e-gépész szaklap

Ablakcsere vs. előtétablak

Frissítve: 2017. május 04.

Szerző: Kerekes Attila PhD hallgató, Debreceni Egyetem Földtudományok Doktori Iskola

Hasznos volt Eddig 93 látogatónak tetszett

A szerző a cikk témájában előadást nyújtott be a Magyar Épületgépészek Napja 2016 Oktatás Napjának PhD szekciójában. A cikk az előadás alapján készült.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2017/4. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

Bevezetés

Az energiatudatos épületfelújítás elmaradhatatlan része az ablakcsere. Ez – főleg a tégla homlokzati falak esetében – a lakók jelentős zavarásával, tetemes mennyiségű bontási hulladék keletkezésével jár, nem utolsó sorban növeli a felújítási költségeket. Utólagos külső oldali hőszigetelés alkalmazása esetén az ablakkáva mélységének növekedése miatt csökken az épület passzív szoláris nyeresége [1]. Az alacsony energiaigényű épületek esetében a passzív szoláris nyereség pedig annak ellenére nagy jelentőséggel bír, hogy az épület fűtési energiaigénye egyébként alacsony [2].

Ezeket a hátrányokat küszöböli ki az előtétablak, amely az eredeti ablak meghagyásával a klasszikus passzív szoláris épület több elemét ötvözi a kéthéjú homlokzattal és egy, főleg Angliában elterjedt építészeti formával az ún. bay vagy bow window-val, de egyiknek sem felel meg minden további nélkül.

Az előtétablak a homlokzat síkjából kiemelkedő, az eredeti ablakot és az azt övező, célszerűen kb. 40 cm széles homlokzati sávot lefedő dobozszerű ablakszerkezet, nyitható szárnyakkal. Homlokzati megjelenésére mutat példát az 1. és 2. ábra. 

1. ábra. Előtétablak vázlata [3] alapján

2. ábra. Előtétablak lehetséges homlokzati megjelenése [4]

Az előtétablak energetikai hatása többszörös. A téli félévben pufferzónát képez, amelyben érdemi üvegházhatás is kialakul és természetes szellőzés mellett is alkalmas – a nyomásviszonyoktól függően – a frisslevegő előmelegítésére vagy a távozó levegő hőtartalma egy részének visszanyerésére.

Amennyiben az előtétablak és az eredeti ablak valamennyi szárnya egy időben nyitva van, a szellőzés energiaigénye ugyanannyi, mint előtétablak nélkül, de lehetőség van arra is, hogy az előtétablak valamelyik szellőzőnyílása és az eredeti ablak nyitásával a levegőt az előtétzónán vezessük át.

A nyomásviszonyoktól függően kétféle áramút lehetséges: kívülről befelé vagy belülről kifelé. A nyomásviszonyok számos tényezőtől függenek – a teljesség igénye nélkül: a belső és külső hőmérséklet különbsége, a szél iránya és sebessége, az ablak és az összes többi ablak pozíciója az épületen, a hidraulikai ellenállások a levegő áramútjában, beleértve az épületek belső ajtóinak ellenállását, az esetleges szellőző kürtők.

Kétségtelenül más a helyzet az alsó és a felső szinteken, a szél felőli és a szél alatti homlokzatokon. Mivel a külső hőmérséklet is, a szél iránya és sebessége is változó, az év folyamán ugyanazon az ablakon át beáramlás és kiáramlás egyaránt lehetséges.

Beáramlás esetén a szellőző levegő előmelegszik – természetesen a konvektív hőfelvétel miatt az előtétzóna hőmérséklete csökken. Kiáramlás esetén a szobából távozó levegő hőt ad le az előtétzónában, az előtétzóna hőmérséklete növekszik, így tulajdonképpen a távozó levegő hőtartalmának egy része visszanyerhető.

A 3. ábrán a különféle szellőzési változatok láthatók, feltüntetve egyúttal az előtétablak nélküli szerkezetet is.

a) eredeti        b) előtétablak levegő         c) előtétablak 
 szerkezet                előmelegítéssel           távozó levegő
                                                                     hőhasznosítással
3. ábra. Szellőzési változatok

Az előtétablak természetesen új vagy közel nulla energiaigényű szintre felújított épületeken is alkalmazható, utóbbi esetben nem kell számolni a sugárzási nyereségnek az utólagos külső oldali hőszigetelés miatt bekövetkező csökkenésével.

Az előtétzónában elhelyezett, egyszerű és könnyű árnyékolóval, külső légfüggöny üzemmódban nyári hővédelem szempontjából vetekszik a hagyományos, jóval drágább külső árnyékolókkal.

Statikus helyettesítő kapcsolás

Az előtétablak és az épülethomlokzat egyszerűsített statikus helyettesítő kapcsolása látható a 4. ábrán. A Q1 és Q2 a szoláris nyereségáramokat helyettesítő termikus áramforrások, a Q10 a helyiség fűtését helyettesítő termikus feszültségforrás hőárama. A hálózatra felírható három független csomóponti egyenlet a ti, tx és ta hőmérséklettel jellemzett csomópontokra:

ahol:
HC3 – a helyiség szellőzési veszteségét kifejező formális kapacitív hőátviteli tényező, W/K
HC4 – az előtétablak szellőzési veszteségét kifejező formális kapacitív hőátviteli tényező, W/K
H5 – az előtétablak hőátviteli tényezője, W/K
H6 – az eredeti ablak üvegezett (transzparens) felületének hőátviteli tényezője, az előtétablak felöli oldalon belső oldali hőátadási tényezővel átszámolva, W/K
H7 – a takarás nélkül maradó falfelület hőátviteli tényezője, W/K
H9 – a takart opaque felület előtétzóna felőli hőátadási tényezőre vonatkozó hőátviteli tényezője, W/K
H8 – a takart opaque felület hőátviteli tényezője az előtétablak felöli oldal hőátadási tényezője nélkül számítva, W/K
t – hőmérséklet, °C

A szellőzési veszteséget, mint konvektív hőáramot kifejező formális kapacitív hőátviteli tényező esetében a csomóponti egyenletek felírására vonatkozó konvenciót be kell tartani [5].

