SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Környezettechnika és Épületgépészet Tanszék Intézet / Tanszék
SZAKDOLGOZAT feladatlap
Kohlheb Norbert ____________________________________ részére Szakdolgozat címe: Épületenergetikai felújítás optimális megújuló energiaforrás kiválasztásával Kiindulási adatok: Az adott épület adatai, a felújításhoz szükséges rendszerek, alternatívák tervezési adatai, helyi megújuló energia potenciál feltárása
Témavázlat: Témához tartozó szakirodalom éttekintése. Az épület jelenlegi energetikai jellemzőinek meghatározása A felújítás épületgépészeti alternatíváinak kidolgozása az adottságoktól függő megújuló energiaforrás-potenciál figyelembe vételével Az egyes alternatívák kiértékelése különböző optimalizáló megoldások alkalmazásával Az értékelési rendszerek jellemzése, alkalmazási tapasztalataik összegyűjtése Az alkalmazott optimalizálási és kalkulációs rendszerek: • •
•
WINNWATT dinamikus megtérülési kalkulációk életciklus-értékelés
1
Tartalomjegyzék 1
Bevezetés ........................................................................................................................ 6 1.1
Az energiafogyasztás alakulása, prognózisa ............................................................ 7
1.2
Az energiahatékonyság jelentősége ......................................................................... 9
1.2.1
Épületek energiafogyasztása............................................................................. 9
1.2.2
Környezeti hatások ........................................................................................... 9
1.3
1.3.1
Nemzetközi szabályozás ................................................................................. 10
1.3.2
Hazai szabályozás ........................................................................................... 11
1.4 2
3
Épületenergetikai szabályozás ............................................................................... 10
Épületenergetikai felújítások a gyakorlatban ......................................................... 15
Módszertan bemutatása ................................................................................................ 18 2.1
Határoló szerkezetek .............................................................................................. 18
2.2
Hőtechnikai méretezés ........................................................................................... 19
2.3
Hőkamerás felvételek ............................................................................................. 24
2.4
Felújítási alternatívák ............................................................................................. 24
2.5
Gazdaságossági kalkulációk .................................................................................. 29
2.6
Életciklus-elemzés ................................................................................................. 30
Eredmények .................................................................................................................. 34 3.1
Az eredeti épület szerkezetének bemutatása .......................................................... 34
3.2
A gépészeti elemek ismertetése ............................................................................. 37
3.3
A hőkamerás vizsgálat eredményei ....................................................................... 38
3.4
Az eredeti épület fűtési energiaigényének meghatározása .................................... 41
3.5
A felújítási alternatívák bemutatása és értékelése.................................................. 43
3.6
Részletezett méretezési feladatok .......................................................................... 48
3.6.1
Kazán kiválasztása és a puffer tároló méretezése ........................................... 48
3.6.2
Szellőztető berendezés méretezése ................................................................. 50
3.7
Gazdaságossági számítások eredményei ................................................................ 53
2
3.8 4
Az életciklus elemzés eredményei ......................................................................... 55
Az eredmények értékelése, javaslatok .......................................................................... 60 4.1
Az energetikai eredmények értékelése ................................................................... 60
4.2
Gazdaságossági eredmények értékelése................................................................. 60
4.3
A környezeti hatások értékelése ............................................................................. 61
5
Összefoglalás ................................................................................................................ 64
6
Köszönetnyilvánítás ...................................................................................................... 68
7
Irodalom ........................................................................................................................ 69
8
Mellékletek ................................................................................................................... 73
3
Táblázatok jegyzéke 1. Táblázat: A hőátbocsátási tényezők követelményértékei ................................................. 12 2. Táblázat: A hőátbocsátási tényezők követelményértékek összehasonlításban a környező országokban .......................................................................................................................... 13 3. Táblázat: Az összesített energetikai jellemző követelményértékei .................................. 13 4. Táblázat: Az épület szerkezetei ........................................................................................ 18 5. Táblázat: Az üvegezési arány számítása........................................................................... 23 6. Táblázat: Gépek hőterhelése ............................................................................................. 23 7. táblázat: Felújítási alternatívák és főbb jellemzőik .......................................................... 26 8. Táblázat: Az épület jellemző rétegrendjei és hőátbocsátási tényezői ............................... 36 9. Táblázat: Az épület geometriai adatai .............................................................................. 41 10. Táblázat: Épületenergetikai számítások összesítése az eredeti épület esetén ................. 43 11. Táblázat: Az egyes felújítási technológiák fajlagos megtakarítási értékei a felújítás teljes életciklusára vonatkoztatva ......................................................................................... 44 12. Táblázat: A felújítási alternatívák energetikai összehasonlítása .................................... 45 13. Táblázat: A HMV előállítás teljesítményigénye............................................................. 50 14. Táblázat: A puffer tartály méretezése ............................................................................. 50 15. Táblázat: Minimálisan szükséges légcsereszámok ......................................................... 51 16. Táblázat: Légvezetési rendszer legnagyobb ellenállása ................................................. 51 17. Táblázat: Légtechnikai méretezés eredményei ............................................................... 52 18. Táblázat: A gazdaságossági kalkulációk kiindulási adatai ............................................. 54 19. Táblázat: Az energiahordozók áralakulása ..................................................................... 54 20. Táblázat: Az egyes felújítási alternatívák életciklust leltára .......................................... 56 21. Táblázat: Az épületenergetikai jellemzők összehasonlítása a követelményértékekkel .. 60 22. Táblázat: Az LCA eredmények összehasonlítása az irodalmi adatokkal ....................... 62
4
Ábrajegyzék 1. ábra: Háztartási végső energiafogyasztás [GJ/háztartás/év] ............................................... 8 2. ábra: Az életciklus-elemzés felépítése .............................................................................. 32 3. ábra: A ház és telek elrendezése ....................................................................................... 34 4. ábra: az épület homlokzati képe ....................................................................................... 35 5. ábra: Falszerkezet ............................................................................................................. 35 6. ábra: Radiátor és nyílt tágulási tartály az eredeti épületben ............................................. 37 7. ábra: Gázkazán és stangok az eredeti épületben ............................................................... 38 8. ábra: A nyílászárók hőveszteségei .................................................................................... 39 9. ábra: A fal, a tető, kémény és a redőnytok hővesztesége ................................................. 40 10. ábra: A fal és a nyílászárók hőveszteségei a padláshoz viszonyítva .............................. 40 11. ábra: A felújítási alternatívák energetikai összehasonlítása ........................................... 46 12. ábra: Az egyes felújítási alternatívák életciklus-elemzésének eredményei .................... 57
5
1 Bevezetés A Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve (NCsT) alapján a magyarországi épületek energetikai jellemzői az EU átlaga alatt vannak, és ennek következtében az elfogyasztott összes energia 40%-a az épületekben használjuk el, amelynek több mint 60 %-át a fűtési és hűtési energiaigény teszi ki. Egyelőre ezen fogyasztás túlnyomó részét fosszilis energiahordozók, ezen belül legjellemzőbb a földgáz, fedezik meglehetősen rossz hatásfokkal és technológiai színvonalon. Ezért a mintegy 4,2 milliós lakásállomány legalább 70% felújításra szorul és 10% esetében inkább az új épület építése lenne indokolt [http://parlament.hu]. Az Európai Unió energiahatékonysági terve [http://eur-lex.europa.eu] alapján is a végső energiafogyasztás mintegy 40%-át az épületeink teszik ki. A helyzet javítása érdekében a 2012/27/EU irányelv előírja, hogy a tagállamok háromévente nemzeti energiahatékonysági cselekvési tervet készítsenek és hajtsanak végre [www.parlament.hu]. A Nemzeti Energiahatékonysági Cselekvési Terv II. 2016-ig éves szinten 21 PJ energiamegtakarítást kíván elérni a lakossági energiafogyasztást illetően, ami a legmagasabb érték a többi szektorhoz képest [http://zbr.kormany.hu]. Ehhez több épülettípusnál (pl. panelprogram,
középületek
energetikai
rekonstrukciója)
párhuzamosan
szükséges
energiahatékonysági lépéseket foganatosítani. Továbbá a még el nem fogadott, de társadalmi egyeztetésre bocsátott Nemzeti Épületenergetikai Stratégia 2020-ra 49 PJ/év és 2030-ra 111 PJ/év megtakarítás elérését tűzi ki célul. A 2020-ra vonatkozó célértékből 40 PJ/év a lakó- és középület állományra vonatkozik, melyből 17,6 PJ/év a családi házakat, 12,8 PJ/év a panelházakat, 8 PJ/év a társasházakat és 1,6 PJ/év a középületeket érinti. Több magyarországi tanulmány készítője is (3CSEP, Energia Klub) rámutatott már a magán és közületi épületeinkben rejlő igen hatalmas energiahatékonysági potenciálra, kiemelve ennek nemzetgazdasági, energiafüggőségi és foglalkoztatási hatását egyaránt. A fenti témakörnek a környezeti hatásokkal történő együttes vizsgálata azonban még nem általánosan elfogadott módszertan Magyarországon. Egyrészt a Közép-Magyarországi Egyetemen elsősorban az üvegházhatású gázok (ÜHG) tekintetében, másrészt a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen az életciklus-elemzés módszertanát követve végeztek ilyen vizsgálatokat [Szalay 2007]. Ezen kezdeményezések mentén az új épületenergetikai követelmények figyelembevételével egy komplex értékelést kívánok megvalósítani szakdolgozatomban.
6
Munkámban egy kétszintes családi ház felújítását terveztem meg és optimalizáltam az egyes felújítási technológiai lehetőségeket energetikai, gazdaságossági és környezetvédelmi szempontból. Így az alábbi kérdésekre kísérlek meg választ adni a felújítási lehetőségekkel kapcsolatban: 1. Mely technológiai megoldásokkal lehet a legköltséghatékonyabb módon teljesíteni a jelenlegi összesített energetikai követelményeket és a hőátbocsátási célértékeket? 2. Mennyire környezetbarát a költséghatékony technológiai megoldás? 3. Milyen épületgépészeti megoldással lehetne a legkisebb környezeti terheléssel megvalósítani az előírt célértékeket? A kiválasztott épület optimális választásnak tűnik, hiszen század eleji építésű, és bár szerkezetileg megfelelő állapotban van, az épület fizikai állapotát tekintve energetikai felújításra szorul. Ugyanakkor épületgépészeti szempontból is igen elavult, sokszor még az eredeti szerelvényekkel (ólom csövek) felszerelt, és ezen a területen mindenképpen rekonstrukcióra szorul. Az elemzéseim alapján javaslatot kívánok tenni az épület épületgépészeti felújítására egy a legköltséghatékonyabb illetve a környezeti szempontból a legkedvezőbb megoldás választásával és a legújabb épületenergetikai követelmények szem előtt tartásával. Dolgozatom első részében a lakossági energiafogyasztás alakulását hasonlítom össze hazánkban és az EU-ban, valamint bemutatom az energiahatékonyság és a megújuló energiaforrások az épület-felújításban játszott szerepét az erre irányuló szakpolitikai programok és vállalások tükrében. Továbbá összefoglalom az épületek energetikai rekonstrukciójának jelenlegi helyzetét hazánkban. Ezt követően a vizsgálatok módszertanát mutatom be, majd az eredményeket ismertetem és a diszkusszió keretében értékelem a hasonló jellegű kutatási eredmények fényében.
1.1 Az energiafogyasztás alakulása, prognózisa Magyarországon 2012-ben a végső energiafogyasztás 617 PJ, melyből a lakossági fogyasztás 215 PJ. Mind a végső energiafogyasztás, mind pedig az azon belüli lakossági energiafogyasztás csökkenő tendenciát mutat. Ezzel ellentétben a háztartási villamos energia fogyasztás 2012-ben 18 PJ volt és növekvő ütemű. A lakossági gázfogyasztás ugyanebben az évben 100 PJ tett ki, tendenciája azonban csökkenő volt [KSH 2014].
7
Összehasonlításként a szomszédos országok hasonló adataival azt látjuk (1 ábra), hogy háztartásonkénti végső energiafogyasztás Ausztriában a legmagasabb, 75 GJ/háztartás/év, míg Magyarországon 57 GJ/háztartás/év és Romániát kivéve csökkenő tendenciát mutat. 1. ábra: Háztartási végső energiafogyasztás [GJ/háztartás/év]
Adatok forrása: EUROSTAT 2014
A teljes bruttó végső energia fogyasztás a tagállamokban 2020-ra várhatóan 1.180 Mtoe (49.404 PJ) lesz, ha a repülés energiaigényét nem vesszük figyelembe. A prognosztizált fogyasztás 2015-ig növekedő tendenciát mutat, majd ezután 2020-ig csökken [Beurskens, Hekkenberg 2011]. A nemzeti energia cselekvési tervek adatai alapján a legtöbb megújuló energiaforrást a fűtésben és hűtésben hasznosítja majd az EU 27 tagállama [Beurskens, Hekkenberg 2011]. Az energiahasznosítás hatékonyságát figyelembe véve 2020-ig a megújuló energiaforrások a prognózisok szerint a 27 tagállam átlagában 20,7%-ot tesznek majd ki a repülési energiaigény levonása után. Ezen belül a villamos energiatermelés 34%-ot, míg a hűtés és fűtés 21,4%-ot tesz ki. Az átlagot a közlekedés 10,2%-os részesedése húzza vissza [Beurskens, Hekkenberg 2011, 18]. Magyarország 14,7%-os megújulós arány teljesítését vállalta, melyből 2,4%-ot a villamos energia termelése, 9,5%-ot a fűtés és hűtés, valamint 2,7%-ot a közlekedés tesz majd ki 2020-ra. Források tekintetésben a legnagyobb %-os arányt a biomassza képezi a termelésben 6,5%-al [Beurskens, Hekkenberg 2011, 18].
8
1.2 Az energiahatékonyság jelentősége 1.2.1 Épületek energiafogyasztása A lakossági energiafogyasztás az ország energiafogyasztásának mintegy 40%-át (36,9%) jelenti, melynek 54%-a az épületek fűtésére fordítódik [Medgyasszay 2007]. Figyelembe véve a felhasznált tüzelőanyag széndioxid kibocsátását a legnagyobb mennyiségű kibocsátás a háztartások fűtéséből adódóan keletkezik, 30.553,12 t CO2-eq./év, ami a hazai ÜHG kibocsátás 32%-át teszi ki [Medgyasszay 2007]. Az Energia Klub tanulmánya szerint a hazai primer energiafelhasználás mintegy 33%-át (360 PJ) a lakóépületek fűtési és használati melegvíz igénye okozza, azonban ennek több mint 40%-a (152 PJ) energiahatékonysági intézkedésekkel megtakarítható lenne. A 33%-ot kitevő tetemes energiafogyasztás 81%-a a családi házak számlájára írható. A tanulmány szerint esetükben a fűtésre fordított energia 23%-a hőszigeteléssel, 21%-a korszerű nyílászárók alkalmazásával, valamint 13%-a hatékony fűtési rendszer kialakításával megtakarítható lenne [Fülöp 2011]. A felújítások 77%-a kifejezetten jövedelmező lenne, vagyis a generált energetikai megtakarítások túlkompenzálnák a befektetés költségeit. Az elméleti-műszaki potenciál tetemes részét, 84%-át, a családi házak teszik ki az Energia Klub tanulmánya [Fülöp 2011] szerint, tehát itt valóban nagy megtakarítási lehetőségek rejlenek. A gazdaságosan kiaknázható energia-megtakarítási potenciál is 95%-ban a családi házak esetében van jelen.
1.2.2 Környezeti hatások A világ széndioxid kibocsátásának harmada épületeinkhez kötődik. Magyarországon az energiafogyasztással kapcsolatos széndioxid kibocsátás felét az épültek okozzák és így mintegy 85% hőenergia-megtakarítási potenciált jelent az épületek energetikai falújítása [Ürge-Vorsatz et al. 2010]. A széndioxid elkerülésének költsége az épületszektorban 3%-os mértékig 20 USD/tCO2, valamint további 4% 100 USD/tCO2. Magyarország esetében akár 30% fölötti kibocsátás megtakarítás elérhető mindössze néhány dolláros ráfordítással (USD/tCO2). 22%-os elkerülési szintig pedig még gazdasági megtakarítással is jár a beruházás [Szlávik et al. (1999) in: Ürge-Vorsatz – Novikova 2008]. A felújítás költségei a tanulmány szerint 10% energia-megtakarítás esetén 48 €/m2, 40%-os megtakarításkor 83 €/m2 és a 15 kWh/m2a energiafogyasztási szint elérésekor 280 €/m2 beruházási költséggel járna egy 1960 előtt épült ház esetében 2005 évi árakon számolva. A
9
teljes felújítás eredményeként (15 kWh/m2a) a CO2 kibocsátás mintegy 85%-al csökkenthető lenne [Ürge-Vorsatz et al. 2010]. Szalay [2007] doktori értekezésében hat épületkategóriára kiterjedő azok teljes életciklusát tartalmazó életciklus-elemzést végzett az Ecoinvent 1.3 adatbázist alkalmazva. Az épületek vizsgált életciklus szakaszai tartalmazták az építés, a karbantartás, a működés és felszámolás hatásait. A működés anyag- és energiaáramait tanulmányában a 2006/7 TNM rendeletben meghatározott módon számított fűtési, hűtési, világítási energiaáramok jelentették. Az épület ezen életszakaszában a vizsgálat referencia áramát tehát az épület, mint lakhatást szolgáltató egység energiaigénye jelentette. A kalkuláció funkcionális egysége pedig maga a lakóépület 50 éves életciklusa volt. A környezeti mutatók tekintetében a CML-módszer közül a globális felmelegedési potenciált (GWP-100, a savasodási potenciált (AP), az ózon pusztítási potenciált (ODP), a fotokémiai oxidációt (POCP) és az eutrofizációs potenciált (EP) alkalmazta. Eredményei szerint az épületek energiaigénye 275-626 MJ/m2 között alakultak a teljes életciklusra. A GWP családi ház esetében 26-32 kg CO2-eq/m2a (67-72%) értéket mutatott, az AP 0,070,08 kg SO2-eq/m2a (48-54%), az ODP esetében kg 4-5·10-6 CFC-eq/m2a érték adódott (8588%), a POCP 6-8·10-3 kg etilén-eq/m2a (44-54%), az EP pedig 6-7·10-3 kg PO4-eq/m2a értékű lett (31-38%). A zárójelben szereplő % értékek az üzemeltetés és többnyire az azon belül jelentkező fűtés százalékos részesedését jelentik a teljes eredményből. Ennek alapján látható, hogy jelentős hányadot az üzemeltetés tesz ki, amelynek keretében az épület energiafogyasztása a legnagyobb arányú terheléshez vezetett [Szalay 2007].
