘmérsékleti és páratartalom áteresztĘ képességérĘl ad információt. Ezután a fal szélén és középen elhelyezkedĘ szenzorok vannak. A három szenzor a falban kiépülĘ gradiensrĘl ad információt, amely a külsĘ és a belsĘ tér között kialakul. Integrált szenzorokat alkalmazunk, amely a hĘmérsékletet és a páratartalmat is egy idĘben és egy helyen detektálja. Az integrált mérés azért is szerencsés, mert a szenzornak így lehetĘsége van a páratartalom kalibrálására a hĘmérséklet függvényében. Ezért nem csak az abszolút, hanem a relatív páratartalomról is információt kapunk. Az integrált szenzor elĘnye, hogy rendelkezik belsĘ kalibrációval, referenciafeszültséggel az analóg/digitál átalakításhoz és adat transzfer protokollal. Így a hibalehetĘségek számát is nagymértékben lecsökkenti. A kiolvasott hĘmérséklet és páratartalom értékeket kalibrálja, digitalizálja majd I2C adatátviteli
protokollon keresztül elküldi a mikrokontroller felé. (4. ábra) Ennek az adattovábbítási módnak az elĘnye, hogy a tápellátáson (amely párhuzamosan beköthetĘ a szenzorokba) csak egy Rx és egy Tx vezetéket igényel. Így a mérési pontonként 7 szenzornak csak 14 adatvezetéket kell kiépíteni. ϰ͘
4. ábra. A szenzor és a mikrokontroller kapcsolata A vezetékek számának redukálása nem csak a munka megkönnyítését célozza. A vezetékek fém szálai ugyanis jó hĘvezetĘ képességgel rendelkeznek, valamint felületük mentén a nedvesség is másképpen diffundál, mint az intakt szalma testben. Ezáltal hĘ és nedvesség hidakat hoz létre a falban. Így maga szenzor befolyásolhatja a falban kialakuló természetes mikroklímát. ϱ͘
5.ábra A monitorozó rendszer és a szenzorok elhelyezkedése Ezt a hatást kiküszöbölni csak vezeték nélküli adatátvitellel lehetne, de akkor a tápellátás problémája merülne fel. A falat pedig a mérések miatt nem bonthatjuk újra meg, az ott élĘ család életét etikátlan ilyen okból zavarni. A hatást azonban minimálisra lehet csökkenteni azzal, hogy a vezetékeket nem vezetjük ki a fal síkjára merĘlegesen,( 5.a,b. ábra) hanem egy hosszabb szakaszon elĘször a fallal párhuzamosan vezetjük. A falban ugyanis merĘlegesen alakulnak ki a gradiensek a külsĘ és belsĘ tér között, de viszonylag állandóak a fallal párhuzamos rétegekben. A beépítésre került szenzorok igen nagy érzékenységĦek és megbízhatóak.(6. ábra) A páratartalom mérése 0,03 % pontosságú . A hĘmérséklet felbontása 0,01 oC . 6.
6. ábra A relatív páratartalom, a hĘmérséklet és a harmatpont mérési pontossága
Még egy probléma felmerül a falon belüli mérés során. Ha a szenzort egyenesen a falba helyezzük el, akkor a szalmaszálak közvetlenül hozzáérnek a mérĘ felülethez. Ez fals eredményt adhat. Ugyanis a szalmaszál hĘ és nedvesség vezetĘ képességgel rendelkezik és nagyobb a sĦrĦsége is, mint a közöttük lévĘ légzárványoknak. Ezért a szenzorokat egy mesterségesen kialakított légzárványba helyezzük el (7. ábra). Ennek a legnagyobb felülete szellĘzik, csak a mechanikai stabilitás, a szenzor védelme érdekében zárt a palástja. A nagy légáteresztĘ felület következtében a szenzor körül ugyan az a mikroklíma alakul ki, mint a szalmaszálak által közrezárt térben. Így ez a probléma jó hatásfokkal kiküszöbölhetĘ. ϳ͘
7. ábra A közvetlen kontaktus elkerülése érdekében a szenzort védĘ házba helyezzük
Irodalom ERTSEY A. (2009): Betelt a pohár-nyílt levél a Magyar Építész Kamarához és építészeinkhez, Építészfórum. ÉMI, Építésügyi MinĘségellenĘrzĘ Innovációs Kht. (2008): Vizsgálati jegyzĘkönyv – a kétoldali agyagvakolattal ellátott szalmabála kitöltésĦ, nyílás nélküli teherhordó falszerkezet tĦzállósági vizsgálatáról. LACINSKI, P., BERGERON, M. (2000): Serious straw bale, A home construction guide for all climates, Withe River Junction, Vermoount, Chelsea Green Publishing Company. MEDGYASSZAY P. (2007): A földépítés optimalizált alkalmazási lehetĘségei Magyarországon - különös tekintettel az építésökológia és az energiatudatos épülettervezés szempontjaira, Ph.D. értekezés, Budapest. MEDGYASSZAY P., OSZTROLUCZKY M. (1999): Energiatudatos építés és felújítás, Budapest, Az épített környezetért alapítvány. REINBERG, G., MEINGAST, R. (2007): Working- and living qualities in loam - prefabricated passive house, 11. Passzívház nap (Bregenz). TAKÁCS L.(2008): TĦzvédelmi alapfogalmak, BME Épületszerkezettani Tanszék, Épületek tĦzvédelme kurzus jegyzet. WIHAN, J (2007) : Humidity in straw bale walls and its effect on the decomposition of straw, Ph.D. értekezés, University of East London School of Computing and Technology.
