SZENT ISTVÁN EGYETEM
TRANSZPARENS HėSZIGETELÉSEK ALKALMAZÁSA PASSZÍV SZOLÁRIS RENDSZEREKBEN Doktori értekezés tézisei
SzĦcs Miklós
GödöllĘ 2005.
A doktori iskola
megnevezése:
MĦszaki tudományi
tudományága:
AgrármĦszaki
vezetĘje:
Dr. SzendrĘ Péter DSc egyetemi tanár, a mezĘgazdasági tudomány doktora SZIE, Gépészmérnöki Kar, Géptani Intézet
témavezetĘ:
Dr. Farkas István DSc egyetemi tanár, tanszékvezetĘ, a mĦszaki tudomány doktora SZIE, Gépészmérnöki Kar, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék
………………………………… Az iskolavezetĘ jóváhagyása
……………………………… A témavezetĘ jóváhagyása
2
1. A MUNKA ELėZMÉNYEI, KITĥZÖTT CÉLOK 1. 1. ElĘzmények A Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karán, a Fizika és Folyamatirányítási Tanszéken 1996-ban Phare- támogatással kísérleti és demonstrációs célú integrált napenergia-hasznosító rendszer létesült, melynek egyik elemét a tanszék tetĘterasza melletti Ny-i tájolású homlokzati falon utólag felszerelt, két darab üvegezett modulból álló, polikarbonát anyagú transzparens hĘszigetelésĦ falszerkezet alkotja. E falszerkezet megépítése, több éves idĘtartamú monitorozása és számítógépes modellezése a PhD. munkám részét képezte. Magyarországon jelenleg még nem állnak rendelkezésre publikált adatok, tapasztalatok a transzparens hĘszigetelésĦ falszerkezetek hazai alkalmazásával kapcsolatban, ezért - a fĘként német és angol nyelvĦ - publikációk áttekintésén túl, több külföldi tanulmányúton és nemzetközi konferencián vettem részt a már megvalósult transzparens hĘszigetelésĦ épületek néhány kiemelkedĘ példájának tanulmányozása, szakirányú ismereteim elmélyítése, valamint a szerkezettervezéssel kapcsolatos tapasztalatcsere céljából. 1.2. Célok, feladatok A kutatómunka célkitĦzései: 1.
A transzparens hĘszigetelĘ anyagok különféle passzív szoláris rendszerekben való alkalmazhatóságának vizsgálata,
2.
A transzparens hĘszigetelésĦ rendszerek szoláris hĘnyereségének mértékét meghatározó tényezĘk vizsgálata, részben a kontakt-, és a konvektív szolárfalak néhány jellemzĘ változatát modellezĘ minta hĘátbocsátási-, részben a különféle vastagságú, felületi kialakítású, rétegszámú és színĦ üvegrétegek, üvegezett szendvicsszerkezetek valamint fólia rétegek fényáteresztési jellemzĘi alapján,
3.
A transzparens hĘszigetelésĦ falszerkezet blokkorientált rendszermodelljének felállítása MATLAB+SIMULINK programcsomag felhasználásával,
4.
A transzparens hĘszigetelĘ anyagok és a felhasználásukkal készített szerkezetek ökológiai-, és szerkezettervezési szempontokon alapuló értékelemzési módszerének kidolgozása,
5.
Egy meglévĘ épület szoláris felújításának példáján keresztül a különféle passzív szoláris rendszerek, ezen belül a különféle anyagú és vastagságú transzparens hĘszigetelésĦ, üvegezett szerkezetek hatékonyságának elemzése,
6.
A helyi-, természetes eredetĦ, környezetbarát építĘanyagok közül az ökológiai- és ökonómiai szempontból egyaránt kedvezĘ megoldást kínáló nádnak, mint „részben transzparens” hĘszigetelĘ anyagnak a hĘ- és páratechnikai-, fényáteresztési-, valamint tĦzvédelmi jellemzĘinek a vizsgálata,
7.
A transzparens hĘszigetelĘ anyagok és szerkezeteik jellemzĘ tervezési kivitelezési hibáinak áttekintése, rendszerezése.
3
A kitĦzött célok megvalósításához megoldandó feladatok a következĘk Az 1., 3., és a 6. pontbeli célok megvalósítását a vonatkozó szakirodalom alapos áttanulmányozásán túl jelentĘs részben a PhD. munka keretében közremĦködésemmel tervezett és megvalósított kísérleti és demonstrációs célú transzparens hĘszigetelésĦ falszerkezet megépítése segíti (a falszerkezet tervezésével, kivitelezésével együtt járó tapasztalatok megszerzése, valamint a több éves monitorozással nyert adatok, szimulációs eredmények felhasználásával), A különféle fényáteresztĘ transzparens hĘszigetelésĦ rendszerek szoláris hĘnyereségének mértékét meghatározó optikai és hĘátbocsátási jellemzĘket különféle laboratóriumi eszközökkel (Ulbricht-gömbbel, spektrofotométerrel, luxmérĘvel valamint a PhD munka keretében újonnan kifejlesztett laboratóriumi mérĘasztal) segítségével vizsgálom meg.(ld. 2.p.) A megvizsgált mintákat célszerĦ úgy összeállítani, hogy a transzparens hĘszigetelésĦ kontakt-, és konvektív szoláris rendszereket modellezzék, illetve a mérések adatai e rendszerek kialakításával kapcsolatos lényeges adatokat szolgáltassanak, A TH anyagok és a felhasználásukkal készített szerkezetek ökológiai-, és szerkezettervezési szempontokon alapuló értékelemzési módszerének kidolgozása során a megkövetelt tulajdonságok új szemléletĦ, „súlyozásos” figyelembevételét igénylĘ új módszer kidolgozására van szükség, tekintettel arra, hogy a tulajdonságok jelenleg gyakran alkalmazott, súlyozás-mentes figyelembevétele egyes szélsĘséges esetekben (pl. igényes belvárosi -, illetve a legegyszerĦbb gazdálkodó épületeknél esetenként félrevezetĘ lehet (ld. 4.p.), A meglévĘ épületek szoláris felújítása során alkalmazott direkt és indirekt passzív szoláris rendszerek kialakításuktól, elhelyezkedésüktĘl, anyagaik fizikai jellemzĘitĘl függĘ, eltérĘ mértékben járulnak hozzá az eredeti épület szoláris hĘnyereségéhez. A különféle passzív szoláris rendszerek, ezen belül transzparens hĘszigetelésĦ rendszerek különféle változatai hatékonyságának elemzését célszerĦ ezért egy megvalósult épület példáján épületenergetikai programmal elvégezni (ld. 5.p.), A transzparens hĘszigetelĘ anyagok igen jelentĘs része napjainkban energiaigényes technológiával, mesterséges anyagokból (PC, PMMA, üveg) igen költséges szerkezetként készül, ezért megvizsgálom azokat a megoldásokat, amelyek az általában igen jelentĘs beruházási-, és hulladékkezelési költségeket mérséklik. Ennek érdekében kidolgozom a nád, mint helyi természetes építĘanyag „részben fényáteresztĘ” transzparens hĘszigetelésként történĘ alkalmazásának alapvetĘ szerkezeti változatait, valamint áttekintem a különféle transzparens hĘszigetelĘ anyagok újrahasznosítási lehetĘségeit (ld. 6. p.), A TH anyagok és szerkezeteik jellemzĘ tervezési - kivitelezési hibáinak áttekintéséhez, rendszerezéséhez a hibák okainak feltárása elengedhetetlenül szükséges. A meghibásodások okainak feltárása nemcsak az épületfenntartás, hanem az átgondolt tervezés szempontjából is igen fontos (ld. 7. p.).