1.3 Épületenergetikai szabályozás 1.3.1 Nemzetközi szabályozás A nemzetközi szabályozás áttekintésekor a legfontosabb szabályozások az alábbiak • • •
Az épületek energiahatékonyságáról szóló 2010/31/EU európai parlamenti és tanácsi irányelv Az épületek energiahatékonyságára vonatkozó minimumkövetelmények költségoptimalizált szintjeinek kiszámítására szolgáló összehasonlító módszertani keretről szóló 244/2012/EU felhatalmazáson alapuló bizottsági rendelet Az energiahatékonyságról szóló 2012/27/EU európai parlamenti és tanácsi irányelv
A 2010/31/EU európai parlamenti és tanácsi irányelv általános módszertani keretet fogalmaz meg az épületek energiahatékonyságának kiszámításához, valamint meghatározza 10
az épületek energiahatékonyságára vonatkozó minimumkövetelményeket és ezek alkalmazási szabályait. Az irányelv előírja a tagállamok számára, hogy a meglévő és új épületek esetében is segítsék elő az energiahatékonyság növelését és állapítsanak meg energetikai minimum és épületgépészeti rendszerkövetelményeket. Az irányelv két kritériumrendszert
említ:
egyrészt
a költségoptimalizált minimumkövetelményeket
másrészt a közel-nulla energiaigényű épületekre vonatkozó követelményeket. Továbbá előírja, hogy a tagállamoknak az épületek energiahatékonyságát igazoló rendszert kell létrehoznia és működtetnie. A 244/2012/EU bizottsági rendelet a minimumkövetelmények költségoptimalizált szintjeinek kiszámítására vonatkozó összehasonlító módszertani keretet ismertet. A rendelet meghatározza a referenciaépületek körét, a költségszámítás elveit és a globális költség számításának módját. A globális költség alatt a rendelet az alábbi költségkategóriákat érti: •
a kezdeti beruházási költségek jelenértékének összege,
•
a fenntartási költségek összege
•
a csereköltségek (a kezdőévre vonatkozóan),
•
az ártalmatlanítási költségek.
A makrogazdasági szintű számítások esetében egy további költségkategória kerül bevezetésre, ami az „üvegházhatású gáz kibocsátások költsége”. A rendelet tartalmazza továbbá azokat a jelentésmintákat, amelyek alapján a tagországoknak jelentést kell tennie a referenciaépületekről és az energiahatékonyság számításához szükséges helyi adottságokat bemutató adatokról valamint energiaszükséglet-számítási táblázatokat.
1.3.2 Hazai szabályozás Az EU szabályozásnak megfelelően a 20/2014. BM rendelet által módosított 7/2006 TNM rendelet tartalmazza az energiahatékonyság kiszámításának módját valamint a jelenleg érvényes és a 2015 január 1-től és a 2018 január 1-től elvárt hazai követelményszinteket. A szabályozás alapján az energia-megtakarítási célú hazai vagy uniós pályázati forrás vagy központi költségvetési támogatás igénybevétele esetén 2015. január 1-jétől kell megfelelni a költségoptimalizált követelményszinteknek, a többi esetben azonban csak 2018 január elsejétől. Magyarországon a közel-nulla követelményszintet a 2010/31/EU európai parlamenti és tanácsi irányelv szerint 2021. január 1-től kell az új épületek esetében kötelezően alkalmazni. A közel-nulla energiaigényű épület költségoptimalizált szinten megvalósult vagy annál energiahatékonyabb épület, amelyben a primerenergiában kifejezett 11
éves energiaigény legalább 25%-át olyan megújuló energiaforrásból biztosítják, amely az épületben keletkezik, az ingatlanról származik vagy a közelben előállított. A fenti szabályozáson túl a 264/2008 Korm. rendelet tartalmazza a hőtermelő berendezések és légkondicionáló rendszerek rendszeres felülvizsgálatának szabályait és módszertanát. A rendelet mellékleteiben a felülvizsgálat nyomtatványai is megtalálhatóak. A rendelet célja ezen berendezések energiafogyasztásának rendszeres felülvizsgálata és az esetleges rossz beállításból vagy meghibásodásból adódó túlfogyasztás kiszűrése. A 176/2008. (VI. 30.) Korm. rendelet az épületek energetikai jellemzőinek tanúsítását szolgáló módszertant és szabályokat írja elő. A rendelet tartalmazza a tanúsítvány tartalmi követelményeit, az energia-megtakarításra vonatkozó javaslatok formai és tartami kereteit, valamint a tanúsítást végző személyre vonatkozó követelményeket és a tanúsítványok rendszeres minőségi ellenőrzésének szabályait és pontatlan tanúsítvány kiállításának következményeit. Továbbá a Nemzeti Energiahatékonysági Cselekvési Terv és az Épületenergetika Stratégia fogalmaz meg lépéseket az épületek energiahatékonyságára vonatkozóan. A jelenleg hatályos jogszabályban előírt összesített energetikai jellemző követelménye a költség-optimális szinthez képest hazánkban a családi házak esetében kb. 55%-kal tér el (1. táblázat). 1. Táblázat: A hőátbocsátási tényezők követelményértékei
Fontosabb épületszerkezetek
Hőátbocsátási tényezők követelményértékei Jelen követelmény Költség optimum Közel nulla 2006 U (W/m2K)
Homlokzati fal Tető Fa, PVC üvegezett nyílászáró
2015 U (W/m2K)
2019 U (W/m2K)
0,45 0,25 1,6
0,24 0,17 1,15
0,2 0,14 1
Homlokzati üvegfal, függönyfal
1,5
1,4
1,3
Homlokzati, vagy fűtött és fűtetlen terek közötti ajtó
1,8
1,45
1,3
Talajon fekvő padló (új épületeknél)
0,5
0,3
0,25
7/2006 TNM rendelet alapján 12
Az alábbi 2. táblázat nemzetközi összehasonlításban tartalmazza a hazai hőátbocsátási követelményértékeket. 2. Táblázat: A hőátbocsátási tényezők követelményértékek összehasonlításban a környező országokban
Hőátbocsátási tényezők követelményértékei, U W/m2K Épülethatároló szerkezetek
Magyarország 2014 0,45 0,25
1 2
Homlokzati fal Lapostető 4 Fűtött tetőteret határoló szerkezetek 7 Üvegezés 9 Fa vagy PVC keretszerkezetű 10 Fém keretszerkezetű homlokzati üvegezett 11 Homlokzati üvegfal, függönyfal 12 Üvegtető 16 Homlokzati ajtó 20 Lábazati fal, talajjal érintkezőfekvő fal padló 21 Talajon Forrás: Osztroluczky 2011
Németország
0,25
Ausztria
0,24 0,20
0,35 0,20
0,24
0,20
Szlovákia 0,32 0,32
Szlovénia
Csehország
0,28 0,30/0,38 0,20 0,24/0,30 0,20 0,24/0,30
1,10
1,10
1,60
1,30
1,40
1,70
1,30
1,30
2,0
1,30
1,70
1,70
1,30
1,30
1,50
1,50 1,40 1,80
1,60
0,35
0,60
1,80 0,45 0,5
1,70 0,50 0,30
0,25
A táblázat adatai jó tükrözik, hogy a magyar elvárások többnyire megengedőbbek a többi ország
követelményértékeihez
képest,
ami
vélhetően
kevésbé
ösztönöz
az
energiahatékonysági beruházások megvalósítására. Az alábbi 3. táblázat az összesített energetikai mutató követelményszintjeit mutatja, ahol cél az abszolút költség optimum szint kiterjesztése úgy, hogy a globális költségek ne haladják meg az abszolút optimum 10%-át. 3. Táblázat: Az összesített energetikai jellemző követelményértékei
A/V
Lakóház <0,3 >1,3
Jelen Költség követelmény optimum 2006 2015 Nemzeti referencia érték 110 110 230 140
13
Közel nulla Közel nulla meglévő új épületre épületre 2019
100 100
55 75
Az épületgépészeti rendszerekkel kapcsolatban megfogalmazott követelményeket a 7/2006 TNM rendelet az alábbiak szerint tartalmazza: Fűtési rendszerre vonatozó követelmények: •
Új gázkazán csak kondenzációs lehet
•
100 m2 felett időjárásfüggő szabályozás
•
Helyiségenkénti automatikus hőmérséklet-szabályozás
•
Kötelező beszabályozás, és annak ellenőrzése
HMV rendszer követelményei: •
Cirkulációs szivattyút időprogrammal kell üzemeltetni
•
Kötelező beszabályozás, és annak ellenőrzése
Légtechnikai rendszer követelményei: •
Legalább 70 %-os hatásfokú hővisszanyerő szükséges
•
Ventilátor villamos fogyasztása maximalizált, MSZ EN 13779:2007 szabvány SFP 4 osztálya
•
Légtechnikai elemek ellenállására, légtömörségére korlátok
•
Kötelező beszabályozás, és annak ellenőrzése
A magyar követelményértékekre vonatkozó az Energia Klub által végzett kutatás szerint „a meglévő épületek döntő része esetében a vizsgált középső, mérsékelten szigorú szerkezeti felújítás eredményezi jelenleg a legoptimálisabb globális költséget, ami a homlokzati fal Uértékének 0,3 W/m2K, a padlásfödém 0,2 W/m2K, a pincefödém 0,3 W/m2K és a nyílászárók 1,3 W/m2K értékűre történő feljavítását jelenti” [Fülöp 2011]. Ettől a jelenlegi követelményértékek többnyire elmaradnak. Az épületgépészeti rendszerek esetében a meglévő, felújítandó épületekben a fűtési rendszer hatékonyabbá tétele (azaz az eredeti energiaforrást megtartva hatékonyabb hőtermelés rendszer kialakítása a szerkezeti javítással együtt) minden referenciaépületben optimálisabb költségeket adott, mint az eredeti gépészeti rendszert meghagyó kizárólag szerkezeti felújítást tartalmazó csomagok. A fatüzelésű kazánról kondenzációs kazánra történő áttérés azonban a globális költségek szempontjából nem bizonyult kedvező megoldásnak ezzel szemben a gázról tűzifára való átállás igen [Fülöp 2011]. A hőszivattyús illetve a pellet alapú rendszerek nem eredményeznek költség optimumot. A napkollektoros rendszer besegítése a melegvíz előállításba a lakóépületek nagy részében 14
meglehetősen kedvező eredményt biztosít, az intézményi épületekben pedig a fotovoltaikus rendszer kiépítése hoz jó eredményt [Fülöp 2011]. Nyilvánvaló tehát, hogy a jelenleg hatályos követelményértékeknél mind a meglévő, mind az új épületek esetében szigorúbb követelményekre van szükség, mert ezek a jelenlegi értékeknél gyakorlatilag minden esetben jelentősen kedvezőbb, optimálisabb eredményt adnak. Az eltérés mind a primerenergia-felhasználás, mind pedig az épületelemek élettartama során felmerülő (globális) költségek tekintetében igen jelentős, vagyis a TNM rendelet szerinti költség optimum számítások alátámasztják a 7/2006 TNM rendeletben foglalt követelményértékek szigorításának szükségességét. A hazai támogatási rendszer azonban egyelőre nem bőkezű a fenti célok megvalósítását lehetővé tévő beruházásokkal szemben. 2014 szeptember 11-én bejelentett lakossági energetikai pályázat mindössze 627 millió Ft-ot szán a háztartási nagygépek és 1 milliárd Ft-ot a fűtéskorszerűsítésre. Ebből kb. 21.000 gépcsere és 3500 lakásfelújítás lesz megvalósítható, amely a kb. négymilliós lakásállomány csupán 0,09%-át fogja majd érinteni [Nagy 2014]. Sajnálatos, hogy a korábbi ZBR és NEP programok sem hoztak átütő sikereket egyrészt az alacsony támogatási intenzitás (kezdetben még az ÁFA mértékét sem érte el), másrészt a bonyolult adminisztráció következtében.
1.4 Épületenergetikai felújítások a gyakorlatban Az épületkorszerűsítési beruházások egyik slágerét a kondenzációs kazáncsere jelenti, amely valóban az egyik leggyorsabban megtérülő beruházások közé tartozik, ha jól méretezett és megfelelően beállított rendszerről van szó, hiszen normál turbós gázkazánnal szemben 20%-al kevesebb gázfogyasztást eredményez [Severnyák, Kovács 2014]. Egy kondenzációs gázkazán optimális feltételek mellett fűtőértékre számolva 108%, égéshőre számolva pedig 97%-os hatásfokot képes produkálni [Chiovini 2014]. A kondenzációs gázkazán akkor működik jól, ha a visszatérő vízhőmérséklet lehetővé teszi a füstgázban a víz kondenzációját, ami földgáz esetében 11%-os nyereséget jelent. Ez akkor tud megvalósulni, ha a kazán nem túlméretes, vagyis a mindenkori hőigény nagyobb a kazán alsó modulált teljesítményénél. Erre a kazán kiválasztásánál különösen is ügyelni kell. Ellenkező esetben a kazán szakaszos működésre vált át, ami az elégetlen gázok miatt okoz veszteséget, hiszen az égéstér a szakaszos üzem miatt visszahűl és nem képes biztosítani a megfelelő üzemi hőmérsékletet a gáz tökéletes elégetéséhez. Vagy túl magas előremenő és visszatérő vízhőmérsékleten üzemel a kazán, ami a falveszteségét növeli, míg a túl magas visszatérő vízhőmérséklet égéstermék-veszteséget okoz és a kazán nem tud kondenzációs 15
üzemmódban dolgozni [Chiovini 2014]. A kondenzációs kazán szabályozását legkedvezőbb módon időjárás-követő fűtésszabályozással tűzoldali beavatkozás útján lehet megoldani. A vízoldali beavatkozás esetében ugyanis előfordulhat, hogy a kazán számára nincs elég térfogatáram és a hőcserélő túlhevül. Ezt bypass kapcsolással szokták megoldani, ami csökkent hőigény esetében szintén megemelheti a visszatérő víz hőmérsékletét, de ez a kondenzációs üzemmód megszüntetésével megint csak égéstermék-veszteséget okoz. A legjobb megoldást a megfelelően beszabályozott hidraulikai váltó jelentheti. Az épületek energetikai rekonstrukciója esetén a szellőztetés is gyakran szóba kerül. A megfelelő légcsere ugyanis a belső levegőminőség, az állagvédelem és az energetika szempontjából egyaránt fontos. Egy jól szigetelt épület esetében a filtrációból származó energiaveszteség akár a transzmissziós veszteséggel azonos mértékű is lehet [Várfalvi, ifj. Várfalvi 2014]. Továbbá a modern ablakszerkezetek légáteresztési tényezőjének alacsony volta miatt a szellőztetés lakóra való bízása valóban csak a nyitott ablak esetében jelent légcserét, vagyis ha a lakó nem a megfelelő térfogatárammal és gyakorisággal valósítja meg a légcserét, annak egészségügyi és állagvédelmi következményei lehetnek. Ezért vagy túlszellőztetés valósul meg, ami energiapazarlással jár, vagy nem elegendő a légcsere, hiszen a pillanatnyi légállapotnak megfelelő szellőztetés nem várható el a lakótól vagy az épület üzemeltetőjétől. Tehát a „lakó szellőztetési magatartását igen nehéz elhelyezni az épületfizikai rendszerben” [Várfalvi, ifj. Várfalvi 2014]. Ebben a helyzetben az ideális megoldást a hővisszanyerős szellőztető berendezések beépítése jelenti, amely automatikus szabályozással ellátva helységenként képes az optimális légállapot kialakítására úgy, hogy a filtrációs hőveszteséget a hővisszanyerő segítségével akár 90%-al csökkenti. Különösen kedvező üzemeltetési költségek valósíthatóak meg, ha már eredetileg is energiatakarékos épületet tervezünk. Ezt igazolja a 2011-ben megvalósult zuglói passzív ház is, amelynek értékesítési ára mindössze 10-15%-al volt magasabb a piaci árnál, azonban az éves fűtési költsége csupán 42,6 Ft/m2év volt, ami 128 Ft/m2év HMV költséggel egészült ki [Pusztai 2014]. Összehasonlításképpen ez egy 5 cm polisztirollal szigetelt, 4.898 W teljes fűtési energiaigénnyel rendelkező társasházi lakás esetében 1.190 Ft/m2év jelentene. A két rezsiköltség különbsége 1019,4 Ft/m2év tetemes összeg, ami a 15%-al magasabb értékesítési árral szemben 85%-os rezsicsökkenést jelent. Különösen nehéz mérnöki feladat a lehetséges energetikai felújítási alternatívák közül az optimális kiválasztása, mely akár napokkal is megnyújthatja a tervezési folyamatot, ha akár csak néhány változatot kívánunk végigszámolni. Ebben nyújt segítséget a matematikai 16
optimalizáció módszerét alkalmazó EnergOpt szakértői rendszer [Szalay, Csík 2014]. Az optimalizáció olyan evolúciós algoritmust tartalmaz, amely képes a gyakorlati szempontból is optimális megoldásokat produkálni, vagyis képes arra, hogy adott követelményszint megvalósítását gazdaságilag a legkedvezőbb szigetelési megoldásokkal valósítsa meg. Nagy előnye, hogy rendszerszinten képes vizsgálni egy épület energetikai felújítását, azonban gépészeti megoldásokat egyelőre nem tartalmaz és a gazdasági optimalizáció érdekében gyakran előfordul, hogy a különböző határoló szerkezetekre különböző szigetelőanyagokat javasol, ami a kivitelezési gyakorlatban egyelőre nem elfogadott [Váraljai, Szalay, Csík 2014]. Az evolúciós algoritmus alapján működő optimalizációs program közel 1 MFt-tal alacsonyabb beruházási költséget produkált a kézi számítással szemben a program tesztelése során [Váraljai, Szalay, Csík 2014]. A szigeteléssel megtakarított fűtési energia összefüggését lineárisan értelmezve Büki [2014] kapcsolt és kizárólagos hőtermelés esetére vizsgálta a költséghatékony szigetelés vastagságát, amelyet 10 cm-ben határozott meg. Ebben az esetben a tüzelőköltség megtakarítás 205 eFt/év 1.125 MFt beruházási költség mellett. Hatékonyabb kapcsolt hőtermelési rendszer esetén az optimális szigetelés vastagsága csak 6 cm és a tüzelőköltség megtakarítás 90 eFt 975 eFt beruházási költség mellett. A dolgozat következő részében a kiválasztott épült vizsgálatára vonatkozó módszertant ismertetem.