4
2. ANYAG ÉS MÓDSZER 2.1. Transzparens hĘszigetelésĦ fal építése, termikus jellemzĘinek vizsgálata A megépült transzparens hĘszigetelésĦ (TH) falszerkezet a Szent István Egyetem Fizika és Folyamatirányítási Tanszékén kiépített integrált napenergia-hasznosító rendszer részét képezi. A két darab, egyenként 1462x2256 mm méretĦ üvegezett szendvics- szerkezetĦ transzparens hĘszigetelĘ modul a Tanszék nyugati homlokzati falán került elhelyezésre a tetĘterasz felĘl megközelíthetĘ módon. A meglévĘ falszerkezet anyaga 51 cm vastag, két oldalán vakolt 45 cm tömör tégla falazat, amelynek a TH modulokkal fedett, külsĘ sima vakolt felületét fekete színĦ homlokzatfestéssel abszorber felületként képeztem ki. A transzparens hĘszigetelés keretszerkezetét KÖMMERLING rendszerĦ hĘhíd-mentes, acélvázzal erĘsített kemény PVC növényházi profilok képezik. A külsĘ 6 mm vastag és a belsĘ 4 mm vastag üvegezés közé 100 mm vastag „méhsejt”-struktúrájú (AREL típusú) polikarbonát transzparens hĘszigetelĘ anyag került elhelyezésre, a belsĘ oldali üvegezéshez illesztve, elĘtte 40 mm légrés biztosításával. A belsĘ oldali üvegréteg és az abszorber-réteg közötti 1 cm vastag légrés a páranyomás-kiegyenlítĘdését és a szerkezetek hĘtágulásának mérséklését biztosítja. (ld. 1. ábra)
1.ábra. Transzparens hĘszigetelésĦ fal alaprajza és homlokzati nézete
5
A szerkezet nyári túlmelegedésének elkerülésére külsĘ oldali árnyékoló textília került elhelyezésre, de az üvegezett szerkezet 40 mm vastag légrésében a késĘbbiekben automatikus mĦködtetésĦ, csĘmotorral mozgatott textília, esetleg zsalúzia is elhelyezhetĘ. A meglévĘ falszerkezeten áthaladó hĘáramok és a fal felületi hĘmérsékletének mérésére érzékelĘk kerültek a fal külsĘ és belsĘ síkjára a vizsgált felületek geometriai középpontjában elhelyezve. A hĘfluxus mérésére az AHLBORN 118 típusjelĦ, 120x120 mm felületĦ érzékelĘlapok a panelek mögött középen, a vakolt falfelület külsĘ és belsĘ oldalán kerültek elhelyezésre, hĘvezetĘ pasztába ágyazva, szélein rögzítve, (összesen 4 db). A fal felületi hĘmérsékletének mérési adatait PT 100-as platina érzékelĘk (összesen 4 db) szolgáltatják, amelyek a hĘáram-mérĘk közvetlen közelében helyezkednek el. A hĘárammérĘk és a hĘmérséklet-érzékelĘk abszorber felületen történĘ elhelyezésének célja, hogy az abszorber felület hĘmérséklete is monitorozható legyen. (ld. 1. tézis) Az érzékelĘk a belsĘ térben elhelyezett ADAM típusú adatgyĦjtĘn keresztül kapcsolódnak a monitorozó számítógéphez, amelynek közvetlen hozzáférése van a meteorológiai állomás által szolgáltatott adatokhoz is. A transzparens hĘszigetelésĦ fal 2001/2002. évi, a 2002/2003. és a 2003/2004. évi fĦtési idĘszakban mért szoláris hĘnyereségeit (havi bontásban) a 2. ábra szemlélteti.
A transzparens szigetelésĦ fal energiahozama a három fĦtési idĘszakban (200-2002; 2002-2003; 2003-2004) 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 október 15-tĘl
november
2001-2002
december
január
2002-2003
február
március
április 15-ig
2003-2004
2. ábra. A transzparens hĘszigetelésĦ fal energiahozama három fĦtési idĘszakban (okt.16.ápr.15.) havonkénti bontásban (2001/2002: 58,929 kWh/m2, 2002/2003: 58,72 kWh/m2, 2003/2004: 50,6 kWh/m2) A falfelületek hĘáramlási viszonyait FLIR-E2 típusú infrakamera segítségével végzett termovíziós vizsgálattal is elemeztem. A megépített TH fal blokkorientált rendszermodelljének Matlab+Simulink programcsomag felhasználásával
felállítása
A TH fal blokkorientált rendszermodelljének elkészítéséhez a falon áthaladó hĘáramra felírható mérlegegyenletet vettem alapul (Goetzberger-Wittwer, 1993): 6
q Fal
(U Fal /(U Fal U TH ))(U TH (Tb Tk ) S )
ahol: 2 qTH a transzparens hĘszigetelésen áthaladó hĘáram [W/m ] 2 q Fal a falszerkezeten áthaladó hĘáram [W/m ] 2 S a globál sugárzás fal által abszorbeált része [W/m ] ( S W D G ahol IJ transzparens hĘszigetelés fényáteresztésének mértéke [-], Į a transzparens hĘszigetelésĦ fal abszorpciója [-], G a globál sugárzás mértéke [W/m2]) U Fal a falszerkezet hĘátbocsátási tényezĘje [W/m2K] U TH a transzparens hĘszigetelés hĘátbocsátási tényezĘje [W/m2K] Tb belsĘ hĘmérséklet [oC] o Tk külsĘ hĘmérséklet [ C] A termikus modell-összefüggések alapján elkészítettem a TH fal blokkorientált rendszermodelljét (ld. 2. tézis). A szimuláció során a külsĘ levegĘ hĘmérséklete és a falra érkezĘ globál- sugárzás mérési eredményeinek felhasználásával ún. „gray-box” modellt alkalmaztam. A sugárzásmérĘ szenzorok úgy lettek beállítva, hogy negatív értékeket mutassanak, ha a hĘ a külsĘ térbĘl a szoba felé áramlik (szoláris hĘnyereség esetén). 2.2. Transzparens hĘszigetelĘ anyagok és transzparens határoló felületĦ szendvics szerkezeteik termikus- és optikai jellemzĘinek vizsgálata - TH anyagok termikus jellemzĘinek vizsgálata mérĘasztal segítségével Kisebb méretĦ transzparens hĘszigetelésĦ anyagminták termikus jellemzĘinek (valamint fényáteresztésének) összehasonlító vizsgálatára alkalmas mérĘasztalt fejlesztettem ki, amelynek segítségével különféle hullámhossz-tartományban és különféle idĘintervallumokban vizsgálhatók az anyagminták 120 mm vastagságig. (ld. 3. tézis) A mérĘasztal két fĘ része a három rekeszre osztott asztallap valamint a mesterséges megvilágítást biztosító lámpákat tartó állványszerkezet (3. ábra).
3.ábra MérĘasztal kialakítása
7
A rekeszekben hĘszigetelĘ alátétlemezek találhatók, melyek közepén, a hĘszigetelésbe süllyesztetten helyezhetĘk el a hĘmérséklet-érzékelĘk (Ni-CrNi, Therm 2220-12 tip). A mintákat az asztallap felett ismert intenzitású, illetve spektrális eloszlású mesterséges fényforrások világítják meg (Tungsraflex R63 típ. (60W-os), illetve Infrarubin típ. (250 W-os) izzók), melyek távolsága az asztallapra merĘleges irányban beállítható magasságú a függĘleges állványszerkezeten. (ld. 3. tézis) A fejlesztés alatt lévĘ érzékelĘ-, és adatgyĦjtĘ rendszerben a hĘmérséklet mérése egy LM 335 típusú integrált áramkörös érzékelĘvel történik, 0,1 oC pontossággal. Demonstrációs és oktatási célok érdekében mindhárom rekesz pillanatnyi hĘmérsékletét egy három digites kijelzĘ egy másodpercenkénti frissítéssel mutatja. A mérési adatok késĘbbi kiértékelés céljából tárolásra kerülnek, így kutatási célokat is támogat az eszköz. Az adatgyĦjtés az asztalhoz kifejlesztett adatgyĦjtĘvel történik autonóm módon. Ha a hĘmérséklet alakulásának valós idejĦ, vizuális nyomon követése szükséges, az eszköz számítógéphez kapcsolva, valós idejĦ megjelenítésre is alkalmas. - TH-anyagok fényáteresztésének mérése Fényáteresztés mérése Ulbricht-gömbbel: A vizsgálathoz felhasznált mérĘberendezés a Hannoveri Egyetemen (Institut für Technik in Gartenbau) található 1m átmérĘjĦ Ulbricht-gömb, amelynek belsĘ felülete fehérre van festve. A fényerĘsséget fotocella méri, mely a gömb felsĘ peremén helyezkedik el. Direkt fénysugárzás elĘállítása egy vízszintes tengely körül forgatható fényszóró segítségével történik. A zenittávolság 10 fokonként állítható. A fényszóró lámpateste belülrĘl feketére van festve, melyben 150 W-os halogén vetítĘlámpa helyezkedik el. A beépített lencse segítségével csaknem párhuzamos fénynyaláb állítható elĘ. A fényszóró tengelye 1,4 m átmérĘjĦ kerek, fogatható asztal fölött helyezkedik el, melynek a közepén egy négyzetes nyílás található. A mintákat különféle, -a