17
2 Módszertan bemutatása 2.1 Határoló szerkezetek A módszertant a dolgozat célkitűzésének és kutatási kérdésének megfelelően alakítottam ki. Mivel a dolgozatomban a felújítási lehetőségek gazdasági és környezeti szempontból való leghatékonyabb meghatározására vállalkozom, első lépésben a kiválasztott épület részletes felmérését végezetem el. Az épület geometria belméreteit ultrahangos távolságmérő műszerrel határoztam meg, melynek pontosságát előtte mérőszalaggal ellenőriztem. A mérőszalagos mérés és az ultrahangos mérés között 2-3 cm eltérés adódott több mérés átlagában. Ez az eltérés több méteres szobaátmérők esetében elhanyagolható. A mérések adatait rögzítettem, melyet a helységek elrendezéséről, a nyílászárók helyéről és tájolásáról készített kézi rajzokkal egészítettem ki. A felvett méretek és a helység, valamint helységbeli elrendezések alapján részletes alaprajz készült (lásd melléklet) az épület mindhárom szintjéről, mely tartalmazza annak minden fontos geometriai méretét és az épület belső elrendezését. Az épület helységeit használatuk alapján elneveztem és meghatároztam az alapterületét, a határoló falfelületeket, azok tájolását, az ablakfelületeket, azok tájolását és a helység légköbméterét. A rajz tartalmazza a teljes épület tájolását is. Ezt követően a ház határoló elemeit kellett meghatározni, melyet szemrevételezéssel, az építési időpont körülbelüli meghatározásának segítségével, valamint helyszíni vizsgálattal végeztem el. Sajnos a házról semmilyen műszaki dokumentáció nem volt beszerezhető, így csak az ott lakók visszaemlékezései alapján volt lehetőségem az építési dátum meghatározására. A dátum alapján építész szakértő [Váradi 2014] és a külső falszerkezetek építési idő szerinti felsorolását tartalmazó táblázat segítségével határoztam meg a rétegrendeket (4. táblázat). 4. Táblázat: Az épület szerkezetei
Falszerkezetek kisméretű tömör téglafalak, vakolatlan Födémek csapos gerendafödém borított gerendafödém téglabeton lemezes („Horcsik”) födém alul- és felülbordás acélgerendás vasbeton födémek vasbeton síklemezes födémek sűrűbordás-kerámia idomtestes födémek BOHN födém Forrás: Baumann et al. 2009, 105-106
18
Vastagság, cm 38, 51, 64
Építési idő, év 1920-tól XVIII. sz. – 1915 1880-tól 1920-1950 1910-1940 1920-tól 1920-1945 1930-1970
A fenti táblázatban szereplő épülethatoló elemek közül építész szakértő [Váradi 2014] segítségével választottam ki a leginkább valószínű szerkezeteket és ugyancsak építész segítségével határoztam meg a kiválasztott szerkezetek rétegrendjét és az egyes rétegek vastagságát.
2.2 Hőtechnikai méretezés A
kiválasztott
szerkezetek
és
azok
meghatározott
rétegrendjeinek
alapján
a
gyártmánykatalógusból kikerestem a szerkezetben szereplő anyagok hővezetési tényezőjét (λ, W/mK) és a szerkezetek elhelyezkedésének megfelelően meghatározásra kerületek a szerkezetek hőátbocsátási tényezői (U, W/m2K) is. A hőátbocsátási tényező =
Az
ablakszerkezetek
hővezetési
1
1
+∑ +
tényezőjét
1
szintén
a
felépítését
meghatározva
gyártmánykatalógus segítségével határoztam meg. Az ablakszerkezetek felülete a megfelelő határoló felületből levonásra került. A teljesség kedvéért a belső válaszfalak és az épületen belüli ajtók is helyüknek megfelelően figyelembe lettek véve. Ezen adatok összesítésével került sor az épületszerkezet hőtechnikai értékelésére. Ennek keretében a határoló szerkezetek hőátbocsátási tényezőinek megállapításán túl a páratechnikai számítások is megtörténtek
a
szerkezet
jellemző
páradiffúziós
együtthatóinak
és
a
jellemző
hőmérsékletek figyelembe vételével az MSZ-04-140-2: 1990 szabvány adatait felhasználva. Ezt követően az épület jelenlegi épületgépészeti elemeinek meghatározása történt meg a helyszín bejárása és a csövezés valamint a radiátorok helyének meghatározásával. Ennek alapján a jelenlegi fűtési rendszer, HMV előállítási rendszer és az egyéb (világítás, főzés, szórakoztató elektronika) primer energiafogyasztása vált számíthatóvá. Az eredményeket összesítve elvégeztem az épület energetikai tanúsítását. A fenti vizsgálatokhoz saját táblázatokat és a WinWatt Gólya épületgépészeti programot használtam. Továbbá a program segítségével számoltam az egyes felújítási alternatívák hőigényét és gépészeti rendszereinek jellemzőit is. A WinWatt Gólya program beállításait az alábbiak szerint tettem meg a lehető legpontosabb kalkuláció elvégzése érdekében:
19
Projekt beállítások: • • • • • • • • • • • • • • • •
Épület rendeltetése: lakóépület Az épület használata folyamatos, légszennyezettség tiszta, vidéki Jellege nehéz >400 kg/m2, belmagasság 3 m, tájolása 270° Szerkezetek: külső hőmérséklet -2 C° φ=90%, belső hőmérséklet 20 C° φ=50% Diffúziós időszak hossza 180 nap Padlószint magassága 0,7 m A számításhoz alkalmazott előírás: 7/2006 TNM rendelet 2014.IV.6-i állapot A takarások szórt sugárzási tényezője 1 A téli hőszükséglet mértezési külső hőmérséklete -11 C°, a belső hőmérséklet 20 C° Az időállandótól függő tényező 1 Télen a napsugárzási hőnyereséggel számol A filtráció fűtési idényben 0,8 1/h légcsereszám alapján került meghatározásra napsugárzási hőnyereség számítása mellett, nyári idényben 3 1/h Nyári hőterhelés esetén a méretezés belső hőmérséklet 26 C° az óránkénti értékek +2 C°-al javítva A számítás célja energetikai minőségtanúsítvány kiállítása volt A hőfokhídszámítás a minimum 8 K hőmérsékletkülönbség alapján történt A szerkezetek hőhidasságát 40%-ban határoztam meg egyéb külső fal esetére.
Amennyiben a vizsgált projektben légtechnikai rendszer működött, azt az alábbiak szerint állítottam be: • • • • • • • • •
Légcsereszám 0,8 1/h; A hővisszanyerő hatásfoka 70%; Hővisszanyerő üzemidő aránya 1; Hőtermelő nincs; Az elosztóvezetéknek nincs vesztesége; A központi előszabályozás miatt az elosztási veszteség 10%; A rendszer áramlási ellenállása 113 Pa; A ventilátor összehatásfoka 50%; A hővisszanyerős levegőztető rendszer egész évben működik 4 h/nap időtartammal.
A WinWatt programba az épület pincéje is felvitelre került, bár az épületrész fűtetlen, azonban itt helyezkedik el a kazán és az épület felújításakor állagvédelmi okokból a pince lábazatát is hő- és vízszigetelni kívánom. A hőszükséglet meghatározásakor a pincét fűtetlen helységként szerepeltettem az MSZ-4-140/3-87 szabvány 3.1 táblázatának megfelelő hőmérséklettel (5 C°). Ugyan így határoztam meg a fűtött téren belül elhelyezkedő külső nyílászáróval rendelkező fűtetlen helységek (3 °C) és a padlástér (-4 °C) hőmérsékletét is.
20
A földszint padlószintjének egy része egyben a pince födémszerkezetét is alkotja, amelyet így felfelé hűlő szerkezetként vettem fel. A földszint alapja a fennmaradó részeken talajon fekvő padló, melyet ennek megfelelően definiáltam a programban. A padlás esetében a padlásfödém felfelé hűlő szerkezetként lett meghatározva szintén a padlástérben uralkodó külső méretezési hőmérsékletet (-4 C°) megadva. Tehát ebben az esetben a padlás, mint helység nem is lett definiálva a programban. A homlokzati falszerkezetek és ablakok tájolás szerint kerültek rögzítésre, külön szerepeltetve a redőnytokokat, melyek régi beépített redőnyök lévén, jelentős hőveszteséget okoznak a téli időszakban. A méretezési hőmérséklet (-11°C) alapján számított transzmissziós és filtrációs hőveszteségek meghatározása az egyes rétegrendek hőátbocsátási tényezője és a légcsereszám segítségével történt az alábbi képletek alapján: = =
∙ ∙
=
∙∆ ∙
∙∆
∙
Az helységenkénti hőveszteség számításakor a szomszédos helységek hőmérsékletét is figyelembe vettem, annak a szabványban megadott ajánlott belső hőmérséklete szerint. A hőveszteség mellett kiszámításra került a fűtési hőigény és az egyes helységek időállandója is. Az alább képlet segítségével meghatározható a HMV előállítás teljesítményigénye: =
∙
∙(
$
!
−
!)
%&'(
Egy egységcsapoló vízigénye alapján m=10 kg/perc= 0,16 kg/s, c=4,2 kJ/kgK, Δt=30 K. Ennek alapján Q̇ =21 kJ/s, kW átfolyós rendszerű HMV előállítás esetén. Indirekt fűtésű HMV tároló esetén általában 30-40 perc időtartamra tervezik a meleg víz előállítást, tehát ennyi idő alatt kell felmelegíteni a tervezett családi HMV igényt. Az ehhez szükséges teljesítmény igény a fűtési teljesítményigénnyel együtt jelenti a kazán szükséges teljesítményét.
21
Hőtároló réteg meghatározásakor az ) * 0,15
./ 0 1
esetén a szilárd határoló elem már nem 2
vesz részt a napi hőmérsékletváltozásban. Mivel ) = = 0,15 → 5 = 0,15 vastagságban 3 vesz csupán részt a hőtárolásban a falszerkezet. Kétrétegű fal esetén: 5ö = (0,15 − )7 ) ∙
8
+ 57
Ennek segítségével a nettó fűtési energiaigény: 9
= : (; + 0,35 )= − >9
? ;@ ,
ahol
H – fűtési hőfokhíd órafokokban kifejezett értékének ezredrésze V – fűtött térfogat [m3] σ – szakaszos üzem korrekciós szorzója Z – fűtési idény órában kifejezett értékének ezredrésze A fűtés primer energiaigénye az alábbi képlettel került kiszámításra: A9 = B; + ;
,C
+;
,D
+ ; , E ∙ FBGH ∙
H
∙ I E + BA9J + A9K + ;H,D E ∙ ID
qf= fűtés fajlagos nettó energiaigénye qf,v= a teljesítmény és az igény pontatlan illesztéséből származó veszteség qf,h= elosztóhálózatok hővesztesége qf,t= tároló hővesztesége EFSz= fajlagos villamos segédenergia igény Ck= kazán teljsítménytényezője αk= lefedési tényező egy forrásból táplálkozó fűtési rendszer esetén. ef= fűtésre használt energiahordozó primer energia átalakítási tényezője ev= a villamos energia primer energia átalakítási tényezője A használati melegvíz előállítás primer energiaigénye az alábbi képlettel került kiszámításra: A
!
= B;
!
+;
!,D
+;
!,
E ∙ F(GH ∙
H
∙I
!)
+ (AL + A0 ) ∙ ID
qHMV= melegvíz előállítás nettó hőigénye qHMV, v= elosztási veszteség a HMV készítési hőigény %-ában qHMV, t= a melegvíz-tárolás vesztesége HMV készítési hőigény %-ában Ck= kazán teljesítmény tényezője és fajlagos segédenergia igénye eHMV= HMV készítésre használt energiahordozó primer energia átalakítási tényezője EC= a cirkulációs vezeték segédenergia igénye
22
A nyílászárók üvegezési arányát az ablakkeretek és az üvegfelületek felmérésével határoztam meg. Ennek értéke a táblázat szerint 0,69. 5. Táblázat: Az üvegezési arány számítása
Üvegfelület Teljes ablakfelület Fa tok felülete Üvegezési arány
2 388 582,50 3 455 600,00 1 067 017,50 0,69
A nyári hőterhelés esetében a belső hőterheléssel is számolni kell, amelynek számításakor a gépek, a világítás és az emberek hőleadását vettem figyelembe. A gépek hőterhelése az alábbi képlet alapján került kiszámításra: N ∙ M8 O
= M7 ∙ F
A gépek hőterhelésének számítási módszerét az alábbi táblázat összesíti. 6. Táblázat: Gépek hőterhelése
Gépek energiafogyasztása Napi használati idő M1, egyidejűségi tényező η, közepes motorhatásfok M2, motor terhelési foka ̇QM [W]
számítógép TV
kazán
tűzhely
kávéfőző Összesen
A világítás hőterhelését az alábbi képlet alapján számoltam: !
= '! ∙
7
∙
8
∙
P
Az emberi belső hőterhelést az alábbi képlet mutatja: Q
= 'Q ∙
ahol, WE az ember hőmérséklettől és fizikai aktivitástól függő hőtermelését, míg n a létszámot jelenti. A helységekben feltételeztem, hogy ülőmunka folyik, 1-2 ember részvételével általában 1-2 óra időtartammal. A filtráció 0,8 1/h mértékben 1-2 óra hosszáig folyik, leginkább a tartózkodási idő alatt illetve után. A gépészeti rendszerek hidraulikai méretezése a legnagyobb hidraulikai ellenállassal bíró ág alapján történt, ahol az ellenállás az alábbi képlettel számolható.
23
T∙ X8 ∆R = S + F VW ∙ U 2 A megállapított áramlási sebességekhez a megfelelő csőtípus és keresztmetszetre vonatkozó nomogram segítségével meghatározható az egyes szakaszok csősúrlódási vesztesége. A lakás alaprajza szerint a leghosszabb fűtési ágak kiválasztása után kiszámítható az ágak hidraulikai ellenállása, amelyet az összes többi hasonló hosszúságú ág kiszámításával ellenőrizni kell, ügyelve, hogy a csőben áramló víz sebessége ne legyen nagyobb, mint 0,5 m/s illetve levegő esetében 3 m/s [Schako 2013].
2.3 Hőkamerás felvételek A leginkább hőhidas felületek meghatározásához hőkamerás képek készültek Somogyvári Márta segítségével a tél végi időszakban, az esti órákban, hogy a sugárzásból adódó torzítás csökkenthető legyen. A viszonylag meleg tél végi időszak miatt a külső levegő (3 C°) és a hűlő felületek közötti hőfokkülönbség nem volt annyira nagy, mindössze 4-5 C°. Ez azonban elegendő volt arra, hogy a külső határoló felületek közül relatíve a legmagasabb hőmérsékletűek meghatározhatók legyenek.
2.4 Felújítási alternatívák A felújítási lehetőségek összeállításához három hőszigetelő rendszert határoztam meg, melyek megvalósíthatóságát építésszel ellenőriztettem. Ennek alapján egy 10 cm, egy 20 cm és egy 40 cm vastagságú dryvit hőszigetelést vizsgálok, melyek környezeti hatásait azonos hőátbocsátási tényezővel bíró, de más hőszigetelő rétegrenddel (kőzetgyapot és cellulóz) hasonlítom össze. A hőszigeteléssel kapcsolatban a nyílászárók cseréjét ablak és bejárati ajtó esetében is vizsgálom és a követelményértékeket teljesítő ablakok és bejárati ajtó cseréjére tettem javaslatot. Az épületgépészeti elemek felújításának tervezését a fűtési és HMV előállítási, valamint a légtechnikai rendszerek esetében végzetem el. A fűtés esetében az alábbi alternatívákat vizsgáltam: •
A jelenlegi tagos radiátorok és szabadon szerelt acél csőrendszer cseréje lapradiátorra és szintén szabadon szerelt rézcsövekre – a csere mindenképpen szükséges, mivel a tagos radiátorok már meghaladta a 44 évet.
•
A jelenlegi tagos radiátorok helyett alacsony hőmérsékletű felületfűtés (padlófűtés) kialakítása
24
A HMV termelés vizsgálatát csak a fűtési rendszer szintjén vizsgálom meg, de külön a vízhálózat felújítására vonatkozó részletes tervezési feladatok nem képezték a dolgozatom tárgyát. Ugyanakkor itt jegyzem meg, hogy a vízvezetékrendszer cseréje mindenkeppen elvégzendő feladata a régi ólomcsövek helyettesítése érdekében. Megvizsgált HMV rendszerek: •
150 literes indirekt fűtésű rétegtároló kondenzációs gázkazánnal fűtve
•
300 literes indirekt fűtésű rétegtároló napkollektorral és kondenzációs gázkazánnal fűtve
Mind a fűtési mind pedig a HMV előállítása szempontjából fontos a hőtermelő lehetőség vizsgálata, ahol az alábbi alternatívákat tartom megfontolandónak: •
Korszerű kondenzációs gázkazán beépítése a jelenlegi helyett, kizárólag gázüzemmel biztosítva a jelentkező hőigényt és HMV igényt;
•
Korszerű hasábfa vagy apríték tüzelésű faelgázosító kazán biztosítja a fűtési hőigényt, kiegészítve a HMV termelés esetében vákuumos sík kollektorokkal.
Központi légtechnikai kiépítése az alábbi alternatívák figyelembevételével: •
Friss levegő és elszívás biztosítása hővisszanyerő szellőztető rendszerrel.