vizsgálati anyagnak megfelelĘ méretĦ- szĦkítĘ keretek segítségével vizsgáltam fényáteresztés szempontjából. Diffúz fény elĘállítására az egyben a mérĘhely lefedését képezĘ, belsĘ felületén fehérre festett 4 m átmérĘjĦ félgömb szolgált, melynek középpontja a forgatható asztal közepe. Hat fénycsĘ-párból (THLW 86, TLF 65 W34) valamint reflektorokból álló fénykoszorúval a félgömb belseje úgy világítható meg, hogy diffúz fényt ver vissza anélkül, hogy árnyék keletkezne. A vizsgáló terem és minden épületszerkezet -a félgömböt kivéve- fekete festéssel van ellátva. Az Ulbricht –gömb segítségével összefüggést állapítottam meg a méhsejt-, és a kapilláris struktúrájú transzparens hĘszigetelések anyagszerkezete, és a transzparens hĘszigetelĘ anyagok változó beesési szögek mellett a határhelyzetekben mérhetĘ fényáteresztésének helyi maximumai között, direkt megvilágítás esetén. (ld. 4. tézis) Fényáteresztés mérése SHIMADZU UV-120-02 típ. spektrofotométerrel: A SZIE MGK Kémia Tanszékén található SHIMADZU UV-120-02 spektrofotométer segítségével 200–1000 nm-es mérési tartományban mértem különféle anyagú és vastagságú-, különféle rétegszámú, valamint újrahasznosított transzparens hĘszigetelĘ anyagok fényáteresztését. A 8
típusú meg a egyes mérés
megkezdése elĘtt a nullázást a nullázó potenciométerrel végeztem el, majd a fólia mintákat küvettába, az üveglapokat küvetta nélkül helyeztem el a küvetta-tartóba. A mĦszeren közvetlenül leolvasható volt a vizsgált minta transzmissziója. Fényáteresztés mérése Spektromom 401 fényelektromos fotométerrel: A különféle anyagában színezett, és különleges építészeti üvegek és fóliák, valamint ömlesztett törmelék-anyagok fényáteresztésének összehasonlító elemzését a BMGE, ÉpítĘanyagok Tanszék laboratóriumában végeztem el Spektromom 401 fényelektromos fotométer készülékkel, 400, 430, 480, 520, 540, 570, 620, 670 nm spektrális fényáteresztésĦ színszĦrĘk alkalmazásával, és szelén fényelem érzékelĘ segítségével. A mérés megkezdése elĘtt a sugármenetbe helyeztem a szükséges színszĦrĘt, majd a nullázást a nullázó potenciométerrel végeztem el. Ezt követĘen a mintákat küvettába, (üveglapokat anélkül) helyeztem el a küvetta tartóba. A mĦszeren ezt követĘen közvetlenül leolvasható volt a vizsgált minta fényáteresztése. A különféle sík-, és mintázatos színtelen és színes üvegek fényáteresztése között belsĘ összefüggéseket határoztam meg (ld. 5. tézis) Fényáteresztés mérése luxmérĘvel: A mesterséges megvilágítást a már ismertetett mérĘasztalhoz rögzített függĘleges állványzathoz 30 cm távolságban rögzített, Tungsraflex R63 típusú fényforrás biztosította. A különféle vastagságú transzparens hĘszigetelĘ anyagok fényáteresztésének mérését luxmérĘvel végeztem. 2.3. A transzparens hĘszigetelésĦ szerkezetek ökológiai értékelése Az általam javasolt ökológiai-szerkezeti mutató a tervezett szerkezeteknek az ökológiai megfelelĘségére ad közvetlen tájékoztatást. (Az értékelés módszerének leírása a 6. tézis-ponthoz kapcsolódik.) A transzparens hĘszigetelésĦ szoláris rendszerek ökológiai minĘsítésének alapjául szolgáló elsĘdleges és másodlagos szempontokat az 1. és 2. táblázat tartalmazza. 1. táblázat. Transzparens hĘszigetelésĦ falszerkezetek ökológiai értékeléséhez tartozó bázispontszámok javasolt értékei Ökológiai szempontok
Pontszám összesen (max.: 50p) (max.:40p)
- ElsĘdleges szempontok: - a felhasznált alap- és szerkezeti anyagok életpályájuk alatt (anyag kitermelése, beépítése, bontása) kis energiaigényĦek legyenek - az alapanyag gyártása során ne keletkezzen káros környezetszennyezés (hulladék és emisszió)
9
Pontszám értékhatárok
0…8
0…8
- alap- és segédanyagaik valamint szerkezeteik újrahasznosíthatók legyenek - természetes anyag legyen (a természetes környezetbe visszaforgatható legyen) - minimális szállítási igény a felhasználás egésze során (lehetĘleg helyi anyag legyen) - a tervezett élettartamon belül tartós és felújítható legyen - kedvezĘ építésbiológiai és pszichikai hatás - külsĘ- és belsĘ környezetbe illĘ, egyedi, esztétikus megjelenés - Másodlagos szempontok - elĘállítása olcsó legyen* - decentralizált helyi gyártása megoldható legyen (helyi munkaerĘ foglalkoztatása, különös tekintettel a hátrányos helyzetĦ térségekre) - ne igényeljen nagy beruházást a gyártás - a gyártás folyamatos (ne csak szezonális jellegĦ legyen) - a gyártás energiaigénye megújuló energiaforrásokkal biztosítható legyen
0…4
0…4
0…4
0…4 0…4 0…4 (max.: 10p) 0…2 0…2
0…2 0…2 0…2
*Megjegyzés: a pontszámhatár egyes esetekben növelhetĘ az összpontszámon (10p) belül a többi szempont pontszámainak rovására.
2. táblázat. Transzparens hĘszigetelésĦ falszerkezetek szerkezettervezési szempontjainak értékeléséhez tartozó bázispontszámok javasolt értékei (azonos tájolási és benapozási feltételek mellett) Szerkezettervezési szempontok Pontszám Pontszám összesen értékhatárok (max.:50p) - ElsĘdleges szempontok. (max 40 p) - fény (összenergia-) áteresztés 0…8 kedvezĘ mértéke és UV stabilitás - hĘvezetési tényezĘ(Ȝ) kedvezĘ 0…8 (alacsony) mértéke - hĘállóság 0…6
10
- a külsĘ fal megfelelĘ (> 2000 kg/m3) sĦrüsége - A külsĘ falszerkezet vastagsága - a tok/szárnyszerkezet hĘszigetelése - az abszorber felület anyaga, színe - a hĘszigetelĘ anyag önszabályzó (túlmelegedéstĘl védĘ) mechanizmusa - Másodlagos szempontok. - - a hĘszigetelĘ elemek hagyományos (opaque) hĘszigetelĘ rendszerekbe történĘ integrálhatósága* - elĘre gyárthatóság (üzemben elĘre összeszerelt elemes) építésmód - kiegészítĘ szabályozható árnyékoló szerkezetek integrálhatósága - készítése, karbantartása kevés szakmunkát igényeljen (ezáltal önerĘs kivitelezésre is alkalmas legyen) - Ęrizze meg a helyi munkaigényes kézmĦves jellegĦ helyi építési hagyományokat
0…6 0…3 0…3 0…3 0…3
(max. 10p) 0…2
0…2 0…2 0…2
0…2
*Megjegyzés: a pontszámhatár egyes esetekben növelhetĘ az összpontszámon (10p) belül a többi szempont pontszámainak rovására
2.4. Új nád-szolárfalak szerkezetei A nád-szolárfalak különféle szerkezeti megoldásainak kidolgozásával az volt a szándékom, hogy megvizsgáljam a nádnak, mint környezetbarát helyi építĘanyag a felhasználási lehetĘségeit a „részben fényáteresztĘ” TH szerkezetek építése területén. Nád szolárfal-minták laboratótiumi vizsgálata A méréshez két mintát készítettem elĘ: 1. sz. minta: Két oldalán (5mm síküveggel) üvegezett transzparens nád-szolárfal modul, 5cm vtg. nád TH anyaggal, 2. sz. minta: Egyik oldalán (5mm síküveggel) üvegezett, másik oldalán rétegelt lemezzel borított átlátszatlan (opaque) nád-szolárfal modul, 5cm vtg. nád TH anyaggal. A beépített nád TH anyag és a külsĘ üvegréteg között mindkét esetben 15 mm vtg. légréteg helyezkedett el. A nád-szolárfal minták hĘtechnikai jellemzĘinek mérését az ÉMI Kht. Épületszerkezeti Tudományos Osztályán Holometrix-Rapid-K RK-80a típusú készülékkel végeztem. A mérések alapján az alábbi következtetések vonhatók le:
11