Az egyes műszaki megoldások összes lehetséges kombinációjával kialakított felújítási alternatívákat az alábbi 7. táblázat foglalja össze, azonban ezek közül dolgozatomban csak a „Földgáz ház” és a „Zöld ház” két szélsőséges esetét vizsgálom. Az energetika számítások eredményeit három szinten határoztam meg: •
a szerkezetek hőátbocsátási tényezője (W/m2K)
•
a teljes fűtött területre vonatkozó fajlagos hőveszteség-tényező (W/m3K)
•
primer energiaigény fűtési és melegvíztermelő rendszer szerint valamint összesítve, az összesített energetikai jellemző (kWh/m2év)
Ezen értékeken túl az épület összes hőveszteségét (kW), az éves fűtési energiaigényt (MWh/év) és a kazán összteljesítményt (kW) határoztam meg. A különböző szigetelési alternatívákat (polisztirol, kőzetgyapot, cellulóz/izocell) úgy alakítottam ki, hogy a szigetelések következtében kialakult rétegrendek ugyanazon hőátbocsátási tényezővel bírjanak, így a hőtechnikai méretezéskor nem, a költségek és a környezeti hatások szintjén azonban figyelembe vettem a különböző anyagú hőszigetelések hatását. 25
7. táblázat: Felújítási alternatívák és főbb jellemzőik
Felújítási alternatívák
Minimalista ház
Földgáz ház
Kényelmes ház
Modern ház
Zöld ház
Energiahordozó
Hőszigetelés
Fűtés
HMV
Légtechnika
földgáz
2006-es követelményérték Uw=1,3 ablak
Kondenzációs gázkazán lapradiátorral Réz csővezetékek szabadon szerelve
Villanybojlerek
Természetes szellőztetés Vizes helységek gépi elszívása + párára nyíló rések az ablakban keretbe szerelve
földgáz
10 cm polisztirol egyenértékű kőzetgyapot és cellulóz Uw=1,1 ablak
Kondenzációs gázkazán lapradiátorral vagy padlófűtéssel
Vízvezetékcsere, leágazásos rendszer Indirekt fűtésű tároló kb. 150 l
Hővisszanyerős szellőző berendezés
földgáz és napkollektor
15 cm polisztirol Uw=1,1 ablak
Kondenzációs gázkazán padlófűtéssel
Indirekt központi hőtároló napkollektorral 2-300 l
Hővisszanyerős szellőző berendezés
földgáz, napkollektor és
20 cm polisztirol Uw=1,1 ablak
Kondenzációs gázkazán Indirekt központi hőszivattyús rásegítéssel hőtároló padlófűtéssel puffer tárolóval napkollektorral 2-300 l
Hővisszanyerős szellőző berendezés
faelgázosító kazán, és napkollektor
40 cm polisztirol kőzetgyapot és cellulóz Uw=0,9 ablak
Indirekt központi hőtároló napkollektorral 300 l
Hővisszanyerős szellőző berendezés
Apríték kazán lapradiátor fűtéssel
26
A napenergia hasznosítás energianyereségét a NAPLOPÓ Szoftverrel végeztem el [NAPLOPÓ 2010]. A programban beállítottam a szükséges HMV mennyiségét, a napkollektorok típusát, összes felületét, tájolását és dőlésszögét. A beállított értékek az alábbiak voltak: • • • • •
Melegvíz mennyisége 4 fő részére, 50 l/fő esetén 200 l/nap A melegvíz hőmérséklete 45 C°, a hidegvízé 12 C°, a cirkulációs veszteség 20% A fogyasztás jellege: családi ház munkanapon Thermosolar TS 300 vákuumos síkkollektor 5,34 m2 teljes felülettel Dőlésszög 45°, tájolás Dél.
A kalkulációban alkalmazott Naplopó Standard-3 napkollektoros rendszer elemei az alábbiak voltak: • • • • • • • •
3 db Thermosolar TS 300 típusú szelektív síkkollektor, 10 év garanciával. Csatlakozó készlet a napkollektorok bekötéséhez. Alumíniumból készült szerelőkeret, a napkollektorok ferdetetőre szereléséhez. Mikroprocesszoros, digitális hőmérséklet különbség szabályozó, 4 db érzékelővel. Szoláris szerelési egység szivattyúval és minden egyéb szükséges biztonsági, ellenőrző és működtető szerelvénnyel. 18 literes gumimembrános zárt tágulási tartály. 300 literes, álló kialakítású, hőszigetelt melegvíz-tároló két belső hőcserélővel, zománcozott belső felületvédelemmel, magnézium anóddal. 15 liter környezetbarát, nem mérgező fagyálló hőátadó folyadék.
A rendszert déli tájolás mellett 45°-os dőlésszögben elhelyezve szerelik. 4 fő és fejenként 50 l/fő melegvízfogyasztás mellett, 45 C° HMV és 12 C°-os bejövő vízhőmérséklet esetén a rendszer az éves HMV termelés energiaigényének 64,58%-át képes fedezni.
27
A fűtési rendszerek részletes hidraulikai méretezését szintén a WinWatt programmal elvégezve elkészítettem a fűtési rendszerek felújításának függőleges csőtervét és az egyes
28
berendezések alaprajzon elhelyezett kapcsolási rajzát. Hasonlóképpen jártam el a hőcserélős levegőztető rendszer megtervezésekor is (lásd tervrajzok a mellékletben). A felújítási alternatívák értékelését minden esetben részletes műszaki dokumentáció összeállítása előzte meg, melyet a megfelelő hőtechnikai és hidraulikai méretezések segítségével készítettem el.
2.5 Gazdaságossági kalkulációk A műszaki dokumentáció alapján árajánlat kérésével vagy hivatalos beruházási adatok gyűjtésével meghatároztam az egyes alternatívák beruházási költségeit, majd az épületgépészeti sajátosságok figyelembevételével kiszámoltam az egyes alternatívák működési költségeit és az eredetei valamint az első alternatívához viszonyított megtakarítási összeget. A bevétel oldalon egyrészt az energetikai korszerűsítés következtében megtakarított fűtési költség, másrészt pedig, a fennmaradó hőigény fedezetéül szolgáló alternatív tüzelőanyag fűtési költségének és az ugyanezen hőigény kielégítéséhez szükséges korábbi tüzelőanyag fűtési költségének különbözete állt. Ezek segítségével dinamikus megtérülési számításokat és az egyes alternatívák finomhangolására vonatkozó érzékenységvizsgálatokat végeztem. A dinamikus megtérülési mutató a jelenben történő befektetések, illetve az időben folyamatosan változó pénzáramok jelen értékének meghatározását végzi el, és a különböző időben
jelentkező
pénzmennyiségek
jelenre
való
összesítése
a
nettó
jelenérték
meghatározásával történik. Ezt a mutatót az alábbi képlettel számoltam: L
L
L
NI ó \ITI é^ é& = −G_ + (7a` )` + (7a/ )/ + ⋯ + (7ac )c, ahol -C0 a kezdeti időpontban jelentkező befektetési összeg, valamint C1-Cn a jövőben jelentkező pénzáramok. Az egyes években jelentkező kiadások és bevételek különbözetét képezve és az adott év a kezdeti időponttól eltelt idejének alapján diszkontálva, valamint az így kapott nettó jelenértékeket összegezve számítható a jelenérték. Az évenként kiszámolt jelenértékeket kumulálva határozható meg a megtérülési idő abban az évben, amikor a kumulált összeg negatívból pozitívba vált. Az eddig eltelt időt megtérülési időnek nevezzük. Ettől az időponttól a beruházás élettartamáig a befektetés nyereséget termel. Első lépésben tehát azt érdemes vizsgálni, hogy a befektetés az élettartama alatt megtérül-e. Ha nem, akkor gazdasági szempontból nem javasolt. Abban az esetben, ha több befektetési alternatíva közül lehet választanunk, a kisebb megtérülési idővel rendelkező beruházást választjuk. Még 29
pontosabb eredményt ad azonban, ha a nettó jelenérték alapján hasonlítjuk össze az egyes alternatívákat, hiszen itt már a beruházások élettartamából származó különbségeket is figyelembe tudjuk venni.
2.6 Életciklus-elemzés A felújítási alternatívák környezeti hatásainak meghatározásához az életciklus elemzést hívtam
segítségül.
Simon-Tamaska
[2012]
nyomán
az
életciklus
„egy
termék
hatásrendszerének egymás után következő, egymáshoz kapcsolódó szakaszai, a nyersanyag beszerzéstől vagy a természeti erőforrás keletkezésétől az újrahasznosításig vagy az ártalmatlanításig.” Ebből adódóan az életciklus felmérés: „egy termék hatásrendszeréhez tartózó bement, kimenet és a potenciális környezeti hatások összegyűjtése és értékelése annak teljes életciklusa során.” Az LCA szabványosított módszertan, ami azt jelenti, hogy nemzetközileg elfogadott előírások határozzák meg, hogy hogyan és milyen lépések mentén kell elvégezni. Számításaimat én is az ISO 14041 szabvány előírásai szerint végeztem. A legteljesebb vizsgálatot az jelenti, ha az életciklus-értékelés tárgyát annak keletkezésétől megsemmisüléséig vizsgáljuk és összesítjük annak minden környezeti hatását. Ezt nevezzük a bölcsőtől a sírig tartó elemzésnek (cradle-to-grave). Ennél rövidebb életciklust jelent, ha csak egy adott felhasználási szintig vizsgáljuk meg az okozott környezetterhelést. Ennek neve bölcsőtől a kapuig (cradle-to-gate) tartó elemzés. Csak egy adott életszakaszt vizsgáló elemzést is lehetővé tesz a módszertan, melyet kaputól a kapuig (gate-to-gate) terjedő vizsgálatnak nevezünk. A bölcsőtől induló értékelések jellemzője, hogy szükségszerűen figyelembe vesz minden az adott folyamat elindulásával kapcsolatos anyag- és energiaáramot, vagyis minden olyan környezethasználatot, amely az elinduláshoz, a termék vagy szolgáltatás létrejöttéhez szükséges volt. Ezeket összefoglaló néven up-stream áramoknak is nevezzük, jelezve, hogy megelőzik a termék vagy szolgáltatás használata közben keletkező környezetterheléseket. Így pl. az épületben felhasznált földgáz, mint termék up-stream áramaihoz hozzátartozik a bányászat, a szállítás és a tisztítás is. Tulajdonképpen ez képezi a termékek vagy szolgáltatások életciklusának első szakaszát, amelyet megvalósulásnak vagy születésnek is nevezhetünk. A környezetterhelések második szakasza a termék vagy szolgáltatás használata közben keletkezik. Itt az üzemeltetéshez szükséges anyag- és energiaáramokra gondolhatunk 30
leginkább, melyek pl. egy személygépjármű esetében is felmerülnek: hajtóanyag, kenőanyagok, pótlandó alkatrészek stb. Természetesen az így felhasznált anyagok és energiaformák teljes az adott termékre eső up-stream anyag- és energiaáramát figyelembe kell vennünk a megfelelő számításhoz. Így például a személygépjármű üzemeltetése során felhasznált motorbenzin felhasznált mennyiségére eső bányászati, szállítási és finomítási környezetterhelések is a kalkuláció részét kell, hogy képezzék. A termékek életciklusának utolsó fázisát a megsemmisítés, ártalmatlanítás vagy újrahasznosítás képezi. Ebben az esetben a szétszerelés, tárolás, ártalmatlanítás és az ezekből fakadó környezeti terhelések merülnek fel, ahol a kibocsátások mellett, csakúgy, mint a létrehozás életciklusában, megjelenik a területhasználat is, mint környezeti teher. Az életciklus-elemzés végrehajtásának lépéseire is kiterjed a szabvány leírása. Ezek szerint a teljes életciklus-elemzési folyamat az alábbi lépéseket öleli fel: Az életciklus-elemzés főbb lépései az alábbiak [Sára 2010]: 1. Cél meghatározása: az értékelés céljainak meghatározása, azon kérdések pontos megfogalmazása, amelyekre az értékelés segítségével választ kívánunk adni. 2. Tárgy meghatározása: a célok során megfogalmazott kérdések alapján meghatározott életciklus hossz, anyag- vagy energiaáram (referencia áram), melyekre vonatkoztatott környezeti terhek összesítése választ ad a célkitűzésben megfogalmazott kérdésekre. A rendszerhatár, a környezeti hatások elemzésének módszere, az eredmények kiértékelésének módja, valamint a felmérés külső ellenőrzésének szükségessége is ezen pont alá tartozik. 3. Életciklus-leltárelemzés:
anyag-
és
energiafogyasztás,
illetve
kibocsátások
összegyűjtése általában szoftverek és adatbázisok segítségével. 4. Életciklus-hatásvizsgálat: a környezeti hatások számítása összesítése egy-egy jellemző mutatóvá, melyek a környezethasználat egy-egy aspektusát jelentik. 5. Életciklus-értelmezés: az eredmények kiértékelése, a minőség és megbízhatóság vizsgálata, a következtetések levonása a célok figyelembevételével, tanácsadás. Vizsgálatomban az épület két felújítás közötti életciklusára vonatkoztatva kívántam megállapítani a fenti lépések követésével az épület felújításából és üzemeltetéséből adódó környezeti hatásokat. Vagyis a vizsgálat célja az egy felújítás élettartamára vonatkozó hatások összesítése. A gépészeti berendezések élettartamát általánosan 25 évben, az épület két felújítás közötti életciklusát pedig 50 évben állapítottam meg [Szalay 2007]. 31
A leltárelemzés keretében az egyes felújítási alternatívák összesített anyagáramait és az üzemeltetéshez szükséges anyag- és energiaáramokat az épület ezen életciklusára vonatkoztattam. Így maga az épület üzemeltetése, mint szolgáltatás jelentette az életcikluselemzés referencia áramát és az ún. „gate-to-gate”, vagyis „kaputól a kapuig” tartó életciklusok kerültek kialakításra (2. ábra), amelyben az épület megépítése és felszámolása nem szerepel. Ezen életciklus szakaszok segítségével az eredeti épület üzemeltetéséből adódó energiafogyasztását hasonlítottam össze a felújított változatok anyag- és energiaáramaival. 2. ábra: Az életciklus-elemzés felépítése
A környezetből felvett anyag - és energiaáramok A rendszer határa Az épület üzemeltetéséhez szükséges földgáz és villamos energia
A lakhatásnak megfelelő életkörülmények t, φ, Iv
Felújítás anyag- és energiaáramai
Területfoglalások
Anyag– és energia emissziók
A célmeghatározás után a következő lépés az anyag- és energiaáram leltár kialakítása volt. Az anyag- és energiaáramok meghatározásakor két típussal kell foglalkoznunk. Egyrészt a bemenő áramok listáját kell összeállítanunk, másrészt pedig a rendszert elhagyó vagy kimenő áramokét. Mindazon áramok, amelyek átlépik az általunk elemzett rendszer határait, kifejezetten fontosak az életciklus-elemzés szempontjából, ugyanis ezen áramok járnak valójában környezeti hatással. Ezeket alapvető áramoknak (elementary flow) nevezzük. A rendszeren belül megjelenő energia- és anyagáramok (tracked flow) ennek alapján a környezet szempontból közvetlenül nem is fontosak, de ezek segítségével kapcsolhatók össze az egyes életciklus-szakaszok [Gyuricza et al. 2011]. Az életciklus-hatásvizsgálat keretében a saját életciklusok létrehozásával a felújítási alternatívák a felújítási ciklusra vonatkozó (50 év) energiamérlegét, széndioxid mérlegét, savasodási potenciálját, eutrofizációs potenciálját, és energiamérlegét határoztam meg. A 32
számításokhoz a PE International GaBi6 programját és az Ecoinvent 2.2 adatbázist használtam. Az életciklus leltár készítése során, ahol lehetett saját gyűjtésű adatokat használtam fel, azonban a napkollektoros rendszer, a gázkazán, a faelgázosító kazán, a tágulási tartály, a puffer tartály, és a nyílászárók esetében előre beépített LCA elemeket alkalmaztam, amelyek nem minden esetben illeszkedtek teljesen a megadott paraméterekhez: •
A kazánok esetében, mivel az adatbázis bővítésére nem volt lehetőségem, a számított paraméterekhez legközelebb álló kazánt választottam.
•
A hőszigetelt ablakok esetében csak U=1,6 W/m2K értékű ablakok szerepeltek az adatbázisban.
•
A tágulási és puffer tartály csak nagyobb méretben állt rendelkezésre az adatbázisban.
A méretbeli pontatlanságokat arányossági szorzóval igazítottam a tényleges bemeneti értékhez. Továbbá a szállítások környezeti terheit valamint a bontott elemeket (pl. régi ablakok, vakolat stb.) nem vettem figyelembe a számítások során. Mivel az életciklus-elemzés anyag- és energiaáramai sokszor eleve nagy bizonytalansággal kerültek meghatározásra, valamint a fenti hiányosságok miatt a saját életciklusok is pontatlanok, a kapott eredmények nem alkalmazhatóak abszolút értelemben. Arra azonban alkalmasak, hogy az egyes felújítási alternatívák környezeti hatásait hasonlítsuk össze a még felújítatlan eredeti épület környezeti hatásaival.
33
3 Eredmények 3.1 Az eredeti épület szerkezetének bemutatása Az épület Pécsen a Székely Bertalan utcában déli lejtőn elhelyezkedő kétszintes 200 m2 lakóterületű családi ház (3. ábra). Tájolása kedvezőtlen, ugyanis a déli homlokzat „süket”, hiszen itt nagyon kevés nyílászáró található. Építési ideje 1938, amely egy kétszobás kisebb épület kibővítéseként és ráépítéssel nyerte el eredeti formáját. 3. ábra: A ház és telek elrendezése
Az épület először a megyei főispán lakhelyeként működött, majd Münnich Ferenc lakott itt. Ezt követően rövid ideig pártházként működött, majd a pártbizottság titkára, Nyéki László kapta meg ingyen használatra az épületet. A jelenlegi tulajdonos tőle vette meg az épületet és a hozzá tartozó telekrészt 1968-ban.
34
4. ábra: az épület homlokzati képe
Az épület építési ideje alapján valamint a pincében málló vakolatnak köszönhetően több helyen is látható vált falszerkezetnek köszönhetően a határoló szerkezetek és rétegrendjeik az alábbiak: •
A falszerkezet, az 1940 előtt jellemző kis tömör téglából épült 380 mm falvastagságú tartó falszerkezet (5. ábra), amelyet külső (30 mm) és belső (20 mm) oldalon vastag vakolat takar.
•
A belső válaszfalak mindössze 80 mm vastagok kétoldali mészvakolattal.
•
Az épült alapját vélhetően vasbeton alap képezi, amely átlagosan 1500 mm mélyen helyezkedik el a talajban.
•
A közbenső födémek a stabilitásból ítélve nem fagerenda, hanem salak töltésű Horcsik födémek.
•
A padlásfödém csapos gerendafödém felső oldali sártapasztással.
5. ábra: Falszerkezet
35
A pontos rétegrendeket és ezek hőátbocsátási tényezőit az alábbi ábra és táblázat foglalja össze. 8. Táblázat: Az épület jellemző rétegrendjei és hőátbocsátási tényezői
Határoló szerkezet Homlokzat
rétegrend mészvakolat kisméretű tömör égetett agyag tégla falazat cementvakolat
Ablak
üveg levegő üveg
Belső falak
mészvakolat válaszfal tégla cementvakolat
Padlás csapos gerendafödém
sártapasztás fenyő gerendázat stukatur - préselt nád mészvakolat
Földszinti horcsik födém
parketta párnafa kazánsalak beton acélgerendázat mészvakolat
vastagság [m] 0,02 0,38 0,03 0,43 0,004 0,100 0,004 0,108 0,02 0,04 0,02 0,08 0,1 0,18 0,02 0,015 0,315 0,02 0,02 0,1 0,1 0,02 0,26
Rétegtervi hőátbocsátási tényező, U W/m2K
1,33
4
2,81
0,342
0,995
Talajon fekvő padló tölgyfa (rostokra merőlegesen) fenyőfa rostokra merőlegesen kazánsalak beton kazánsalak vasbeton kavicsfeltöltés Pincefödém
parketta párnafa kazánsalak beton acélgerendázat mészvakolat
Belső ajtó Külső ajtó Pince alap
farostlemez kavicsbeton bőrlemez kavicsbeton kavicsfeltöltés
0,02 0,02 0,05 0,1 0,1 0,1 0,39 0,02 0,02 0,1 0,1 0,02 0,26 0,018 0,05 0,002 0,08 0,1 0,232
36
0,872
0,995 2,71 5,20
1,81
A 8. táblázat alapján látható, hogy a külső határoló felületek közül a homlokzati fal hőátbocsátási tényezője 1,33 W/m2K elmarad a 0,45 W/m2K jelenleg érvényes előírástól, valamint a nyílászáró 4 W/m2K értéke a jelenlegi 1,3 W/m2K követelményértéktől. A pincefödém esetében az 0,995 W/m2K érték szintén jóval rosszabb a 0,5 W/m2K előírt értéknél. Hasonlóan kedvezőtlen a külső ajtó hőátbocsátási tényezője is (5,2 W/m2K az előírt 1,6 W/m2K érték helyett). Azonban a padlásfödém csupán kis mértékben marad el az előírt értéktől: 0,342 W/m2K értékű 0,3 W/m2K helyett.
3.2 A gépészeti elemek ismertetése Az épületben eredetileg etázsfűtés működött ún. Fridrich-kályhával, melyben brikettel és fával tüzeltek. Az épületben ólomcsővel kialakított vizes blokkok már eredetileg is kiépítésre kerültek. Az első átalakítás 1972-ben történt, amikor a korábbi fűtési rendszert váltották ki központi fűtéssel. A tagos lemez radiátorokat (6. ábra) Dunaújvárosban gyártották és a gázkazán is magyar gyártmány volt. A radiátorok nagyságát a kivitelező a légköbméter alapján becsléssel határozta meg. A fűtés alsó elosztású kétcsöves, szivattyús rendszerű melegvíz fűtés, ahol a radiátorokat azonos oldalon felső-alsó bekötéssel kapcsolták a csőhálózathoz. A nyílt tágulási tartály a fűtetlen téren kívül a padláson található, amely jelentős fagyveszélyt rejt magában a korrózión túl, itt alálható a légtelenítő is. Kezdetben a radiátorokon
csak
elzárócsap
került
elhelyezésre.
Utólag
ezeket
termosztatikus
radiátorszelepekre cserélték. 6. ábra: Radiátor és nyílt tágulási tartály az eredeti épületben
A következő felújításra 2001-ben került sor, amikor a tető pala borítását fém cserepekre cserélték le és új páraáteresztő fóliát kapott a padlás, valamint a házat új külső vakolattal
37
látták el és az ablakkeretek is átfestésre kerültek. 2010-ben a korábbi gázkazánt cserélték le a szintén magyar gyártmányú Thermo Celsius Öv 35 E 35 kW-os gázkazánra (7. ábra). 7. ábra: Gázkazán és stangok az eredeti épületben
3.3 A hőkamerás vizsgálat eredményei A hőkamerával készített fényképek az alábbi jelenségekre mutattak rá: • • • • • •
A nyílászárók hőszigetelése a legrosszabb, melyet a beépített redőnytokok is további hőveszteséggel növelnek; A bejárati ajtó filtrációs hővesztesége az szerkezet szélein jelentősebb, mint a transzmissziós hőveszteség; Az ablakok filtrációs hővesztesége kevésbé jelentős a transzmissziós hőveszteséghez képest, tehát viszonylag jó légtömörséggel bírnak; A falba süllyesztett radiátorok kifelé irányuló hővesztesége jelentős; A födém hővesztesége kisebb a falak hőveszteségénél; A nem üzemelő szilárd tüzelésű kémény hővesztesége a tetőszerkezethez képest jelentős.
38
8. ábra: A nyílászárók hőveszteségei
39
9. ábra: A fal, a tető, kémény és a redőnytok hővesztesége
10. ábra: A fal és a nyílászárók hőveszteségei a padláshoz viszonyítva
40
3.4 Az eredeti épület fűtési energiaigényének meghatározása Az épület adatainak meghatározásakor figyelembe vettem, hogy a talajjal érintkező fal 1,5 m mélységig terjed, fölötte pedig még 0,7 m magasságban külső fal található, amelyből az ablakfelületek is levonásra kerültek. Tehát a földszint átlagosan 0,7 m-re helyezkedik el a talajszint fölött. A többféle tájolású falfelületek tájolását a falon elhelyezkedő ablak tájolása szerint határoztam meg. Az épületen belül a használattól függően eltérő belső hőmérsékleteket is megadtam, de ezek a hőtechnikai méretezést nem befolyásolták. A fűtetlen pince hőtechnikai méretezésekor azonban télen a pince belső hőmérsékletét szigeteletlen állapotban 5 °C-ban határoztam meg, azonban így nem volt módom kifejezni a lábazatszigetelés a pince belső hőmérsékletére gyakorolt kedvező hatását. Hiszen szigetelt állapotban a pince hőmérséklete vélhetően magasabb, mint 5 °C, de a szabványtól nem kívántam eltérni, így ott is téli állapotban 5 °Cban állapítottam meg a belső hőmérsékletet. Fontos továbbá, hogy a pontos eredmények érdekében a pince alapterületét a teljes alapterületből levonjuk a ténylegesen fűtött alapterület meghatározása érdekében. Az épület geometriai adatai és a külső burkot képező szerkezetek meghatározása után a program az alábbi eredményeket adta (9. táblázat): 9. Táblázat: Az épület geometriai adatai
Felület neve
Külső felületek összege amelyből az összes külső fal a pincefal a födém a pincefödém a talajra fektetett padló az erkély a homlokzati nyílászárók
terület nagysága, hőátbocsátási m2 tényező, W/m2K 574,6 231,5 53,8 84,7 48,8 40,9 11,4 39,5
vonalmenti hővezetési tényező, W/mK
1,862 0,45 0,411 1,194 1,15 1,698 5,8-2,58
Az épület fűtött alapterülete 174,1 m2, a fűtött épülettérfogat pedig 521,2 m3. A külső felület és a fűtött épülettérfogat aránya pedig 0,8338. Az ablakfelületeken keresztül beáramló figyelembe vehető sugárzási energiahozam a tényleges tájolás esetén 4.491 kWh/év. Az épület fajlagos hőveszteség-tényezője 1,14 W/m3K a tényleges tájolás figyelembe vétele esetén. Ez jelentősen elmarad a 0,412 W/m3K megengedett értéktől. Az épület összes
41
hővesztesége 25,442 kW, tehát a 35 kW-os jelenlegi kazán, még eredeti épületben is túlméretezett. A nyári hőterhelés maximuma 18 órára tehető 7.704 W teljesítménnyel, amelynek jelentős hányada az üvegezett felületek hőterheléséből adódik. Ezek megfelelő árnyékolásával a hőterhelés jelentősen csökkenthető. A fentiek alapján az épület átlagos belső hőmérséklete 20,2 C°, egyensúlyi hőmérséklet különbsége 4,2 C°. A fűtési hőfokhíd 72.985 hK/év, a fűtési idény hossza pedig 4.459 h évente. A primer energiaigény számításakor az állandó hőmérsékletű hagyományos gázkazánt 0,6 kWh/m2 segédenergia igénnyel 90/70, 20 K hőfoklépcsőjű fűtött téren kívüli elosztó vezetékrendszerrel és egy központi szabályozóval vettem figyelembe. A HMV előállítás két villanybojlerrel történik nappali áram felhasználásával. Az éves fűtési energiaigény 44,73 MWh/év a részletes benapozási adatok alapján, a fajlagos fűtési energiaigény pedig 368,884 kWh/m2év szintén a részletes benapozási adatok szerint, melyet 81,746 kWh/m2év összeggel egészít ki a HMV energiaszükséglet. Az A/V arány alapján számított összesített energetikai jellemző 450,63 kWh/m2év a részletes benapozási adatok alapján kalkulálva. Így az épület mindössze H (258,9%) minősítést kap, hiszen a megengedett érték 174,05 kWh/m2év (10 táblázat). A számított éves gázfogyasztás a fentiek alapján 6.337,8 m3 szintén a részletes benapozási adatok figyelembevételével, 36 MJ/m3 gáz energiatartalom mellett. Ez 228.161 MJ/év primer energiafelhasználásnak felel meg. Fontos itt megjegyeznem, hogy ez a fogyasztás nem tartalmazza a gáztűzhely fogyasztását, amelyet 750 MJ/hó vagyis 22 m3/hó (33,65 MJ/m3 energiatartalom mellett) mennyiségben szokott a gázművek maximálni a használt szobák számától függően [1/2013. MEKH rendelet]. Az épület jelenlegi használati jellemzői alapján azonban ez a fogyasztás elhanyagolható. A ház tényleges gázfogyasztása 2013 március és 2014 március között 155.261,1 MJ volt, ami 33,65 MJ/m3 energiatartalom mellett 4.614 m3 földgázt jelent. Tehát a méretezési hőmérséklet alapján számított fűtési energiaigény mintegy másfélszerese a tényleges fogyasztásnak, ami az elmúlt év enyhe telét tekintve igazolja a számított érték helyességét. A gázfogyasztás éves költsége a számlák alapján 428.405 Ft+ÁFA, mely 2,76 Ft/MJ földgázdíjat jelent. Ez 92,8 Ft/m3 díjnak felel meg.
42
10. Táblázat: Épületenergetikai számítások összesítése az eredeti épület esetén
Mutató
Fajlagos hőveszteség tényező, W/m3K Összesített energetikai jellemző, kWh/m2év Gázfogyasztás, MJ/év HMV villamos energia fogyasztása, kWh/m2év Világítási rendszerek villamos energia fogyasztása, kWh/m2év Összes fajlagos villamos energia fogyasztás, kWh/m2év
Részletes benapozási adatok szerinti számítás 1,140 450,630 228.161 81,746 23,375 34,860
Követelményértékek
Tényleges fogyasztási adatok
0,412 174,05 155.261,100
19,626
Jelentős az eltérés azonban az épület villamos energia fogyasztását illetően. Ennek oka, hogy jelenleg csupán két személy lakik az épületben, de a jelenleg villanybojlerrel előállított HMV fogyasztást az épület méreténél fogva 4 fő esetére határoztam meg. Ehhez kapcsolódóan itt érdemes megjegyezni, hogy a négyzetméter alapján számított HMV igény eleve jelentős torzításokat rejthet, hiszen nem veszi figyelembe az épületben lakók melegvíz-fogyasztási szokásait, és nagymértékben eltérhet a tényleges értékektől. Az egyéb villamos fogyasztók használatában ugyanúgy négy fő fogyasztásával számoltam. Az eredeti épület elemzésének eredményeként látható, hogy az mind a három követelményérték (hőátbocsátási tényező, fajlagos hőveszteség-tényező és összesített energetikai jellemező) tekintetében sokkal rosszabb értékeket produkál, mint a 2014 évi IV. 6i követelményértékek. Ezért mindenképen indokolt az épület felújítása!
3.5 A felújítási alternatívák bemutatása és értékelése Dolgozatomban több felújítási alternatíva kidolgozásának vizsgálata is felmerült, melyeket az alábbi 11. táblázatban összesítettem. A felújítási lehetőségek közötti választást elősegítendő, első lépésben a fontosabb felújítási lehetőségek költséghatékonyságát határoztam meg az épület felújításához szükséges valós beruházási költségek és azok következtében létrejött energia-megtakarítási lehetőségek üzemeltetési költséget csökkentő hatását figyelembe véve. Az energia-megtakarítási lehetőségeket az eredeti WinWatt kalkuláció módosításával határoztam meg. A számításban a gépészeti beruházások élettartamát 25 évben, az építészeti beruházásokét pedig 50 évben állapítottam meg [Szalay 2007].