- A minták hĘvezetési ellenállásai alapján a kapilláris struktúrájú nád TH anyagra meghatározott Ȝ = 0,122…0,134 W/mK értékeket összevetve a szintén kapilláris struktúrájú PC, anyagok Ȝ = 0,1 W/mK értékével, az eltérés abszolút értéke 0,022…0,034 ami a gyakorlati felhasználás szempontjából nem jelentĘs mértékĦ. Az igen eltérĘ anyagfajták esetében a hĘvezetési tényezĘ szempontjából az anyagszerkezet kialakításának meghatározó szerepe van. - A nád-szolárfal minták közül a 2. sz. minta hĘvezetési ellenállása a kedvezĘbb (R2 = 0,6174 W/mK) az 1. sz. mintáénál (R1 = 0,5676 W/mK). A kísérleti nádfal szerkezeti kialakítása A laboratóriumi vizsgálatokat követĘen valóságos szerkezeti méretĦ és kialakítású kísérleti nád-szolárfal építését tĦztem ki célul. A gyors helyszíni szerelés érdekében a nádfalat 3db elĘre gyártott modulból építettem fel, átlátszatlan- és fényáteresztĘ változatban. A kísérleti fal hĘhíd-mentes, acélvázzal erĘsített, kemény PVC profilok felhasználásával készített üvegezett keretszerkezete a nád-szolárfal építése során változatlanul megmaradt (a korábbi PC transzparens hĘszigetelés minta helyére kerültek a nádfal-modulok). A hátoldali (fal felöli) üveglap a nádfal beépítése során elmaradt, mert ezt a modulok hátoldalát lezáró-, és lécváz-keretükhöz csavarozással rögzített farostlemez, illetve üveglap helyettesíti. A modulok hátoldala és az abszorber-felület között a meglévĘ távtartó meghagyásával továbbra is megmaradt a hĘ-, és páranyomás kiegyenlítĘ 1 cm vastag légrés. A kísérleti nádfalak anyagjellemzĘinek vizsgálatán, valamint monitorozásán alapuló új tudományos eredményeket a 7. tézis tartalmazza. 2.5. Egy meglévĘ lakóépület passzív szoláris rendszerekkel történĘ energiatudatos felújításának elemzése A meglévĘ eredeti épület-, valamint a passzív szoláris felújítás I. és II. ütemének energetikai jellemzĘit a 6B REHAB épületenergetikai program algoritmusát felhasználó ISOVER programcsomag segítségével határoztam meg. A szoláris felújítás I. ütemében az épületenergetikai program segítségével különkülön, majd együtt is elemeztem az egyes szerkezeti változtatások hatását a meglévĘ eredeti épület egészének energetikai jellemzĘihez viszonyítva. - Külön, az épület utólagos hĘszigetelésével az eredeti fĦtési igény 83, 8%-ra, az eredĘ hĘátbocsátási tényezĘ 83,3%-ra mérsékelhetĘ, változatlan szoláris nyereség mellett, ami jól szemlélteti az utólagos hĘszigetelések készítésének fontosságát és hatékonyságát. - Új ablakok beépítésével és a meglévĘ ablakok fokozott hĘszigetelésĦre történĘ cseréjével ez esetben a hasznos szoláris nyereség 7,4%-kal növelhetĘ ugyan, de ez a fĦtési költség mindössze 0,3%-os csökkenését eredményezné, ugyanakkor a megnövelt üvegfelületek megnövelt transzmissziós veszteségei miatt az eredĘ hĘátbocsátási tényezĘ mintegy 4,2%-os romlásával is kell számolni. - Naptér utólagos hozzáadásával jelentĘsen (10,33%-kal) megnövelhetĘ a hasznos szoláris nyereség mértéke, de ennek csak csekély mértékĦ (0,24%-os ) mérséklĘ hatása érzékelhetĘ az épület fĦtési energiafogyasztásában, és az elĘbbi
12
változathoz hasonlóan az eredĘ hĘátbocsátási tényezĘ ez esetben is (5 %-kal) növekedett. (ld. 4.a, 4b ábra)
a
b 4. ábra MeglévĘ lakóház szoláris felújítása a) Nyugati homlokzata naptérrel, b) DK-i (transzparens hĘszigetelésĦ) homlokzat A szoláris felújítás I. üteme összefoglalásául megállapítható, hogy a meglévĘ épületek hatékony szoláris energia nyereség melletti legnagyobb fĦtési energia-megtakarítása csak a különféle passzív szoláris rendszerek együttes alkalmazásával, megfelelĘen méretezett utólagos külsĘ hĘszigeteléssel lehetséges. 13
A II. ütemben az épület DK-i homlokzatán elhelyezett, 47 m2 felületĦ transzparens hĘszigetelésĦ fal (ld. 4b ábra), kétoldali 5 mm vastag üvegréteg közötti különféle (a külsĘ üvegtábla mögött 40 mm légréssel kialakított, különféle vastagságú, fényáteresztésĦ, és hĘvezetési ellenállású TH anyagok beépítésével kialakított) változatainak az egész épület energiamérlegére gyakorolt hatását vizsgáltam meg, azzal a feltétellel, hogy az I. ütem munkálatai elkészültek. Az I. üteméhez képest az épület fĦtési energiafogyasztásának csökkentése a vizsgált szerkezetek mindegyikével fokozható, a kialakításuktól függĘ eltérĘ mértékben: legkedvezĘbbek a legnagyobb szerkezeti vastagságú, legnagyobb fényáteresztésĦ és hĘvezetési ellenállású TH anyagok valamint a kis szerkezeti vastagságú, de nagy fényáteresztésĦ és hĘvezetési ellenállású aerogélek, a fennmaradó anyagok esetén az épület fĦtési energiaigénye és átlagos eredĘ hĘátbocsátási tényezĘje közel megegyezĘ. Ez utóbbi eredmény különösen a nád-szolárfal tekintetében figyelemreméltó, hiszen a „hagyományos” TH anyagokéhoz képest jelentĘsen eltérĘ fizikai jellemzĘk ellenére csak 1…9 %-kal kisebb a hasznosítható szoláris energianyereség (ld. 5. ábra), és 3…10 %-kal kisebb a fĦtési energia-megtakarítás mértéke, mint a számítás szerinti legkedvezĘbb 10 cm vastag PMMA és PC anyagok estében.
5. ábra A felújított épület energetikai jellemzĘi transzparens hĘszigetelés alkalmazásával Éves összesített szoláris energia-nyereségek a TH falon és a transzparens hĘszigetelésĦ egész épületre vonatkoztatva a szoláris épületfelújítást követĘen.
14
3. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK A transzparens hĘszigetelések anyagainak és szerkezeti rendszereinek - jelenleg csak külföldön gyártott - változatainak átfogó bemutatásával-, valamint üzembe helyezett transzparens hĘszigetelĘ rendszerek hosszú idĘtartamú monitorozáson alapuló értékelésével és szimulációjával kapcsolatban eddig nem álltak rendelkezésre magyarországi adatok, publikációk. A 2006 januárjában bevezetésre kerülĘ új épületenergetikai szabályozás bevezetéséhez és gyakorlati alkalmazásához ezért véleményem szerint fontos adalékot jelentenek a passzív szoláris rendszerek e sajátosan új rendszerének alkalmazásával kapcsolatos elsĘ hazai tapasztalatok. 1) A doktori munkám során a transzparens hĘszigetelĘ anyagok termikus jellemzĘinek hosszabb idĘtartamú vizsgálatára alkalmas kísérleti és demonstrációs célú transzparens hĘszigetelésĦ falat fejlesztettem ki, amely a SZIE Fizika- és Folyamatirányítási Tanszéken megvalósult integrált napenergia-hasznosító rendszer részét képezi. (ld. Értekezés 3.1.1. pont) A meglévĘ falszerkezet külsĘ síkjához rögzített, üvegezett szerkezet külsĘ ablakszárnyának leemelésével a hĘszigetelt tokszerkezetbe – annak mozgatása nélkül – különféle transzparens hĘszigetelĘ anyagok helyezhetĘk el. A hĘáramok-, valamint a fal felületi hĘmérsékletének mérésére alkalmas érzékelĘket nemcsak a falfelület belsĘ oldalának közepén, a falazat hĘnyereségeinek mérésére, hanem a falfelület külsĘ oldalán (középen) is elhelyeztem, annak érdekében hogy az abszorber felület hĘmérséklete és hĘáramai is monitorozhatók legyenek. 2. Fizikai alapú egyenletek és a hosszú idĘtartamú mérési adatok felhasználásával elkészítettem a transzparens hĘszigetelésĦ fal blokkorientált rendszermodelljét. (ld. Értekezés 3.1.5. pont) A blokkorientált modell két bemeneti adata a külsĘ hĘmérséklet és a globálsugárzás falra esĘ része, a kimeneti oldalon az energianyereség értékeit kapjuk meg. A feladat megoldásához szükséges paraméterek értéke: Ufal= 1,229 W/m2oK, UTH= 0,749 W/m2 , IJ=0,85; Į=0,75. A paramétereket behelyettesítve: x
q Fal
0,465 (Tb Tk ) 0,3943 G
A fentiek alapján a A transzparens szigetelésĦ fal blokkorientált modelljét MATLAB +SIMULINK-ben a 6. ábra, a mért-, és szimulált hĘáramlási viszonyokat a TH szerke-
6 ábra. A transzparens szigetelésĦ fal blokkorientált modellje MATLAB+SIMULINK-ben 15
zetben a 7. ábra, a szimulált függvényt és egyenletét a 8. ábra szemlélteti.