43
11. Táblázat: Az egyes felújítási technológiák fajlagos megtakarítási értékei a felújítás teljes életciklusára vonatkoztatva
Felújítás megnevezése
10 cm polisztirol hőszigetelés
4 070 916,5
Elért megtakarítás, MJ/életciklus Gázban Villamos energiában 8 495 999,56 0,00
40 cm polisztirol hőszigetelés, ablakcserével, Uw=0,9 40 cm kőzetgyapot hőszigetelés, polisztirol lábazattal és erkély szigeteléssel, ablakcserével, Uw=0,9 40 cm kőzetgyapot hőszigetelés, polisztirol lábazattal és cellulóz födémszigeteléssel, ablakcserével, Uw=0,9 Ablakcsere, Uw=1,1 W/m2K Ablakcsere, Uw=0,9 W/m2K Kazáncsere kondenzációs kazánra
7 965 954,3
9 434 879,74
0,00
110,15
10 939 265,1
9 434 879,74
0,00
80,21
9 157 585,1
9 434 879,74
0,00
95,82
841 799,8 1 002 397,8 1 028 796,0
1 678 139,65 1 759 500,00 3 225 239,65
0,00 0,00 0,00
185,40 163,24 291,55
2 043 654,7 1 467 234,0 1 905 400,0 2 860 400,0
-215 100,00 11 408 039,65
0,00 605 880,02 0,00
-26,86 20,09 14,31 51,65
Padlófűtés radiátor fűtéshez képest Biomassza kazán és fűtés Kollektoros HMV előállítás Hővisszanyerős szellőztetés, 70%
Beruházási költség Ft/életciklus
1 588 679,30
Fajlagos megtakarítás Ft/Ft 194,09
A fenti táblázat fajlagos megtérülési adatai szépen mutatják a legnagyobb megtérülést jelentő beruházásokat, felújítási alternatívákat, amelyek tulajdonképpen a felújítási költség és a fűtési megtakarítás összefüggésében jeleníti meg a beruházások Pareto frontját [Váraljai, Szalay, Csík 2014], vagyis azokat a lehetőségeket, amelyek relatív értelemben a legnagyobb megtérülést képesek produkálni. Fontos látni azonban, hogy ezek az értékek a megtakarított költségek irányában torzítanak, hiszen nem a jövőben keletkező megtakarítások diszkontálásából adódó alacsonyabb pénzáramokat veszik figyelembe, hanem azokat jövőbeli értéken szerepeltetik a jelenben. Ezért ezek a számok csak relatív összehasonlításra alkalmasak, tényleges megtérülést csak a diszkontálás elvégzése után mutatnak. Számításaim szerint az építészeti megoldások közül a leginkább a kazáncsere éri meg. Majd a 10 cm vastag polisztirol szigetelés következik, míg a 40 cm-es szigetelés kb. fele annyi haszonnal jár. Ennél az ablakcsere jóval kedvezőbb gazdasági eredménnyel jár, elsősorban az Uw=1,1 értékű ablakok beépítése esetén. A gépészeti megoldások közül a hagyományos gázkazán kondenzációs gázkazánra való cseréjén túl, de attól jóval elmaradva, a hővisszanyerős szellőztetés következik. A sort a tüzelőanyag csere (biomassza kazán és napkollektor) zárja. Számításaimban a radiátor fűtést a padlófűtéssel hasonlítottam össze, azonos feltételek mellett és eredményeim szerint a padlófűtési rendszer kialakítása nem jelent energetikai megtakarítást és így gazdasági előnyt sem a radiátor fűtéssel szemben, hiszen nem jár fűtési energia megtakarítással, sőt nagyobb gázfogyasztást eredményez. Így a padlófűtés 44
kialakítása csupán 26,86 Ft veszteséget jelent 1 Ft beruházási költségre vetítve a radiátorfűtéssel szemben. Ennek okát abban találtam meg, hogy a WinWatt programban csak a radiátorfűtéssel azonos mértékű előremenő és visszatérő hőmérsékleteket tudtam beállítani és így nem érvényesülhetett a padlófűtés alacsonyabb fűtési hőmérsékletből adódó kedvező hatása. A következő lépésben három hőszigetelési vastagság esetében vizsgáltam meg a radiátoros és a padlófűtéssel ellátott felújítási változatok energetikai mutatóit, melyet az alábbi 12. táblázat összesít. 12. Táblázat: A felújítási alternatívák energetikai összehasonlítása
Mutató
Fajlagos hőveszteség tényező, W/m3K Összesített energetikai jellemző, kWh/m2év Gázfogyasztás, MJ/év Fajlagos fűtési energiaigény, kWh/m2év Fajlagos HMV energiaigény, kWh/m2év Fajlagos világítási energiaigény, kWh/m2év Kazán összteljesítmény, kW
Régi épületszerk ezet felújítás előtt
Felújított: 10 Felújított: 20 cm polistirol, cm polistirol, Ug=1 ablak, Ug=0,7 új ablak, lapradiátorfűt lapradiátorfűt és és
Felújított: 40 cm polistirol, Ug=0,7 ablak, padlófűtés
Felújított: 10 cm polistirol,U g=1 ablak, padlófűtés
Felújított: 20 cm polistirol, Ug=0,7 ablak, padlófűtés
Felújított: 40 cm polistirol, Ug=0,7 ablak, padlófűtés
Felújított: 40 cm polistirol, Ug=0,7 ablak, lapradiátorfűt és napkollektorr al és faelgázosító kazánnal
1,1
0,3
0,2
0,2
0,3
0,2
0,2
0,2
450,6
122,0
99,8
89,5
128,5
101,9
90,4
78,3
228160,8
71992,8
58435,2
52002,0
76294,8
59731,2
52524,0
0,0
368,9
76,1
54,9
43,6
82,4
56,0
44,5
30,6
45,4
44,3
44,3
44,3
45,4
45,4
45,4
47,2
30,6
30,6
30,6
30,6
30,6
30,6
30,6
30,6
35,0
10,7
9,1
8,3
10,9
9,3
8,4
8,3
Az összesített energetikai jellemző tekintetében a legkedvezőbb megoldást a lapradiátor fűtési rendszerrel felszerelt tűzifával üzemelő változat jelentette. Ennek értéke csupán 78,3 kWh/m2év, amellyel az épület A+ besorolást kap. Általában a radiátoros megoldások kedvezőbb energetikai jellemzővel bírtak és a szigetelés vastagságának növeléséből adódó energia-megtakarítás a csökkenő hozadék elvének megfelelő módon erősen csökkent. Így míg a 10 cm vastag hőszigetelés, a többi felújítással együtt, az összesített energetikai jellemzőt 328,6 kWh/m2évvel csökkentette, addig a szigetelés megduplázása először 22,18 kWh/m2év, 45
majd csak 10,26 kWh/m2év javulást eredményezetett. A 40 cm hőszigeteléssel bíró kondenzációs kazánnal üzemeltetett padlófűtéses épület biomassza fűtésre és napkollektoros HMV termelésre való átállítása azonban 11,2 kWh/m2év javulást jelentett. Az egyes alternatívák eredményeit az alábbi 11. ábra szemlélteti. 11. ábra: A felújítási alternatívák energetikai összehasonlítása
Az átalakításokkal kapcsolatban itt kívánom megjegyezni, hogy bár a padlófűtés kényelmes fűtési megoldásnak tűnik, építészeti kivitelezése egy meglévő épületben sok előre nem látható és előre látható átalakítással is jár. Például a belső ajtók átalakítását, új burkolatok és küszöbök kialakítását igényli. Bár több fontos előnyt hordoz magában, pl. az alacsony 46
előremenő hőmérsékletek energetikailag kedvezőbbek, de számításaim szerint megtakarítást nem eredményeznek. Továbbá teljes beruházási költsége magas, ezért sokan idegenkednek tőle. Hasonló módon a 40 cm hőszigetelő réteg felvitele is összességében igen kedvező energiafogyasztási értékeket eredményez, azonban építészetileg a ház küllemében, az ablakok benapozottságában jelentős változásokat idéz elő, sőt a kisebb nyílászárók esetében egyenesen kivitelezhetetlen. Így a padlófűtés és a 40 cm vastagságú vagy annál vastagabb hőszigetelés nem jelent valós alternatívát. A beruházások további kiértékeléséhez a fenti energetikai mutatók mellett a gazdaságossági, kényelmi, fenntarthatósági és műszaki szempontokat is figyelembe kell vennünk az élhető környezet és a megfelelő lakókörnyezet megvalósítása érdekében. Ezért a továbbiakban egy a gazdaságossági szempontokat elsősorban figyelembe vevő általam „Földgáz háznak” nevezett hagyományos mérnöki megoldásokat és kényelmes fűtési megoldást tartalmazó alternatívát és egy „Zöld háznak” nevezett a fenntarthatósági szempontokat előnyben részesítő felújítási változatot hasonlítok össze környezeti és gazdaságossági szempontból. Felszereltségét tekintve a Földgáz ház kondenzációs kazánt, radiátorfűtést, 10 cm vastag hőszigetelést, és Uw=1,1 értékű hőszigetelt ablakokat tartalmaz. A HMV előállítás a gázkazán segítségével 150 l-es indirekt fűtésű tárolóval valósul meg. A szigetelés és az ablakcsere miatt szükségesnek ítéltem a hőcserélős szellőztetés gépészeti megoldását a szennyezett levegőjű helységek esetében elszívással a „tiszta” helységek esetében pedig befúvással. A Zöld ház el kíván szakadni a fosszilis tüzelőanyagtól és a jelentős hőszigetelő réteg segítségével csökkentett fűtési hőigényt biomassza alapon kívánja megoldani. Az éves HMV energiaigény vákuumos síkkollektorok segítségével minimum 60%-ban fedezhető. A fennmaradó 40%-ot a biomassza fűtés szolgáltatja. Még a faelgázosító kazánok esetében is tapasztalható szakaszos üzem okozta kényelmi problémák csökkentése érdekében pontosan meghatározott méretű puffer tároló beépítésével számolok. A Földgáz ház összesített energetikai mutatója 122 kWh/m2év, ami 328,64 kWh/m2év javulást eredményezett az eredeti épülethez képest. Ezzel szemben a Zöld ház 78,3 kWh/m2év összesített energetikai jellemzőt produkált köszönhetően a vastag hőszigetelésnek és a csupán 0,6 primer energiaátalakítási tényezővel számolt tűzifa primer energiahordozónak. Ez a felújítás 372,3 kWh/m2év mennyiséggel csökkentette az épület energiafogyasztását.
47
3.6 Részletezett méretezési feladatok Bizonyos méretezési feladatok részletes számítását a WinWatt programon kívül kell elvégezni, hiszen ezek nélkül hatékonyan működő rendszer kialakítása nem lehetséges. Ilyen a szilárd tüzeléshez kapcsolódó puffer tároló méretezése és a szellőztető rendszer teljesítményigényének meghatározása. Az alábbiakban ezen feladatokat ismertetem.
3.6.1 Kazán kiválasztása és a puffer tároló méretezése A szilárd tüzelés folyamatos fűtési és HMV előállítási feladatra való alkalmazása esetén elengedhetetlen a puffer tároló alkalmazása, amely segít áthidalni a kazán és a fűtési rendszer eltérő előremenő és visszatérő vízhőmérsékletét, valamint biztosítja a pillanatnyilag nem szükséges fűtési energia eltárolását olyan időszakokra, amikor a kazán már nem is működik. A puffer tároló méretezését a Zöld ház esetére végeztem el. A puffer tároló méretezése lehetséges a tüzelőanyag-felhasználás alapján, ami annyit jelent, hogy az egyszerre, egy alkalommal eltüzelendő energiahordozó által termelt hőmennyiséget a puffer tároló képes legyen felvenni. Ezt az alábbi képlet alapján számíthatjuk: de
=
h
∙
0
h
∙ f0 ∙ 3600
∙ Bide,.
2
− ide,. E
ahol, VPu – a puffertároló térfogata [l] QK – szilárd tüzelésű kazán névleges teljesítménye [kW] bK – tüzelőanyag leégésének ideje [h] ρw – a víz sűrűsége [kg/l] cw – a víz fajhője [kJ/kgK] TPu, max – a tároló közepes vízhőmérsékletének maximuma [C°] TPu, min – a tároló közepes vízhőmérsékletének minimuma [C°] Az MSZ EN 303-5 szabvány szerinti méretezés alapján a puffer tároló térfogata az alábbi képlettel számítható: de
= 15 ∙ f0 ∙
0
∙ S1 − 0,3 ∙
ahol, VPu – a puffertároló térfogata [l] QK – szilárd tüzelésű kazán névleges teljesítménye [kW] bK – tüzelőanyag leégésének ideje [h] QN – az épület hőszükséglete [kW] Qmin – a kazán legkisebb teljesítménye [kW] 48
? .
W
A Zöldház esetében az épület összes hővesztesége 8,235 kW a méretezési hőmérsékleten (-11 C°) amelyhez a hőleadó felületek (radiátorok) teljesítményigényét figyelembe véve 8,325 kW kazán összteljesítményt számítottam a WinWatt programmal. A HMV előállítás teljesítményigényére vonatkozóan azonban a WinWatt nem ad számított értéket és mivel ebben a változatban a HMV igény kielégítése is szilárd tüzeléssel történik, eszközként csak szilárd tüzelésű fürdőhengert tudtam beállítani. Ezért a HMV igényt a feltételezett melegvíz igény és az előállítás időszükséglete alapján méreteztem. Az alább képlet segítségével meghatározható a HMV előállítás teljesítményigénye: =
∙
∙(
$
!
−
!)
%&'(
Átfolyós rendszerű HMV előállítás esetében egy egységcsapoló vízigénye alapján m=10 kg/perc=0,16 kg/s, c=4,2 kJ/kgK, Δt=30 K. Ennek alapján Q̇ =21 kJ/s, kW. Amennyiben tárolós HMV előállítást tervezünk, ekkora teljesítményre biztosan nem lesz szükség. Általában 30-40 perc időtartamra tervezik a meleg víz előállítást, tehát ennyi idő alatt kell felmelegíteni a 4 fős család HMV igényét. Mivel HMV csak a tisztálkodásra szükséges 60 les 40°C-os hőmérsékletű HMV tároló is elegendő lenne, de a napkollektoros rendszer miatt az épület 300 l-es indirekt melegvíztárolóval rendelkezik, amelynek energiaigényét éves szinten 60-70%-ban a napkollektorok elégítik ki. Így csak a leghidegebb téli napokra kellene a kazán csúcsteljesítményét méretezni, de ehhez a puffer tárolóban tárolt hő is igénybe vehető. Feltételeztem, hogy a négy tagú család HMV igénye 50 l/fő 60 C°-os melegvízből, így napi szinten 200 l HMV fogy, ennyit kell abban az időszakban is felmelegíteni, amikor a kollektorok már nem működnek. Ha hosszú üzemidejű vezérelt falegázosító kazán üzemével számolok, akkor a felfűtési idő 12 óra is lehet, azonban a névleges teljesítmény leadásakor csupán 4 óra tüzelési idővel számolhatunk (4,5 kg/h tüzelőanyag fogyasztás és maximum 20 kg tüzelőanyag töltet tömeg esetén). Ebben az esetben 200 l 60 C°-os HMV előállítását 2,85 kW teljesítménnyel lehet megoldani 4 óra felfűtési idő mellett (13. táblázat). Feltételezve azonban, hogy a 300 l-es melegvíztároló nem HHV hőmérsékletű, hanem például 20 °C-os, valamint a felfűtési idő akár 6 órára is kitolható, már 1,52 kW elegendő teljesítményt jelent. Így a kedvezőbb árfekvésű 14 kW-os Atmos DC 14 R faelgázosító kazán, vagy a VIGAS 16 LC (12-18kW) elektronikusan vezérelt faelgázosító kazán is megfelelő hőtermelőnek ígérkezik. 49
13. Táblázat: A HMV előállítás teljesítményigénye
HHV HMV felfűtés ideje HMV tartály térfogata Felfűteni kívánt víz tömege HMV ellátás teljesítményigénye
A
VIGAS
16
LC
kazán
10 60 4 200 196,4 2,85
üzemeltetése
esetén,
C° C° h l kg kW
amely
12-18
kW
vezérelt
teljesítménytartományban képes működni, az MSZ EN 303-5 szabvány szerinti puffer tartály méretezési módszert alkalmazva a puffer tartálynak legalább 720 l-esnek kell lennie (14. táblázat), ha a szilárd tüzelésű hőtermelő egyedül látja el az épület hőigényét. Ennek alapján a legközelebbi járatos méretet választva a puffer tároló méretét 750 l-ben határoztam meg. 14. Táblázat: A puffer tartály méretezése
MSZ EN 303-5 szabvány szerinti méretezés Kazán teljesítménye A tüzelőanyag elégési ideje Az épület hőszükséglete A kazán legkisebb teljesítménye A fűtővíz-puffertároló térfogata
14 4 5,7 12 720,30
kW óra kW kW liter
A kazán körébe külön szivattyú és tágulási tartály beépítése szükséges. Ezen elemeket a fűtési körben is értelemszerűen szerepeltetni kell (lásd függőleges csőterv).
3.6.2 Szellőztető berendezés méretezése A szükséges légmennyiség meghatározásához az épületet befúvási, elszívási és átáramlási zónákra kell osztani. Befúvási zóna, ahol friss levegő kerül a légtérbe, elszívási pedig, ahol az elhasznált levegő eltávolítása történik meg. A kettő közötti zónákat átáramlási zónáknak nevezzük, ahol a befúvási és elszívási zónák között nyomáskiegyenlítődés történik meg. Ebből kifolyólag az összes elszívási és befúvási térfogatáramnak közel egyenlőnek kell lennie, hogy az épületben ne alakuljon ki depresszió vagy túlnyomás. Ezt az egyensúlyt a légcsereszám optimális megválasztásával érhetjük el, amely azonban bizonyos értékeknél nem lehet alacsonyabb. Az egyes helységtípusokra vonatkozó minimális légcsereszámokat az alábbi 15. táblázat tartalmazza.
50
15. Táblázat: Minimálisan szükséges légcsereszámok
Helységtípus
Légcsere minimum maximum Lakó- / hálószobák 0,7 1 Konyha / fürdő / WC 2 4 Forrás: Schako 2013, 5 DIN 1946 és DIN 18017 alapján Az épület légcsereszámára vonatkozó ajánlás szerint az össz-légcsereszámnak óránként 0,4-1 1/h között kell alakulnia. Így pl. 80 m2 feletti lakóépület esetében 6 személyes lakószám mellett legalább 180 m3/h befúvott levegőt szükséges tervezni [Schako 2013, 5]. A befúvási és elszívási rácsokat a helység optimális átöblítése érdekében célszerű az ajtóval szemben
elhelyezni
és
ügyelni
a
szükséges
térfogatáram
és
csőkeresztmetszet
megválasztásánál, hogy az áramlási sebesség nem emelkedjen 3 m/s fölé. A légtechnikai méretezési számításokat elvégezve (lásd alábbi 17. táblázat) az épület szükséges elszívási térfogatárama 255,91 m3/h, befúvási térfogatárama pedig 253,52 m3/h kell, hogy legyen. A maximális nyomásesés a Készülék - Földszinti fürdőszoba vonalon jelentkezik 33,37 Pa mértékben (16. táblázat). A készülék bevezető szakaszában jelentkező nagy térfogatáramok miatt a 3,5 m/s sebességhatár csak NA150 esetén tartható, tehát legalább ilyen bemeneti átmérővel rendelkező készüléket kell választani. Fontos továbbá, hogy a nyári bypass szolgáltatást is tudja a készülék. Ezeknek az igényeknek a Sentinel KINETIC 300Z hővisszanyerős szellőztető berendezés felel meg leginkább. A készülék jellemzői: • • • • • • • •
Vízszintesen építhető központi hővisszanyerős szellőzőberendezés, Hatásfok 85% hővisszanyerés, 2db EU3-as szűrőbetét, 2 db DC motoros ventilátor 3 állítható sebességfokozattal max. 350m3/h térfogatáram Hangszigetelt ház, Beépített kondenzvíz-elvezetés, Csatlakozási csonk 4xNA150mm, Szabályozás épületfelügyeleti rendszerre köthető vezetékes távirányítóval és nyári bypass.
16. Táblázat: Légvezetési rendszer legnagyobb ellenállása
Hosszabb vezetékszakaszok Készülék - Fsz. Fürdő Készülék - Fsz. Nagyszoba Készülék - Emelet Vendégszoba
nyomásesés, Pa 33,37 elszívási 17,454 befúvási 31,391 befúvási
51
17. Táblázat: Légtechnikai méretezés eredményei
Helyiség neve
Funkciója
V
Légtechnikai zóna
[m3]
légcsereszám
Térfogatáram
Csővezeték hossza
Alaki ellenállás
Nyomásesés
Csőátmérő
Áramlási sebesség
1/h
m
db 2 2 2
típus könyök könyök könyök
Pa
mm
m/s
1 1 1 1 1 2 1
könyök anemosztát könyök anemosztát T idom könyök anemosztát
1 1 1
könyök anemosztát T idom
befúvási befúvási elszívási átáramlási elszívási
0,8 2,5
m3/h 234,17 19,35 255,91 43,08 53,60
69,3
befúvási
0,8
55,44
0,5
Lakószoba
77,055
befúvási
0,8
61,64
0,235
Előtér Hálószoba
8,4 24,192
befúvási
0,8
19,35
3,328
Készüléktől A elágazásig Készüléktől B-elágazásig Készüléktől B elágazásig Emeleti előszoba B-Fürdőszoba
Folyosó Fürdőszoba
A-Hálószoba
Hálószoba
A-Olvasószoba Padlásfeljáró B-Vendégszoba
A-C B-D Földszinti előszoba Előtér Fürdőszoba
Előszoba Belépő Fürdőszoba
Kamra Kis WC Kis előtér Konyha Nagyszoba Zongoraszoba
Raktár Mosdó Előtér Konyha Lakószoba Dolgozószoba
53,847 21,44
53,85 16,74 17,52
befúvási elszívási átáramlási átáramlási elszívási
10,86 2,457 5,13 38,4 77,055 69,3
átáramlási elszívási átáramlási elszívási befúvási befúvási
2 8,063 8,063 0,97
3 3
10 16,063 16,063
200 150 150
3,68 0,30 4,02
8,97
150
0,84
12,5
150
0,87
8,235
150
0,97
15,328
150 150
0,00 0,30
3 3
150 150
150
0,8 0,8 2,5
43,08 13,39 43,80
6,307
1 1
könyök anemosztát
14,307
2
4,91
4,839
1
anemosztát
8,839
4 0,8 0,8
153,60 61,64 55,44
0,619 0,209 0,454
1 1 1
anemosztát anemosztát anemosztát
4,619 4,209 4,454
52
150 150 150 150 150 150
0,69
0,08 2,41 0,97 0,87
A hővisszanyerő szellőztető rendszerhez kapcsolódóan megvizsgáltam, hogy a légfűtés kivitelezhető megoldás-e, hiszen, ha már kiépítésre kerülnek a légcsatornák többnyire elravicolt megoldással, egy kalorifer illesztésével kiváltható lenne a radiátoros fűtési rendszer. A zöld ház fűtési teljesítményigénye 8,325 kW a méretezési hőmérsékleten. Ezt a teljesítményt kellene kaloriferrel megvalósítani. Amennyiben nem alkalmazok visszakeverést csak hővisszanyerős szellőztető berendezést és a teljes fűtési hőigényt legfűtéssel kívánom megoldani, figyelembe véve a maximálisan 15 °C-os légfűtési hőfoklépcsőt, az alábbi képlettel számítható a szükséges térfogatáram [Marcsó, Halász]. •
VLT
•
QF ⋅ 3600 = ρ l c pl ⋅ (t bef − ti )
(m3/h)
ahol,
QF – fűtési teljesítményigény (W) ρl – levegő sűrűsége (kg/m3) cpl – levegő fajhője (kJ/kgK) tbef-ti – a befújt és a belső levegő hőmérsékletének különbsége, ebben az esetben 15 °C A képlet alapján 1.628 m3/h légbefúvásra lenne szükség a hővisszanyerős szellőztetés esetén tervezett 253,52 m3/h mennyiséggel szemben. Ezen légmennyiség maximum 3 m/s sebességgel történő bevezetéséhez legalább 0,44 m átmérőjű légvezetékekre lenne szükség, melyet ebben az épületben nem tartok kivitelezhetőnek.