7. ábra A mért-, és szimulált hĘáramlási viszonyok a TH falszerkezetben (2003.02.05.-én mért adatok felhasználásával) A szimulált függvény egyenlete (ld. 8.ábra): y 4 10 8 x 6 5 10 6 x 5 0.0002 x 4 0.0007 x 3 0.0491 x 2 0.7833 x 1.6907
8. ábra A szimulált függvény egyenlete
16
3) Kisebb méretĦ transzparens hĘszigetelésĦ anyagminták termikus jellemzĘinek valamint fényáteresztésének összehasonlító vizsgálatára alkalmas mérĘasztalt fejlesztettem ki, amelynek segítségével különféle hullámhossz-tartományban és különféle idĘintervallumokban vizsgálhatók az anyagminták. (ld. Értekezés 3.2. pont) A kontakt szolárfalak szerkezeteit modellezĘ kiválasztott 4 cm és 10 cm vastag polikarbonát méhsejt-struktúrájú transzparens hĘszigetelés minták hĘátbocsátásával kapcsolatosan megállapítottam, hogy – az anyagszerkezettĘl valamint a besugárzás erĘsségétĘl függĘen a belsĘ oldali felületi hĘmérséklet emelkedés mértéke üvegezés nélkül a 39…70%-ot is elérheti, míg külsĘ oldali üvegezés esetén a szigeteletlen falénak 81…97%-át, kétoldali üvegezés esetén a 70…92%-át éri el. A konvektív szolárfalak üvegezett szerkezeteit modellezĘ 1…10 cm vastag polikarbonát méhsejt-struktúrájú hátoldalon 0,5 mm vtg. feketére mázolt abszorber lemezzel ellátott transzparens hĘszigetelés minták hĘátbocsátása szempontjából a 4 cm-es minta hĘátbocsátási jellemzĘi a legkedvezĘbbek. 4) Összefüggést állapítottam meg a méhsejt-, és a kapilláris struktúrájú transzparens hĘszigetelések anyagszerkezete, és a transzparens hĘszigetelĘ anyagok változó beesési szögek mellett a határhelyzetekben mérhetĘ fényáteresztésének helyi maximumai között, direkt megvilágítás esetén. (ld. Értekezés 3.3.1. pont) Megállapítottam, hogy a felületre merĘleges struktúrák esetén a beesĘ fénysugárzás akkor a leghatékonyabb, ha a fénynyaláb akadálytalanul (reflexió nélkül) juthat át a TH anyagon, ezért meghatározható egy olyan (a struktúra geometriai jellemzĘitĘl függĘ határszög (Į), amely alatti szögtartományban a fényáteresztés maximális mértékĦ. A felülettel párhuzamos irányú cellaszerkezet esetén is értelmezhetĘ ez a szögtartomány.(ld. 9. ábra)
9. ábra Méhsejt- és kapilláris struktúrák fényáteresztési viszonyai a megvilágítás hajlásszögétĘl, valamint a struktúrák geometriai jellemzĘitĘl függĘen A határszög kiszámítása a méhsejt-, vagy kapilláris struktúrájú TH anyagok geometriai jellemzĘinek ismeretében az alábbi képlettel végezhetĘ:
17
D
ahol: Į a b
arctg (a / b)
határszög (a vizsgált mintát határoló sík felület normálisának és a beesĘ fénysugár egyenesének bezárt szöge) a méhsejt struktúra esetén a keresztmetszeti oldalhossz mérete, kapilláris- struktúra esetén a kapilláris átmérĘje [mm] a TH anyag vastagsága [mm]
A határszög meghatározása különösen a részben fényáteresztĘ (pl. üvegezett nád szolárfal-) transzparens hĘszigetelések elhelyezése során különösen fontos, tekintettel arra, hogy a szoláris hasznosítás mértéke az egyes (oldalaik mentén átlátszatlan) szálak fényáteresztésének mértékétĘl függ. Ekkor vagy a modul síkjára merĘleges struktúrájú transzparens hĘszigetelés egész felületét helyezzük el a használat idĘszakától és a benapozási viszonyoktól függĘ kedvezĘ irányba, vagy adott tájolású függĘleges falfelület esetén a nádszálaknak a modul síkjával bezárt szögét változtatjuk a nádfalak felülettel meghatározott szöget bezáró beépítésével. 5) A különféle sík-, és mintázatos színtelen és színes üvegek fényáteresztése között belsĘ összefüggéseket határoztam meg.(ld. Értekezés 3.3.2. pont) A vizsgálat módszerének lényege az, hogy a különféle színtelen üvegek egy-egy rétegének fényáteresztését megmérve, a további rétegek fényáteresztése általában jól közelíthetĘ egy, a mérések alapján meghatározott, és a vizsgált üvegezés egy rétegére vonatkoztatott 0 és 1 közötti átlagos arányossági tényezĘvel a látható fény tartományában. E módszer alkalmazását az anyagukban színezett üvegezések esetén úgy célszerĦ módosítani, hogy a vizsgált tartomány két (400…520 nm, illetve 540…670 nm) részére külön-külön arányossági tényezĘt határozunk meg a komplementer színek hatásai miatt. Különféle felaprított, ömlesztett transzparens anyagok fényáteresztését vizsgáltam meg továbbá azzal a céllal, hogy transzparencia tekintetében alkalmasak-e az újrahasznosításra törmelék, illetve apríték formájában. A mérések szerint a felhasználásnak ez a módja elsĘsorban az általában kapilláris struktúrák anyagát képezĘ PMMA és üveg anyagok esetén merülhet fel elĘre meghatározott (2…3 mm) szemcsenagyság esetén, a többi anyagminta csekély fényáteresztése révén kevéssé alkalmas e célra. Az elĘbbi szempontból nem megfelelĘ anyagok nyersanyagként való felhasználása a gyártásban, illetve a hagyományos átlátszatlan hĘszigetelésekhez hasonló hĘszigetelĘ paplanok egyes változatainak töltĘanyagaként lehetséges. 6.) A transzparens hĘszigetelĘ anyagok ökológiai értékelésére új értékelemzési módszert dolgoztam ki, amely segítséget nyújt a transzparens hĘszigetelésĦ rendszerek tervezésében és megvalósításában, a döntések elĘkészítésében.(ld. Értekezés 3.4.1. pont) Transzparens hĘszigetelésĦ szerkezetek esetén a felsorolt tulajdonságok súlyozásmentes figyelembevétele és átlagolása helyett javaslom a gyakorlati felhasználás szempontjainak megfelelĘen az ökológiai szempontok feladat-, illetve célorientált elĘzetes hierarchiájának megállapítását (pl. egy bázis-pontszám arányos felosztásával), majd ezt követĘen a szerkezeti kialakítás funkciónak megfelelĘ minĘségi súlyozó faktorok (szorzó tényezĘk) alkalmazását. E módszerrel tehát- kiindulásként – továbbra 18
is lehetséges az ökológiai szempontok súlyozás-mentes figyelembevétele (a bázis pontszámok egyenlĘ felvételével), de lehetĘség nyílik emellett a szerkezet funkcionális megfelelĘségének valamint a tervezett szerkezeti kialakítás minĘségének pontosabb összehasonlítására is. A bázispontszám mind az ökologikus-, mind a szerkezeti, értékelés esetén 50 pont, így az értékelés külön –külön, és összevontan is könnyen áttekinthetĘ eredményt ad. Az egyes ökológiai szempontok prioritásuknak megfelelĘ súlyozását az alábbi módszer szerint javaslom elvégezni: Az elĘzĘekben már bemutatott 1. és 2. táblázat pontszámai alapján. ÖSZ= a Ö + b SZ ahol: ÖSZ: Ö: SZ: a, b:
Ökológiai-szerkezeti mutató pontszáma (max. 100p.) ökologikus szempontok pontszáma (max. 50p.) szerkezettervezési szempontok pontszáma összesen (max. 50p.) minĘségi súlyozó faktorok (értékük 0…1 közötti racionális szám)
Pontszámhatárok és kategóriák: 0 - 40 : felhasználásra alkalmatlan, környezetszennyezĘ falszerkezet 41 - 50 : falszerkezetként történĘ alkalmazására csak kivételesen, átmeneti jelleggel kerülhet sor, alárendelt funkcióra) 51 - 60 : más tervezési koncepció kidolgozását célszerĦ mérlegelni 61 - 70 : alkalmazása vitatható 71 - 80 : jól, a célnak megfelelĘen, gazdaságosan alkalmazható 81 - 100 :az ökológiai szempontokon túlmutató, különleges megoldás (pl. esztétikai élményt nyújt használata, különleges építésbiológiai elĘnyöket jelentĘ megoldás) 7) A transzparens hĘszigetelések részben fényáteresztĘ („semi-transparent”) változatainak fejlesztése terén a nádnak, mint természetes helyi építĘanyagnak az alkalmazására új szerkezeti megoldást dolgoztam ki. Az alkalmazás alapvetĘ mĦszaki feltételeinek meghatározásához hĘfizikai laboratóriumi mérések, valamint valós méretĦ kísérleti fal monitorozási eredményeit használtam fel. (ld. Értekezés 3.5. pont) Részben fényáteresztĘ TH anyagok közül jelenleg csak egyetlen anyagfajta ismeretes, a Gap-Solar különleges hĘvédĘ-, és gombavédĘ anyagokkal kezelt papír-hullámkarton anyagú, a modulok síkjára merĘleges irányú struktúrákból álló, rétegenként összeállított és összeragasztott terméke. A PhD kutatásom keretében elĘször tettem kísérletet a nádnak, mint természetes helyi anyagnak ezen új technológiában történĘ alkalmazására. A nád TH anyagként történĘ felhasználása tekintetében elĘnyös tulajdonsága, hogy a szokásos 5…10 cm mérettartományban jól aprítható, fényáteresztése a levágott nádszálak fényáteresztés és átmérĘ szerinti szemrevételezéses osztályozását követĘen nagymértékben javítható. (Átlátszatlan szolárfal is készíthetĘ belĘle, de ekkor természetesen nem kell a nádszálakat válogatni). Könnyen beépíthetĘ, tĦzállósága lényegesen jobb a szokásos PC és PMMA anyagokénál, hĘszigetelése közel ugyanakkora, de többletet jelent azokénál nagyobb hĘtároló kapacitása. A szerkezetbe beépítve páraszabályzásra képes. Helyi anyagként az országban számos helyen olcsón
19
megvásárolható (a tetĘfedésre már alkalmatlan hosszúságú nádkévék is felhasználhatók). Hátránya hogy a túlzott mennyiségĦ víz hatására érzékeny, de ez más, egyéb transzparens hĘszigetelésekre is érvényes. A nád-szolárfalak vizsgálata során kétféle modul kidolgozására került sor: - Az átlátszatlan modul fa keretszerkezetének hátoldalát 5 mm vastag rétegelt lemez határolja, A fényáteresztĘ modul méretei, keretvázának kialakítása és a benne elhelyezett nád transzparens hĘszigetelés anyaga és vastagsága az átlátszatlan moduléval megegyezik, de hátlapját az átlátszatlan modulétól eltérĘen 5 mm vastag síküveg alkotja. E változatnál az acél facsavarok és az üvegtáblák közvetlen érintkezését el kell kerülni, ezért a léckerethez rögzített facsavarokat hĘálló mĦanyag és gumi alátétekkel láttam el a rögzítések helyein. Az üvegtáblák rögzítése során az üvegtábla és a rögzítések között mindegyik oldalon 2 mm hĘmozgás biztosított. 7.1) A fényáteresztĘ és a fényt át nem eresztĘ nádfal és a PC anyagú TH szerkezet monitorozási eredményeit összehasonlítva, megállapítható, hogy a külsĘ abszorberrétegen mért hĘáramok tekintetében az idĘjárási adottságoktól (benapozás, külsĘ léghĘmérséklet, borultság) függĘen a nádfalak és a PC anyagú transzparens hĘszigetelések egymáshoz viszonyított teljesítménye jelentĘsen eltérĘ: - Derült, napos idĘben az üvegezett nádfal hozamának csak 62…65 %-át tudja nyújtani az átlátszatlan nádfal, a PC anyagú TH szerkezetéhez képest az üvegezett nádfal teljesítménye megközelítĘen 20%, az átlátszatlané 12%. - LehĦlési periódusban, borult égbolt mellett a PC TH szerkezet hozamának megközelítĘen az 50%-a nyerhetĘ fényáteresztĘ nádfallal, míg az átlátszatlan nádfal esetében csak 30%-a érhetĘ el. A belsĘ oldali nyereségek döntĘ mértékben függnek a lehĦlési periódus hosszától, mértékétĘl, és a falszerkezet tömegétĘl, ezért ennek elemzése további hosszú idejĦ méréssorozat elvégzését igényli majd a téli periódusban. 7.2.) Míg a direkt benapozás-mentes idĘszakban a kétféle nádfal-modul külsĘ üvegrétegének a hĘmérséklete közel megegyezĘ, a délutáni direkt napsugárzás mellett az üvegezett hátfalú, részben fényáteresztĘ nád-szolárfal alkalmazása esetén a külsĘ üvegréteg felmelegedése mindössze 60-80%-a az átlátszatlan nád-szolárfalénak. Ennek az az oka, hogy az átlátszatlan szolárfal változat hĘelnyelése szinte kizárólag magában a modul anyagában történik, szemben a részben fényáteresztĘ változatéval, ahol a napsugárzás energiája az anyag átlagosan 15…30 %-os fényáteresztése mellett is részben a feketére festett vakolt abszorber felületen történik, jelentĘs hĘterheléstĘl megkímélve a modul anyagát és a határoló üvegszerkezetet. Másként fogalmazva: az üvegezett nád-szolárfal hĘvesztesége 20-40 %-kal kisebb az átlátszatlan, lemezelt változaténál. A monitorozott fényáteresztĘ modul készítésekor nem volt lehetĘség a levágott nádapríték átválogatására, hanem a meglévĘ anyagot méret szerint (5 cm hosszúsággal) véletlenszerĦ kiválasztással építettem be a modul keretszerkezetébe. A modul tényleges fényáteresztése (20%) így lényegesen elmarad a. ábrán mért (48%-os) értéktĘl. Ez azt jelenti, hogy a transzparens nádfal-modul hatékonysága jelentĘsen növelhetĘ a monitorozott változatéhoz képest.
20
10. ábra A 3;4;5; 6; 7; 8; 9; és10 cm vastagságú nádrétegek fényáteresztésének mérési eredményei felületre merĘleges irányú, direkt megvilágítás esetén (válogatott, fényáteresztĘ szálak felhasználásával) A 3;4;5; 6; 7; 8; 9; és10 cm vastagságú nádrétegek fényáteresztését teljes hosszában átlátható nádszál-aprítékokból elkészített mintákon, luxmérĘvel mértem meg, amelynek eredményét a 10. ábra szemlélteti. 7.3) A nád felhasználása szempontjából igen fontos, hogy a nád a fa keretszerkezetbe történĘ beépítését megelĘzĘen megfelelĘen ki legyen szárítva, tárolása lehetĘleg fedett, oldalirányban nyitott, jól átszellĘztetett helyen történjen. A légszáraz állapotú nádminták egyensúlyi nedvességtartama a SZIE Agrokémia Tanszék kutató laboratóriuma szárító szekrényében végzett mérés alapján 6,62 %. A nád e relatív magas egyensúlyi nedvességtartalma következtében igen fontos a felmelegedés idĘszakában a szolárfal nád TH anyagából távozó pára biztonságos elvezetése pl. a fa keretszerkezeten kialakított 5…10 mm átmérĘjĦ szellĘzĘ légréseken keresztül (a keretszerkezetek oldalai mentén, az üveg- és a hĘszigetelĘ réteg közötti légtérhez kapcsolódva anélkül, hogy a légtérben káros mértékĦ konvekció, huzathatás jönne létre). 7.4.) A csapadékvédelem szempontjából a külsĘ üvegréteg megfelelĘ védelmet nyújt, feltéve, ha a kapcsolódó tokszerkezet is megfelelĘ biztonságot nyújt a csapóesĘ, a porhó és a tokszerkezetbe beszivárgó csapadék ellen. A csapadékvédelmet az üvegtáblák széleit gumiprofilokkal leszorító takarólécek, valamint a keretek alsó síkján kialakított két db kivezetĘ nyílás biztosítja. 7.5.) A légszáraz állapotú nádszövet beépítésével kapcsolatos tĦzvédelmi kérdések vizsgálatát az ÉMI M-203/2005 sz. vizsgálati jegyzĘkönyve tartalmazza.(ld. M4. sz. melléklet) A vizsgálat eredményei azt mutatják, hogy a nád TH anyagok tĦzvédelmi tulajdonságai a szokásos PC és PMMA anyagokénál jóval kedvezĘbbek: - A gyulladási hĘmérséklet az MSZ 14800-16:1992 szabvány 8.1. pontja szerinti B módszer alapján légszáraz állapotú nádszövetre 347oC. - Az Országos TĦzvédelmi Szabályzat 3. §-ában foglaltak szerint a légszáraz állapotú nádszövet – gyulladási hĘmérséklete alapján a „D” jelĦ „Mérsékelten tĦzveszélyes” tĦzveszélyességi osztályba tartozik.
21
7.6.) A fényáteresztĘ nád TH modulok felhasználása esetén feltétlenül indokolt a levágott, megadott szálhosszúságú nádszálak transzparencia szerinti átválogatása. A fényáteresztés mértékének növekedése a 3…10 cm rétegvastagságú tartományban általában 50…60%-ot meghaladó mértékĦ, az eredeti állapothoz képest, véletlenszerĦ szálkiválasztást feltételezve. Nem fényáteresztĘ nád- TH modulok esetén a szálak átválogatása nem okoz lényeges teljesítmény csökkenést, ezért ezeknél az átválogatás gyakorlatilag felesleges. (ld 11. ábra) 7.7.) A nappálya-adatok ismeretében és figyelembevételével lehetĘség van a nád TH anyag hatékonyságának növelésére, a rostiránynak a falsíkkal (és a modul síkjával) meghatározott szöget bezáró felvétele által, a direkt napsugárzás minél hatékonyabb begyĦjtése érdekében. Ezzel a módszerrel a modul éves energia-nyeresége 10…12 %kal növelhetĘ a felületre merĘleges változatéhoz képest.