3.7 Gazdaságossági számítások eredményei A következő lépésben a két felújítási alternatíva gazdaságossági eredményeit vizsgálom a dinamikus megtérülési kalkulációk segítségével. Ehhez az alábbi kiindulási adatokat határoztam meg. A Földgáz ház beruházási költsége 8.058.316 Ft-ot, az eredeti épület Zöld házzá alakítása pedig 12.283.473 Ft-ot emésztene fel. Ezzel szemben a Földgáz ház az átalakítás következtében jelentkező energia-megtakarításból éves szinten 655.884 Ft megtakarított energiaköltséget realizál, melyet az évek során diszkontálnunk kell. A Zöld ház a jelentősebb beruházások következében 745.458 Ft-ot tud megtakarítani, melyet szintén 1,8 % kamattal diszkontálok. Ilyen feltételek mellett a Földgáz ház esetében 15 év, míg a Zöld ház esetében 20 év a megtérülési idő, tehát mindkét felújítási csomag megtérülő beruházásnak bizonyul. A viszonylag hosszú megterülési idő azonban az igen alacsony gázárból, illetve a hasonló gáz és tűzifa árból is következik, hiszen nem képződik a nagy beruházási teherrel szemben jelentős 53
megtakarítási összeg. A diszkont kamatláb nullára csökkentése a Földgáz ház esetében 13 évre a Zöld ház esetében pedig 17 évre csökkenti a megtérülési időt. 18. Táblázat: A gazdaságossági kalkulációk kiindulási adatai
Gáz ára
93 Ft/m3
Gáz energiatartalma
36 MJ/m3
Villamos energia ára Tűzifa ára Tűzifa energiatartalma Tűzifa fűtés hatékonysági korrekciója Fűtés aránya a teljes gázfogyasztásból HMV aránya a teljes gázfogyasztásból Diszkontráta HMV igény napenergiával kiváltva Támogatás mértéke
45 Ft/kWh 23 Ft/kg 13,3 MJ/kg 1,2
2,6 Ft/MJ
1,7 Ft/MJ
50% 50% 1,8% 60% 0%
Amennyiben a gáz árát 300 Ft/m3-re növeljük, mindkét felújítási alternatíva esetében jelentősen csökken a megtérülési idő. A Földgáz ház 6 év alatt, a Zöld ház pedig 7 év alatt már megtérülne. További lehetőség a megtérülés elősegítésére, ha a beruházást támogatjuk. A jelenlegi 40%-os támogatási intenzitás mellett a megtérülés az üzemidő a Földgáz ház esetében 8 év, a Zöld ház esetén pedig 11 év. Amennyiben feltételezzük, hogy a gáz, a villamos energia és a tűzifa ára is változik a jövőben, újabb eredményeket kaphatunk. Az Energia Klub elemzése [Severnyák, Fülöp 2013] az alábbi 19. táblázatban összefoglalt árváltozásokat valószínűsíti. 19. Táblázat: Az energiahordozók áralakulása
Növekedés éves átlagos rátája, % Gáz Villamos energia Tűzifa
4,3% 5,0% 5,0%
54
Amennyiben a korábbi kiindulási paramétereket változatlanul hagyjuk (1,8% kamat és változatlan beruházási költségek) az árak változásának következtében a Földgáz ház a 12. évtől, a Zöld ház pedig a 15 évtől térül meg. Amennyibe a két alternatíva teljes életciklus alatt elért nettó jelenértékét hasonlítjuk össze érdemesebb a Zöld ház beruházási csomagot választani, hiszen az 50 éves ciklus alatt 37,9 MFt, míg a Földgáz ház esetében csupán 59,5 MFt megtakarítás eredményez.
3.8 Az életciklus elemzés eredményei Az eddigiek során az épület-felújítási változatok energetikai és gazdaságossági eredményeit határoztam meg. A következőkben az eredeti épület és négy felújítási alternatíva környezeti jellemzőit értékelem a módszertani fejezetben bemutatott életciklus-elemzés segítségével, hiszen meg szerettem volna határozni azt is, hogy a bár drágább kőzetgyapot és cellulóz szigetelés milyen környezeti teljesítményeket tud. A szigetelési alternatívák esetében azonban szintén figyelembe kellett vennem azt, hogy bizonyos szigetelések csak korlátozottan használhatóak. Így a kőzetgyapot és a cellulóz nem használható a lábazat szigetelésére, valamint a cellulóz homlokzati szigeteléséhez támaszfal építése szükséges, ami gazdaságilag ellehetetleníti a beruházást. Ezért vegyes szigetelést alakítottam ki, és a lábazat esetében zárt cellás polisztirolt, a homlokzat és pince födém esetében kőzetgyapotot és padlásfödém szigetelés esetében pedig cellulózt alkalmaztam. Az életciklus elemzést tehát a Fölgáz házra, a Zöld házra polisztirol szigeteléssel és vegyes szigeteléssel készítettem el 50 éves épület életciklust és 25 éves gépészeti életciklust feltételezve. Az életciklus elemzéshez leltárt készítettem, melyet az alábbi 20. táblázat összesít. A fenti leltár alapján kerültek meghatározásra az egyes alternatívák anyag- és energiaáramai és ennek megfelelően az életciklus elementáris áramai. Az elementáris áramok környezeti hatásait összegezve üvegházgáz potenciált, savasodási és eutrofizációs potenciált, valamint bruttó energiamérleget határoztam meg. Az egyes felújítási alternatívák a fenti mutatók szerinti jellemzőit az alábbi 12. diagram szemlélteti.
55
20. Táblázat: Az egyes felújítási alternatívák életciklust leltára
Életciklus leltár
Eredeti épület
Gázfogyasztás ill. kiváltás tűzifával és napkollektorral, MJ Villamos energia fogyasztás, MJ Acél, kg
Földgáz ház
Zöld ház padlófűtéssel
2 956 560,89
Zöld ház padlófűtéssel és vegyes hőszigeteléssel 2 956 560,89
Zöld ház radiátorfűtéssel és vegyes hőszigeteléssel 2 956 560,89
11 408 039,65
3 599 640,09
1 092 600,03
82 800,00
59 400,00
59 400,00
59 400,00
327,69
10 417,53
10 417,53
327,69
87,03
Réz, kg
87,03 111,70
Műanyag cső, kg 49,72
56,50
56,50
Kőzetgyapot homlokzati, kg
4 600,00
4 600,00
Cellulóz födémre, kg
1 020,00
1 020,00
Polisztirol, kg
198,88
111,70
2 640,00
2 640,00
2 640,00
2 640,00
621,00
621,00
621,00
621,00
64,52
64,52
64,52
64,52
5,50
5,50
2,00
2,00
2,00
Faelgázosító kazán, db
2,00
2,00
2,00
Napkollektor rendszer, db
2,00
2,00
2,00
2
2
2
Ragasztó, kg Vakolat, kg 2
Ablakfelület, m Beton, m3
Expanziós tartály, db
2,00
Gázkazán, db
2,00
2
HMV tároló, 150 l Puffer tároló, 720 l
Az egyes felújítási alternatívák életciklus eredményeit egymással összehasonlítva az alábbi 12. ábrát kapjuk. Egyértelműen a régi épület kedvezőtlen környezeti teljesítménye a legrosszabb, míg a fatüzelés és a jelentős mértékű szigetelés környezeti terhelésekben is láthatóvá válik a Zöld ház változatok esetében. Az üvegházhatású gázok kibocsátását vizsgálva a legkedvezőbb alternatíva a 40 cm-es vegyes hőszigeteléssel és radiátorfűtéssel ellátott Zöld ház. A savasodási potenciál szempontjából a 10 cm polisztirollal szigetelt Földgáz ház a legkedvezőbb megoldás, bár itt az egyes alternatívák között nincs akkora különbség. Az eutrofizációs potenciál tekintetében kimagaslóan a legkedvezőbb megoldást a Földgáz ház jelenti, és ez igaz a legkisebb energia-befektetés esetére is.
56
12. ábra: Az egyes felújítási alternatívák életciklus-elemzésének eredményei
57
58
Az eredmények összességében jól mutatják, hogy az eredeti épület mind a négy mutató esetében a legmagasabb érékeket produkálja, vagyis a legjobban terheli a környezetet. Ezt követi a földgáz ház, amely még mindig jelentős üvegházgáz hatással bír, de a savasodást okozó és eutrofizációs hatása már jelentősen kedvezőbb képet mutat. A Zöld ház egyedül az üvegházhatású gázok kibocsátásban jelent további előrelépést, ugyanakkor az eutrofizációs potenciál esetében kifejezetten kedvezőtlenebb helyzetet eredményez úgy, hogy közben a savasodást okozó potenciálja nem csökken jelentősen a Földgáz házhoz képest. Tehát a Zöld ház felújítás leginkább csak az üvegházhatású gázok elkerülése esetében éri meg. A többi mutató esetében inkább a visszafogottabb Földgáz ház az indokolt alternatíva.
59
4 Az eredmények értékelése, javaslatok 4.1 Az energetikai eredmények értékelése Az Energia Klub felmérése szerint [Fülöp 2011] a hazai épületek többségének összesített energetikai mutatója 400-500 kWh/m2év körül alakul. Teljesen bele illik ebbe az intervallumba az általam kalkulált épület, hiszen összesített energetikai mutatója 450,63 kWh/m2év. A felújítási alternatívák energetika eredményeit a jelenleg érvényben lévő, valamint a jövőben várható követelményértékekkel hasonlítom össze a 21. táblázatban. 21. Táblázat: Az épületenergetikai jellemzők összehasonlítása a követelményértékekkel
Mutatók
U értékek
Külső fal Padlásfödém Pincefödém Homlokzati üvegezett nyílászáró, UW Homlokzati ajtó Lábazati fal 1 m mélységig Talajon fekvő padló Fajlagos hőveszteség tényező, W/m3K Összesített energetikai jellemző, kWh/m2év
2014. IV. 6.
0,45 0,30 0,50 1,60
Költségoptimalizált követelményszint 0,24 0,17 0,26 1,15
Közel-0 energiafogyasztású épület 0,20 0,14 0,22 1,00
1,80 0,45
1,45 0,30
0,50
Éredeti épület
Földgáz ház
Zöld ház
1,33 0,34 1,00 4
0,31 0,18 0,28 1,10
0,09 0,08 0,09 0,90
1,30 0,25
5,20 1,42
1,30 0,28
1,30 0,08
0,30
0,25
0,87
0,28
0,09
0,41
0,31
0,28
1,14
0,34
0,18
177,02
126,76
75,00
450,63
121,99
78,33
A táblázatban összefoglalt adatok szerint a javasolt felújítási alternatívák közül a Földgáz ház csak a 2014-es követelményszintet tudja teljesíteni, míg a Zöld ház a költségoptimalizált követelményszinten túl a közel-0 követelményszint esetében csak az összesített energetikai jellemzőt nem teljesíti, ugyanakkor az energiaigényét 100%-ban megújuló energiaforrásból fedezi. Ezért épületenergetikai szempontból a Zöld ház jelenti a jövőbe mutató alternatívát.
4.2 Gazdaságossági eredmények értékelése Az Energia Klub tanulmánya [Fülöp 2011] szerint a családi házak esetében a hőszigetelés mindenképpen megtérülő beruházásnak számít. Ezt követi a hőszigeteléssel kombinált ablakcsere, majd az önálló ablakcsere megtérülése. Számításaim szerint, kondenzációs gázkazánra való áttérés a legkedvezőbben megtérülő beruházás (291,55 Ft/Ft – lásd 11. táblázat). A következő a hőszigetelés (194,09-110,15 60
Ft/Ft), melyet az ablakcsere követ (185,4-163,24 Ft/Ft). Tehát a hővisszanyerős szellőztetés harmadik helyre szorult vissza (51,65 Ft/Ft). Nagy lemaradással jelentkezik az alternatív tüzelőanyagok és energiaátalakítási technológiák megtérülése, melyek szerint a jelenlegi gázárak mellett semmilyen más alternatív energiatermelő rendszernek nincs jogosultsága, melyet a megtérülési idők is jól mutatnak. Ugyanez igaz a padlófűtés eredményeire is, amely inkább kényelmi beruházás, mint lényeges energetika előnyökkel járó konstrukció. A felújítási sorrend megváltozásának egyik oka, hogy új technológiaként el tudott terjedni a kondenzációs gázkazán, melynek az ára is viszonylag gyorsan csökkent az elmúlt évek alatt. Hasonlóan új technológia a családi házak esetében a hővisszanyerős szellőztető rendszer, amely szintén megfontolandó beruházás lehet még energetikai szempontból is, de egészségügyi szempontból mindenképpen. További okként említendő a gázárcsökkenés, ami nem engedi, hogy az alternatív megoldások elég megtakarítási különbözetet tudjanak felhalmozni. Ürge-Vorsatz [2010] 2005 éves árakon számolt felújítási költségei 15.120-88.200 Ft/m2 felújítási költségeket eredményeznek 315 Ft/€ árfolyamon számolva. Az általam vizsgált családi ház Földgáz ház és Zöld ház felújítási alternatívák esetében 200 m2-es lakó alapterületet feltételezve 41.292-61.417 Ft/m2 felújítási költségek adóknak, melyek 73-83 % energia-megtakarítást eredményező intézkedések. Mindezek mellett örvendetes, hogy a dinamikus megtérülési számítások szerint a felújítási alternatívák megtérülési ideje viszonylag alacsony, 10-20 év között, de mindenképpen az üzemidőn belül esik. Fontos eredmény, hogy mindkét vizsgált felújítási csomag esetében pozitív nettó jelenértékkel számolhatunk, vagyis megéri a beruházás az 1,8%-os kamat mellett. A Zöld ház az 50 éves ciklus alatt az energiahordozók árváltozását feltételezve nagyobb nettó jelenértéket produkál, mint a Földgáz ház. A megtérülés további javítását szolgálhatja, ha vissza nem térítendő beruházási támogatás szerezhető (40%), vagy a piaci gázárak bevezetésének következtében megemelkedik a fosszilis energiahordozó ára, akár 300 Ft/m3 fölé is.
4.3 A környezeti hatások értékelése Az alábbi táblázat az épületekre végzett hazai LCA eredményeket hasonlítja össze. Tekintve, hogy Szalay [2007] számításaiban az épület teljes életciklusát figyelembe vette, bár ebből az üzemeltetésre eső hatások kiemelkedőek, saját számításaim értékénél magasabb értékeket vártam. Azonban mind a négy mutató esetében saját számításaim Szalay [2007] értékeinél 61
magasabb értékeket mutatnak. Ennek okát abban látom, hogy az általam választott energiahordozó a Zöld ház esetében tűzifa, melynek az eutrofizációs potenciálja magasabb. További oka lehet a többi esetben is fellelhető eltéréseknek, hogy mind az általam használt adatbázis (Ecoinvent 2.2), mind az értékelési módszertan (CML 2013) frissebb az összehasonításul szolgáló tanulmányban használtnál. 22. Táblázat: Az LCA eredmények összehasonlítása az irodalmi adatokkal
AP kg SO2-eq./m2a
EP kg PO4-eq./m2a
51 13 8 8
0,07-0,08 0,19 0,06 0,06 0,06
0,006-0,007 0,092 0,016 0,029 0,030
275-626 2860 802 1034 1049
6
0,06
0,028
996
GWP kg CO2-eq./m2a
Szalay 2007 Régi ház Földgáz ház Zöld ház padlófűtéssel Zöld ház vegyes szigeteléssel, padlófűtéssel Zöld ház vegyes szigeteléssel lapradiátor fűtéssel
26-32
GCV MJ/m2a
Fontos látni továbbá, hogy mely források okozták az egyes környezeti hatások legnagyobb részét az épület felújítások közötti üzemeltetési életciklusa alatt. A GWP esetében a Földgáz ház kibocsátásában az elfogyasztott földgáz dominál (80.960 kg CO2-eq.), de ugyanilyen nagyságrendben megjelenik mellette a villamos energia (14.267 kg CO2-eq.) és érdekes módon a hőszigetelt ablakok előállításából adódó CO2 kibocsátás (15.650 kg CO2-eq.) is. A Zöld ház GWP értékében az ablakok gyártásának kibocsátása, a radiátorok acélszükségletéből adódó ÜHG kibocsátás (15.009 kg CO2-eq.) és a villamos energia fogyasztás kibocsátása (10.235 kg CO2-eq.) mérvadó. Az AP kibocsátásakor a Földgáz ház esetében ugyanezen források jelentenek problémát, melyek közül 325,4 kg SO2-eq. kibocsátással szintén a gázfogyasztás és 89,5 kg SO2-eq. értékkel a hőszigetelt ablakok a legjelentősebbek. A kibocsátott gázok közül a NOX és az SO2 jelentkezik az esetek többségében. A Zöld ház esetében a legnagyobb kibocsátással a fatüzelés jár (260,3 kg SO2-eq.), melyet az ablakok gyártásának kibocsátása követ. Az EP kibocsátásokhoz a legnagyobb mértékben a felhasznált villamos energia járult hozzá a vizekbe kerülő foszfát kibocsátással (43,9 kg PO4-eq.). Ehhez a foszfát kibocsátáshoz jelentős mértékben járul hozzá még az ablakgyártás is. A Zöld ház esetében a fatüzelés növeli nagymértékben az eutrofizációs potenciált (100,4 kg PO4-eq.) a levegőbe kibocsátott NOX által. 62
Az energiaigény szempontjából a hőszigetelt ablakok előállítása jár a legnagyobb energiaigénnyel (627.853 MJ). Nyilvánvalóan ebből adódik az ablakok többi kibocsátásban játszott szerepe is.