a
b
c
11. ábra Transzparens hĘszigtelésĦ kísérleti falak, SZIE, GödöllĘ a) Részben fényáteresztĘ nád-szolárfal és polikarbonát (PC) anyagú TH fal képe, b) Nád.szolárfal anyagszerkezete (válogatás nélküli változat), c) PC méhsejt-struktúrájú transzparens hĘszigetelés anyagszerkezete
22
4. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK A célkitĦzésekben megfogalmazott kutatás eredményei alapján következtetéseim a következĘk: - Kutatási munkám irodalmi áttekintése és saját külföldi tanulmányútjaim tapasztalatai igazolják, hogy a különféle „hagyományos” és új transzparens hĘszigetelĘ anyagok igen sokféle változata alkalmazható passzív szoláris rendszerek részeként. Számos megvalósult ún. „alacsony energia-igényĦ”-ház energetikai koncepciójának meghatározó, lényegi elemét jelentik a transzparens hĘszigetelésĦ falak-, és üvegezett homlokzati szerkezetek. - A kontakt–, és a konvektív szolárfalakat modellezĘ laboratóriumi minták laboratóriumi vizsgálata, és a SZIE GödöllĘ, Fizika és Folyamatirányítási Tanszékén Magyarországon elsĘként megvalósult, valós méretĦ üvegezett modulokból felépített, oktatási és demonstrációs célú transzparens hĘszigetelés (kontakt szolárfal) több éves monitorozása bebizonyította, hogy e rendszerek hatékonyak, ez utóbbi esetben még viszonylag kedvezĘtlen adottságok esetén is (Nyugati tájolású homlokzati fal, valamint a TH falszerkezethez mérten viszonylag nagy tömegĦ falszerkezet). A transzparens hĘszigeteléseket az épület határoló szerkezeteibe integrálva kell betervezni, és az épület energetikai rendszeréhez oly módon kapcsolni, hogy a szoláris hasznosítás mértéke a lehetĘ leghatékonyabb, de szabályozható legyen. A transzparens hĘszigetelĘ rendszerek alkalmazásának két fĘ területét a természetes, egyenletes megvilágítást biztosító üvegezett tetĘszerkezetek , illetve az energiagyĦjtĘ falak kontakt, vagy a konvektív rendszerei jelentik majd a közeljövĘben. - A fizikai alapú egyenletek és hosszú idĘtartamú mérési adatok felhasználásával az eredeti falra kidolgozott TH modell más anyagok esetén is alkalmazható (pl. a bemutatott új fejlesztésĦ 5 cm vastag nád-szolárfal esetén is). - A transzparens hĘszigetelĘ anyagok fény-, és összenergia-áteresztésének fokozása iránti törekvés egyre inkább a különlegesen megtervezett tulajdonságú, és igen költséges technológiával elĘállítható mĦanyagok (pl. PC, PMMA) elĘállítását igénylik, egyre nagyobb mennyiségben, amely folyamat közvetve, vagy közvetlenül hozzájárul a környezetvédelem egyre súlyosbodó problémáihoz, újrahasznosításuk módja jelenleg még nem minden tekintetben megoldott, kivéve a gyártás nyersanyagaként újra felhasználható anyagokat (pl üveg). Javaslatom az újrahasznosítás további lehetĘségére, hogy a már elöregedett, fényáteresztésüket jelentĘs mértékben elvesztett anyagokat a szükséges mértékĦ aprítást követĘen átlátszatlan hĘszigetelĘ paplanok töltĘanyagaként lehetne felhasználni. CélszerĦ lenne esetenként annak megvizsgálása is, hogy valamely okból (pl. felújítás, átépítés) miatt feleslegessé váló transzparens hĘszigetelĘ rendszer (ablak, üvegfal, szolárfal) más, kevésbé igényes meglévĘ épületen –a szükséges mértékĦ felújító-karbantartó munkák elvégzését követĘen – nem volna-e újra hasznosítható komplett szerkezetként is. Ennek véleményem szerint elĘzĘleg a számítógépes,- (esetleg más építĘanyagok árusításához is kapcsolódó) adatbázisát kellene megteremteni, illetve kibĘvíteni.
23
CélszerĦ ezért azokat a megoldásokat is megvizsgálni, amelyek az olcsó természetes helyi eredetĦ (elsĘsorban fa, nád), valamint az újra hasznosítható építĘanyagok felhasználását is elĘsegítik. Méréseim szerint az általam javasolt üvegezett nádszolárfal energetikailag is kedvezĘ eredményeket szolgáltathat épületeink transzparens hĘszigeteléseként. Ehhez az anyag gondos elĘkészítése, válogatása, és a beépítendĘ felület síkjával optimális (esetleg a használat idĘszakos vagy állandó jellegét a mértékadó napállások tekintetében jellemzĘ) szöget bezáró anyagstruktúra kialakítása elkerülhetetlenül szükséges, a minél kedvezĘbb fényáteresztés elérése érdekében. A nád-szolárfal építĘipari termékként történĘ bevezetéséhez még további kötelezĘ minĘsítĘ vizsgálatok elvégzése szükséges. A transzparens hĘszigetelĘ anyagok és a felhasználásukkal készített szerkezetek ökológiai-, és szerkezettervezési szempontokon alapuló értékelemzési módszerének kidolgozása az egyes szerkezetcsoportok ajánlott csomóponti megoldásainak bemutatásával, számítógépes tervezĘi program kidolgozásával tovább fejleszthetĘ a továbbiakban. A családi ház energiatudatos felújítására bemutatott mintapélda további szerkezetváltozatokat tartalmazó megoldásai esetleg tovább bĘvíthetĘk és csatolhatók lennének e javasolt anyaghoz. A transzparens hĘszigetelésĦ falak meghibásodásának áttekintése, rendszerezése a hibák okainak feltárása szempontjából is elengedhetetlenül szükséges. Ez utóbbi a javítás, felújítás módszerét és eszközrendszerét is meghatározza.
24
5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓK Magyar nyelvĦ folyóiratban megjelent cikkek: 1. Farkas I. - Bíró A. - Buzás J. - Hegyi K. -Lágymányosi A. - Seres E. E. - SzĦcs M.: Oktatási és demonstrációs célú napenergia hasznosító berendezések. In: Magyar Energetika, 1998., VI. évf. 3. sz., p. 17-24. 2. SzĦcs M.: Passzív napenergia-hasznosítás, Beszámoló a Falufejlesztési Társaság építész tagozatának III. Országos VándorgyĦlésérĘl, Nagykovácsi, 2000. Január 21-22. In: Falu Város Régió, 2000., X. évf. 4. sz., p. 17-21. 3. SzĦcs M.: Passzív napenergia-hasznosítás. In: OrszágépítĘ, 2000., XI. évf. 1.-2. sz.., p. 18-20. 4. SzĦcs M.: Transzparens hĘszigetelések. HĘnyereség kevesebb hĘveszteséggel, In: Alaprajz, 2000., VII. évf. 2. sz., p.44--47. 5. SzĦcs M.: Alacsony energiafelhasználású lakóépületek. In: FĦtéstechnika, megújuló energiaforrások, 2002., V. évf. 78. sz., p. 25-32. 6. SzĦcs M.: Földfalak ma. Új módszerek és energiatakarékos szerkezeti megoldások a földfalak építésében. In: Építész Spektrum. Épületek és szerkezeteik. 2002., I. évf. 4. sz., p.38-41. 7. Fülöp L. – SzĦcs M. – Zöld A.: A napenergia passzív hasznosításának hazai potenciálja. In: Energiagazdálkodás, 2005., 46. évf. 1.sz., p. 8-13. 8. SzĦcs M.: Föld- és vályogfalú házak építésének lehetĘségei Magyarországon. Épületenergetikai követelmények, sajátos energetikai anyagjellemzĘk. In: ÉpítĘvilág. 2005. XLVI. évf. 3. sz., p. 21-25. 9. SzĦcs M.: Transzparens hĘszigetelések. In: Építés Spektrum. Épületek és szerkezeteik, IV. évf. 2005.5. sz. p. 18-22. Magyar nyelvĦ konferencia kiadványokban megjelent cikkek: 1. SzĦcs M.:- Farkas I.: Transzparens szigetelésĦ falak termikus jellemzĘinek meghatározása. MTA Agrár-MĦszaki Bizottság, Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 1997. jan. 21-22, p. 29-30. 2. SzĦcs M. - D. Kohlmeier: Transzparens hĘszigetelĘ anyagok fényáteresztésének vizsgálata. MTA Agrár-MĦszaki Bizottság, Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 1998. jan. 20-21, p. 41. 3. SzĦcs M.: Passzív szolár fĦtési rendszerek a vidék építészetében, MTA AgrárMĦszaki Bizottság Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 1999. jan. 1920, p. 47. 4. SzĦcs M.: Napenergia hasznosító eszközök a mezĘgazdaságban, MTA AgrárMĦszaki Bizottság, Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 1999. jan. 1920, p. 49. 5. Farkas I. – Seres E.E.- Lágymányosi A. – Buzás J. - SzĦcs M.: Folyamatirányítási célú laboratóriumi modellek, MTA Agrár-MĦszaki Bizottság Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 1999. jan. 19-20, p. 56. 6. SzĦcs M.: A szoláris-bioklimatikus építészet fogalma, fĘbb jellemzĘi, „KorszerĦ technológiák alkalmazása a megújuló energiák hasznosításában, különös tekintettel az agrárszférára. Az állami támogatások lehetĘségei” konferencia. Gazdasági Tudományos Társaság, Energiagazdálkodási Tudományos Egyesület, Budapest, 1999. május 14. p. 77-81. 25
7. SzĦcs M.: Transzparens hĘszigetelések építészeti alkalmazásának lehetĘségei. MTA Agrár-MĦszaki Bizottság, Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 2000. jan. 18-19, p. 46. 8. SzĦcs M. - Lágymányosi A. - Farkas I.: Transzparens hĘszigetelĘ anyagok termikus és optikai jellemzĘinek összehasonlító mérései, MTA Agrár-MĦszaki Bizottság, XXV. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 2001. jan. 2324. p. 36. 9. SzĦcs M.: Lakóépületek energiatudatos tervezésének új módszerei. MTA Agrár-MĦszaki Bizottság, XXVII. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, GödöllĘ, 2003. jan. 21-22. p. 64. Idegen nyelvĦ folyóiratban megjelent cikkek: 1. SzĦcs M. – Farkas I.: Optical characteristics of transparent insulation materials. Hungarian Agricultural Engineering, 2001/14. p. 77. – 79. Idegen nyelvĦ konferencia kiadványokban megjelent cikkek: 1. Farkas I., Jesch L. F., SzĦcs M.: Construction aspects of transparent insulation wall for demonstration purposes, EuroSun'96, 10. Internationales Sonnenforum, Freiburg, 1996. szept. 16-19, p. XVIII. 40-41. 2. SzĦcs M.: Transparent insulation walls, 2.nd Seminar on Energy and Environment, GATE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék, GödöllĘ, 1996. szept. 3-6, p. 13. 3. SzĦcs M.: Transparent insulation Technology in the Passive solar Architecture, CERECO'97, The 2nd International Conference on Carpathian Euroregion, Miskolc-Lillafüred, 1997. jún. 1-4, p. 56. 4. SzĦcs M.: Passive solar energy utilisation in the rural architecture, 3.rd Seminar on Energy and Environment, GATE, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék, GödöllĘ,1997. nov. 10-12, p. 12 5. Farkas I. - SzĦcs M. - Zöld A. : Monitoring of a Transparent Insulation Wall Used for Demonstration Purposes, EuroSun98, The second ISES-Europe Solar Congress, Portoroz, Slovenia, 1998. szept. 14-17, p. VI. 2. 6. SzĦcs M.: Passive solar heating in building renovation, 4.th Seminar on Energy and Environment, GATE, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék, GödöllĘ,1998. nov.11-13. 7. SzĦcs M.: Heizenergieeinsparung durch Wände mit Transparenten Wärmedämm-verbundsystemen (TWDVS), 5.th Seminar on Energy and Environment, GATE, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék, GödöllĘ,1999. nov. 3-5. 8. SzĦcs M.: Construction aspects of transparently insulated solar walls. 6 th Workshop on Energy and Environment, SZIE, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék, GödöllĘ, 2000. oktober 9-10. 9. SzĦcs M. – Farkas I.: Constructional issues of transparently insulated walls. Research and teaching at Departments of Physics in the Context of University Education.. Slovak Agricultural University in Nitra. International Scientific Conference, Nitra 26 th January 2001.