63
5 Összefoglalás Épületeink energiahatékonyságának növelése kiemelkedően fontos energiatakarékossági feladat, hiszen az elfogyasztott összes energia 40%-át itt használjuk el, amelynek több mint 60 %-a a fűtési és hűtési energiaigény fedezésére fordítódik. Egyelőre ezen energiaigényt túlnyomó
részét
fosszilis
energiahordozókkal,
többnyire
földgáztüzeléssel
fedezik
meglehetősen rossz hatásfokkal és technológiai színvonalon. Tehát igen sok a tennivaló épületeink energetikai felújítását illetően, melynek energetika, ökonómiai és környezeti szempontú értékelésével több tanulmány és módszertan is foglalkozott már Magyarországon. Ezen kezdeményezések mentén az új épületenergetikai követelmények figyelembevételével egy komplex értékelést kívántam megvalósítani szakdolgozatomban, ahol a kiválasztott kétszintes családi ház felújítását az épületenergetikai optimalizáció mellett dinamikus beruházás-gazdaságossági kalkuláció valamint több dimenziójú az életciklus elemzés módszereit alkalmazó környezeti értékelés elvégzésével terveztem meg. Az alábbi kérdésekre adtam választ a felújítási lehetőségekkel kapcsolatban: 1. Mely technológiai megoldásokkal lehet a legköltséghatékonyabb módon teljesíteni a jelenlegi összesített energetikai követelményeket és a hőátbocsátási célértékeket? 2. Mennyire környezetbarát a költséghatékony technológiai megoldás? 3. Milyen épületgépészeti megoldással lehetne a legkisebb környezeti terheléssel megvalósítani az előírt célértékeket? A felújítási lehetőségek közötti választást elősegítendő, első lépésben a fontosabb felújítási lehetőségek költséghatékonyságát határoztam meg az épület felújításához szükséges valós beruházási költségek és azok következtében létrejött energia-megtakarítási lehetőségek üzemeltetési költséget csökkentő hatását figyelembe véve. Az energia-megtakarítási lehetőségeket az eredeti WinWatt kalkuláció módosításával határoztam meg 1 Ft beruházási költségre vonatkoztatva a beruházás életciklusa alatt megtakarított energia költséget. Számításaim szerint az építészeti megoldások közül a leginkább a kazáncsere éri meg (291 Ft/Ft). Majd a 10 cm vastag polisztirol szigetelés következik (194 Ft/Ft), míg a 40 cm-es szigetelés kb. fele annyi haszonnal jár (110 Ft/Ft). Ennél az ablakcsere jóval kedvezőbb gazdasági eredménnyel jár, elsősorban az Uw=1,1 értékű ablakok beépítése esetén (185 Ft/Ft). A gépészeti megoldások közül a hagyományos gázkazán kondenzációs gázkazánra való cseréjén túl, de attól jóval elmaradva, a hővisszanyerős szellőztetés következik (52 Ft/Ft). A sort a tüzelőanyag csere (biomassza kazán és fűtés – 20 Ft/Ft és napkollektor – 14 Ft/Ft) zárja.
64
A következő lépésben három hőszigetelési vastagság esetében vizsgáltam meg a radiátoros és a padlófűtéssel ellátott felújítási változatok energetikai mutatóit. Ehhez 7 felújítási változatot állítottam össze. A változatok közül a továbbiakban egy a gazdaságossági szempontokat elsősorban figyelembe vevő általam „Földgáz háznak” nevezett hagyományos mérnöki megoldásokat és kényelmes fűtési megoldást tartalmazó alternatívát és egy „Zöld háznak” nevezett
a
fenntarthatósági
szempontokat
előnyben
részesítő
felújítási
változatot
hasonlítottam össze környezeti és gazdaságossági szempontból. A Földgáz ház összesített energetikai mutatója 122 kWh/m2év, ami 328,64 kWh/m2év javulást eredményezett az eredeti épülethez képest (73%-os hatékonyságnövekedés). Ezzel szemben a Zöld ház 78,3 kWh/m2év összesített energetikai jellemzőt produkált köszönhetően a vastag hőszigetelésnek és a csupán 0,6 primer energiaátalakítási tényezővel számolt tűzifa primer energiahordozónak. Ez a felújítás 372,3 kWh/m2év mennyiséggel csökkentette az épület energiafogyasztását, ami 83%-os fogyasztáscsökkenést jelentett. Így a Földgáz ház csak a 2014-es követelményszintet tudja teljesíteni, míg a Zöld ház a költségoptimalizált követelményszinten túl a közel-0 követelményszint esetében csak az összesített energetikai jellemzőt nem teljesíti, ugyanakkor az energiaigényét 100%-ban megújuló energiaforrásból fedezi. Ezért épületenergetikai szempontból a Zöld ház jelenti a jövőbe mutató alternatívát. A következő lépésben a két felújítási alternatíva gazdaságossági eredményeit vizsgálom a dinamikus megtérülési kalkulációk segítségével a kiindulási adatok – energiahordozók ára, diszkontráta – körültekintő meghatározása mellett. A Földgáz ház beruházási költsége 8.058.316 Ft-ot, az eredeti épület Zöld házzá alakítása pedig 12.283.473 Ft-ot emésztene fel. Ezzel szemben a Földgáz ház az átalakítás következtében jelentkező energia-megtakarításból éves szinten 655.884 Ft megtakarított energiaköltséget realizál, melyet az évek során diszkontálnunk kell. A Zöld ház a jelentősebb beruházások következében 745.458 Ft-ot tud megtakarítani, melyet szintén 1,8 % kamattal diszkontálok. Ilyen feltételek mellett a Földgáz ház esetében 15 év, míg a Zöld ház esetében 20 év a megtérülési idő, tehát mindkét felújítási csomag megtérülő beruházásnak bizonyul. A viszonylag hosszú megterülési idő az igen alacsony gázárból, illetve a hasonló gáz és tűzifa árból is következik, hiszen nem képződik a nagy beruházási teherrel szemben jelentős
65
megtakarítási összeg. A diszkont kamatláb nullára csökkentése a Földgáz ház esetében 13 évre a Zöld ház esetében pedig 17 évre csökkenti a megtérülési időt. A környezeti hatásokat életciklus elemzéssel határoztam meg, melyet a Fölgáz házra és a Zöld házra
egyrészt
polisztirol
szigeteléssel,
másrészt
vegyes
szigeteléssel
(polisztirol,
kőzetgyapot, cellulóz) készítettem el 50 éves épület életciklust és 25 éves gépészeti életciklust feltételezve. Az életciklus leltár alapján kerültek meghatározásra az egyes alternatívák anyagés energiaáramai és ennek megfelelően az életciklus elementáris áramai. Az elementáris áramok környezeti hatásait összegezve üvegházgáz potenciált, savasodási és eutrofizációs potenciált, valamint bruttó energiamérleget határoztam meg. Az eredmények szerint jól látható, hogy az eredeti épület mind a négy mutató esetében a legmagasabb érékeket produkálja, vagyis a legjobban terheli a környezetet. Ezt követi a földgáz ház, amely még mindig jelentős üvegházgáz hatással bír. Itt a legkedvezőbb alternatíva a 40 cm-es vegyes hőszigeteléssel és radiátorfűtéssel ellátott Zöld ház (56 t CO2eq./életciklus). A savasodási potenciál szempontjából azonban a 10 cm polisztirollal szigetelt Földgáz ház a legkedvezőbb megoldás (492 kg SO2-eq./életciklus), bár itt az egyes alternatívák között nincs akkora különbség. Az eutrofizációs potenciál tekintetében megint csak kimagaslóan a legkedvezőbb megoldást a Földgáz ház jelenti (137 kg PO4eq./életciklus), és ez igaz a legkisebb energia-befektetés esetére is (6,9 TJ/életciklus). Tehát a Zöld ház egyedül az üvegházhatású gázok kibocsátásban jelent előrelépést, ugyanakkor az eutrofizációs potenciál esetében kifejezetten kedvezőtlenebb helyzetet eredményez úgy, hogy közben a savasodást okozó potenciálja nem csökken a Földgáz házhoz képest. Tehát a Zöld ház leginkább csak az üvegházhatású gázok elkerülése esetében éri meg. Összességében annak, aki rövidebb távon gondolkodik és nem annyira fontos számára, hogy kizárólag megújuló energiaforrással lássa el háztartását, a Földgáz ház felújítási csomagot javaslom. Ez a megoldás kényelmes, korszerű és a jelenlegi valamint a költségoptimalizált követelményszintnek is megfelelő alternatíva, ugyanakkor a jelenlegi körülmények között a legkedvezőbb megtérülési mutatóval jár. Abban az esetben, ha célunk a fosszilis tüzelőanyagtól való függetlenedés, és azt várjuk a jövőben, hogy ezen energiahordozók ára is növekedni fog, mindenképpen a Zöld ház a megvalósítandó alternatív, hiszen így a felújítás teljes életciklusa alatt nagyobb nettó jelenértéket produkál az energia-megtakarításból (59,5 MFt), mint a Földgáz ház (37,9 MFt). Ezzel a megoldással csaknem passzív ház kategóriájúvá alakítjuk át az épületet, függetlenítve 66
annak energiaellátását a földgáztól. A felújítás hatására az épület üzemeltetésének kényelmi fokozata azonban nem csökken nagymértékben a faelgázosító kazán és puffer tartály beépítésének köszönhetően. Egyetlen aggodalomra okot adó tényező a viszonylag vastag (40 cm) hőszigetelő réteg, mely a felújítás kivitelezésében főképpen az épület nyílászáróinál okozhat kivitelezési problémát. Ezért inkább a 20 cm vastag polisztirol szigetelés kivitelezése indokolt ugyanazon épületgépészeti elemek megvalósítása mellett.
67
6 Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretném kifejezni köszönetemet konzulensemnek Dr. Halász Györgynének, aki a téma kiválasztásától a munka leadásáig tanácsaival segítette a vállalt tervezési feladat elkészítését. Hasonlóképpen szeretném megköszönni Dr. Ádám Bélának és Nyárády Gábornak a HGD Kft-től, hogy ötleteikkel hozzájárultak a dolgozat felépítésének kialakításához és a számítások megkezdéséhez. Nagy köszönet illeti kollégámat, Váradi Istvánt, aki építészként hatalmas segítséget nyújtott a felújítási alternatívák és az építészeti vonatkozású kihívások megoldása során. Hasonlóképpen itt szeretném megköszönni Dodog Zoltán tanáromnak a konzultációs lehetőségeket és Szőnyi Csaba évfolyamtársamnak azt a rengeteg segítséget és ötletet, amelyek elengedhetetlenek voltak a tervezés és az értékelés jelenlegi formájának kialakításához. Hálával tartozom Dr. Podmaniczky László tanszékvezetőmnek is, aki a munkahelyemen mindvégig támogatta tanulmányaimat. Végül, de nem utolsó sorban rendkívül hálás vagyok feleségemnek és családom, akik végig támogatták tanulmányaimat és mellettem álltak ebben a nehezebb időszakban.
68
7 Irodalom Baumann M., Csoknyai T., Kalmár F., Magyar Z., Majoros A., Osztroluczky M., Szalay Zs., Zöld A. 2009. Épületenergetikai segédlet. PTE Pollack Mihály Műszaki Kar Beurskens, L.W.M., Hekkenberg, M. 2011. Renewable Energy Projections as Published in the National Renewable Energy Action Plans of the European Member States Covering all 27 EU Member States. European Energy Agency and the Energy Rearch Centre of the Netherlands p. 244. Büki G. 2014. Optimális energiatakarékosság – a hőszigetelés példáján. Magyar Energetika 2014/1 pp. 2-3 Chiovini Gy. 2014. Rezsicsökkentés épületgépészeti eszközökkel. Kondenzációs gázkazánok II. Víz, gáz, fűtéstechnika. Épületgépészeti szaklap. XV. évf. 7-8. szám, pp. 36-39. Fülöp O., 2011. NEGAJOULE 2020. A magyar lakóépületekben rejlő energiamegtakarítási lehetőségek. Energia Klub p. 25. Gyuricza Cs., Hegyesi J., Kohlheb N. 2011. Rövid vágásfordulójú fűz (Salix sp.) energiaültetvény
termesztésének
tapasztalatai
és
életcikluselemzésének
eredményei.
Növénytermelés, Akadémiai kiadó, 60. köt. 2. szám: 64-60 Marcsó S., Halász Gyné: Légtechnikai rendszerek éves energia fogyasztását befolyásoló tényezők. Nem publikált szakmai cikk Medgyasszay P., Beliczay E., Horváth S., Licskó B., Meydl Sz., Varga I. L. 2007. A Nemzeti Éghajlatváltozási Stratégia háttéranyagaként az éghajlatváltozás csökkentése és az alkalmazkodás lehetőségei az épített környezet alakításával. Független Ökológiai Központ Alapítvány, Klímapolitika – KvVM, Budapest Nagy B. 2014. Megújuló energia a panelházban. Megtérülő épületenergetika. 2014 szeptember-október. 20-24 pp. Naplopó, Napenergia-hasznosítás 2010/1 Nemzeti Épületenergetikai Stratégia, tervezet 2014 Augusztus, Budapest Osztroluczky M. 2011. A hőátbocsátási tényezőkre vonatkozó követelmény. Épületenergetikai szabályozás 2012-2019. Tervezet Pusztai Á. 2014. Egy évig fűteni 3200 forintból. Magyar Építéstechnika 2-3, pp. 28-29
69
Sára B. 2010: Az életciklus felmérés lépései, URL: http://enfo.agt.bme.hu/drupal/sites/default/files/LCA%20l%C3%A9p%C3%A9sei_0.pdf Schako 2013. Központi lakásszellőztető készülék. Szerelési- és kezelési utasítás. Severnyák K., Fülöp O. 2013. Épületek energetikai költségoptimalizált szintjének megállapítását megalapozó számítások. Energia Klub, Budapest Severnyák K., Kovács L. 2014. Épület + gépészet 1. Megtérülő Épületenergetika, 2014 szeptember-október, pp. 16-19 Simon B. – Tamaska L. (2012): Az életciklus-elemzés alkalmazása a WEEE feldolgozása esetén, URL: http://www.lca.hu/upload/TamaskaLaszlo.pdf Szalay Zs. 2007. Life cycle environmental impacts of residential buildings. Dissertation, Budapest University of Technology and Economics Szalay Zs., Csík Á. 2014. Optimalizáció az épületenergetikában. Megtérülő Épületenergetika 2014/1 Szlavik, M., Palvolgyi, T., Ürge-Vorsatz, D., Füle, M., 1999. Economics of Greenhouse Gas Limitations. Country Case Study. Hungary. Riso National Laboratory, Denmark. Ürge-Vorsatz, D., Novikova, A. 2008. Potentials and costs of carbon dioxid mitigation in the world’s buildings. Energy Policy 36, 642-661 pp. Ürge-Vorsatz, D., Arena, D., Herrero, S. T., Butcher, B. 2010. Employment Impacts of a Large-Scale Deep Building Energy Retrofit Programme in Hungary. 3CSEP, CEU, European Climate Foundation p. 157. Váradi I. 2014. Szóbeli közlés Váraljai E., Szalay Zs., Csík Á. 2014. Energiahatékony épületfelújítás – mi lehet az optimális megoldás? Megtérülő épületenergetika. 2014 szeptember-október. 41-44 pp. Várfalvi J., ifj. Várfalvi J. 2014. Lakások szellőzésének néhány kérdése az épületfizikai minőség szemszögéből. Víz, gáz, fűtéstechnika. Épületgépészeti szaklap. XV. évf. 4. szám, pp.83-88
70
Internetes hivatkozások http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2011:0109:FIN:HU:HTML. Letöltés dátuma: 2014. október 20. http://www.parlament.hu/documents/10181/73472/Infojegyzet_2014_17_energiahatekonysag. pdf. Letöltés dátuma: 2014. október 20. http://zbr.kormany.hu/download/c/6c/40000/Magyarorsz%C3%A1g%20II%20Nemzeti%20E nergiahat%C3%A9konys%C3%A1gi%20Cselekv%C3%A9si%20Terve.pdf. Letöltés dátuma: 2014. október 20. http://www.procent.net/weboldal2/epuletenergetika/%C3%89p%C3%BCletenergetikai_k%C 3%B6vetelm%C3%A9nyek_2012-2019.pdf. Letöltés dátuma: 2014. október 10.
71
NYILATKOZAT Alulírott Kohlheb Norbert a Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar gépészmérnök (BSc) szak végzős hallgatója nyilatkozom, hogy az „Épületenergetikai felújítás optimális megújuló energiaforrás kiválasztásával” címmel védésre benyújtott szakdolgozat saját munkám eredménye, amelynek elkészítése során a felhasznált szakirodalmat a szerzői jogi szabályoknak megfelelően kezeltem.
Gödöllő, 2014. november 7.
………………………… (név)
72
8 Mellékletek I. Beszerzési listák II. Energetikai tanúsítványok III. Hidraulikai méretezés eredményei IV. Műszaki rajzok V. Gazdaságossági kalkulációk VI. Életciklus elemzések felépítése
73