26
10. SzĦcs M. – Ruda Gy.: Environment friendly and energy saving animal buildings. Anbalysis of present day state and prognosis of development technique in farm animal breeding until 2006 under the conditions of the slovak and Hungarian Republic. Slovak Agricultural University in Nitra, Nitra 26 th October 2001. p. 31. – 38. Tanulmányok és jegyzetek: 1. SzĦcs M.: Reischl G. – SzĦcs M.: A gazdálkodás építészete. Szaktanácsadási Füzetek 4. szám, GödöllĘi Agrártudományi Egyetem, Vidékfejlesztési és Szaktanácsadási Központ, 1997. 2. SzĦcs M.: A föld és a fa a környezetbarát építésben. Épített Környezetért Alapítvány, Budapest, 1999., TEMPUS Joint European Project IB 14276/99. 3. SzĦcs M.: Szoláris bioklimatikus építészet. A napenergia építészeti hasznosítása, Oktatási segédlet és gyakorlati útmutató. UNESCO WSSP Magyar Részvételi Program 2000., Magyar Napenergia Társaság, Budapest, 2000. 4. Barótfi I. - Ónódi G. – Medgyaszay P: -Kazi J.- SzĦcs M.: Energia és térrendezés Bács-Kiskun megyében. Független Ökológiai Központ, Budapest, 2001. p. 159.- 189. Könyvek, könyvrészletek 1. SzĦcs M.: Föld- és vályogfalak építése. Építésügyi Tájékoztatási Központ Kft. Budapest, 1996. p1. – 133. 2. SzĦcs M.: Föld- és vályogfalú házak építése és felújítása. Építésügyi Tájékoztatási Központ Kft. Budapest, 2002. (11. fejezet: HĘszigetelések, passzív szoláris rendszerek, alacsony energiaigényĦ épület-koncepciók.).p.1.-185. 3. SzĦcs M.: Passzív napenergia-hasznosítás a mezĘgazdasági építészetben. In: Napenergia a mezĘgazdaságban. Szerk.: Farkas I. Budapest: MezĘgazda Kiadó, 2003. p.207. – 240.). 4. SzĦcs M.: Az alternatív baromfitartás épített környezete. Az alternatív állattartás épületei. In: Alternatív baromfitenyésztés és tartás. Szerk.:Szalay I. Budapest: MezĘgazda Kiadó, 2004. p.61. – 68. 5. SzĦcs M.: 3. Az ökológiai szemléletĦ termék-elĘállítás termelési feltételei. 3.1. Épületek. In: Ökológiai szemléletĦ állatitermék-elĘálllítás. Szerk.:Radics L. – Seregi J. Budapest: Szaktudás Kiadó Ház, 2005. p. 147.- 175. 6. SzĦcs M.: Homlokzati falak transzparens hĘszigetelése. In: Épületszigetlési Kézikönyv. Szerk.: Fülöp Zs. – Osztroluczky M. Budapest: Verlag Dashöfer, 2005. p. Tudományos és ismeretterjesztĘ elĘadások: 1. SzĦcs M.: Energiesparende Planung und Anwendung von natürlichen Baustoffen, Seminar Umweltphysik, Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Meteorologie und Physik, Wien, 1996. máj. 22-24. 2. SzĦcs M.: Transparente Wärmedämmung in der Archtektur, Seminar Umweltphisik, Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Meteorologie und Physik, Wien, 1997. máj.
27
3. SzĦcs M.: Passzív napenergiahasznosítás az építészetben, "Öntevékeny Társadalmi mozgalom a Napenergiahasznosítás elĘsegítésére" GödöllĘi Regionális Központ tanácskozása, GATE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék, GödöllĘ, 1997. máj. 7. SzĦcs M.: Passzív napenergiahasznosítás a mezĘgazdasági építészetben, "A napenergia alkal-mazása a mezĘgazdaságban" c. tanácskozás keretében, GATE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék és a GATE Vidékfejlesztési és Szaktanácsadási Központ rendezvénye, GödöllĘ, 1997 5. SzĦcs M.: Passive solar architecture. Seminar Umweltpysik, Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Meteorologie und Physik, Wien, 1998. máj. 25 27. 6. SzĦcs M.: Passzív napenergia hasznosítás az építészetben, ElĘadás az Európai "Nap Napja" (SunDay) gödöllĘi rendezvényén, GödöllĘ, 1998. jún. 21. 7. SzĦcs M. : Passzív napenergia felhasználás az építészetben, Országos Napenergia Hasznosítási Konferencia, Szakkiállítás és Ausztriai Tapasztalatcsere, elĘadás és konzultáció, Sopron, 1998. okt. 1-2. 8. .SzĦcs M.: Application of solar energy in architecture, Seminar Umweltphysik, Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Meteorologie und Physik, Wien, 1999. máj. 5-6. 9. SzĦcs M.: A szoláris-bioklimatikus építészet fogalma, fĘbb jellemzĘi. ElĘadás a „KorszerĦ technológiák alkalmazása a megújuló energiák hasznosításában, különös tekintettel az agrárszférára. Az állami támogatások lehetĘségei” c. konferencián. Gazdasági Tudományos Társaság, Energiagazdálkodási Tudományos Egyesület, Budapest, 1999. május 14. p. 77-81. 10. SzĦcs M.: Passzív napenergia hasznosítás. ElĘadás a Falufejlesztési Társaság Építész Tagozatának III. Országos VándorgyĦlésén, Nagykovácsi, 2000.január.21-22. 11. SzĦcs M.: Transzparens hĘszigetelés alkalmazása az építészetben, ElĘadás a Szent István Nyári Egyetemi Napok keretében rendezett „Megújuló energiaforrások a lakosság és az agrárgazdaság szolgálatában” c. szakmai fórumon, GödöllĘ,2000. augusztus 23-24. 12. SzĦcs M.: A napenergia hasznosítása az építészetben. A Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium és a Közép-Európai Egyetem (CEU) „Alternatív energiatermelési módok” konferencia-sorozata: „3. A napenergia hasznosítása” c. rendezvénye. Budapest, 2005. 09. 20. Egyéb publikációk: 1. Farkas I. - Bíró A. - Buzás J. - Lágymányosi A. - Seres E. E. - Seres I. - SzĦcs M. : Aktív, termikus és fotovillamos napenergia hasznosító rendszerek demonstrálása, PHARE Megújuló Energia Projekt No. HU9103-07-01-L013, Részjelentés, 1996. december, p. 16 - 22. 2. Farkas I. - Bíró A. - Buzás J. - Lágymányosi A. - Seres E. E. - Seres I. - SzĦcs M. : Aktív, termikus és fotovillamos napenergia hasznosító rendszerek monitorozása, PHARE Megújuló Energia Projekt No. HU9103-07-01-L013, Zárójelentés, 1997. december, p. 15 - 21.
28