4. ábra. Az előtétablak statikus helyettesítő kapcsolása levegő előmelegítés esetén

A felületek hőátviteli tényezőjét a következő összefüggéssel határozhatjuk meg:

A formális kapacitív hőátviteli tényezőt pedig az alábbi összefüggéssel számíthatjuk:

Az összefüggésekben: 
A – a szerkezet felülete, m2
U – a szerkezet hőátbocsátási tényezője, W/m2K
l – a hőhíd jellemező hossza, m
Ψ – a hőhíd vonalmenti hőátbocsátási tényezője, W/m,K
n – légcsereszám, h-1
V – térfogat, m3

A Q1 és Q2 szoláris nyereségáramok számítása:

Q1 és Q2 – szoláris nyereségáramok, W
ε – a szoláris nyereségáram hasznosítás tényezője, –
Aü,abl – az eredeti ablak üvegezett felülete, m2
kadd – az előtétablak keretaránya, –
gü,abl – az eredeti ablak üvegezésének összesített sugárzás-átbocsátó képessége, –
gü,add – az előtétablak ablak üvegezésének összesített sugárzás-átbocsátó képessége, –
I – a napsugárzás intenzitása, W/m2 
Aopaque – az előtétablakkal takart opaque felület, m2
α – az előtétablakkal takart opaque felület napsugárzásra vonatkozó abszorpciós tényezője, –

Az egyenletrendszert sorrendben a tx, ta és Q10 ismeretlenekre megoldva megkapjuk a helyiség nettó fűtési teljesítményigényét:

Amennyiben a Q10 hőáram értéke negatívra adódik, az azt jelenti, hogy a ti hőmérséklet fenntartásához hűtésre van szükség, ennek hiányában pedig a helyiség túlmelegszik. A túlmelegedés mértékének számítása az (1), (2), (3) egyenletek ti-re történő megoldásával lehetséges, a Q10 = 0 feltétel mellett.

Amennyiben az (1), (2) és (3) egyenletekben a szoláris nyereségáramokat bizonyos időszakra vonatkozó szoláris energiahozam alapján számított szoláris hőnyereségekkel, a hőmérsékleteket pedig az adott időszakra vonatkozó átlagértékkel helyettesítjük, akkor meghatározhatjuk az adott időszakra vonatkozó energiaigény adatokat. Szükséges továbbá, hogy a H hőátviteli tényezőket az adott időszak Z hosszával szorzott Z • H értékekkel helyettesítsük [6].

Dinamikus modell

Az előtétablak részletes szimulációs vizsgálatát az Energy Plus v.8.4.0 programban felépített modellen végeztem. A vizsgált helyiség alapterülete 23,04 m2, térfogata 74,04 m3. Geometriai elrendezését egy adott ablakmérettel és előtétablakkal, déli tájolás esetén az 5. ábra mutatja. 

5. ábra. A vizsgált helyiség geometriai elrendezése

A modell helyiség egy homlokzati fallal rendelkezik, azon található az eredeti és az előtétablak. A másik három fal belsőfal, a padlószerkezet és a mennyezet egyaránt közbenső födémek, amelyeknek a helyiséggel átellenes oldalán adiabatikus peremfeltétel került beállításra, ami azt jelenti, hogy hőtároló hatásuk érvényesül, de azokon keresztül veszteség, vagy nyereségáram nem tud kialakulni.

Az előtétablak mélysége (kiülése a homlokzat síkjából) 40 cm, szélessége és magassága pedig akkora, hogy az eredeti ablak falnyílását övező 40 cm-es sávot takarja. A homlokzati fal és valamennyi belső fal 38 cm vastag tömör tégla, vagy falazóblokk kétoldali vakolattal. A födémek 20 cm vastag tömör vasbeton szerkezetek, amelyeknek az alsó síkja vakolt, a felső síkján homokfeltöltés, 6 cm aljzatbeton és fa parketta található. A belső ajtó és a valamennyi ablak tokszerkezete tömör fából készült. 

A helyiségben lévő hőleadó 60 °C-os hőmérsékletű fűtővízzel működik. A fűtés szabályozását végző termosztát 20 °C belső levegő hőmérsékletre van beállítva. A modell segítségével meghatározható a helyiség éves fűtési energiaigénye. A szimulációt több különböző helyiség változatra lefuttattam. A bemutatásra kerülő változatok főbb paramétereit az 1. táblázat foglalja össze.

1. táblázat. A vizsgált épület paraméterváltozatai

Mindez összesen egy adott eredeti ablakméret esetén 33 változatot jelent, azonban a vizsgálatok különböző ablakméretekre is elvégezésre kerültek, a 4 – 35% közötti homlokzat üvegezési arány tartományban. A változó ablakméreteket az ablak szélességének változtatásával állítottam elő, azonos magassági méret mellett.

A bevezetőben leírtak szerint az év folyamán a helyiség szellőzése az előtétablakon keresztül a kívülről befelé vagy belülről kifelé áramlással valósul meg. Ennek megfelelően az éves energiaigény nem számítható egyféle áramút alapján, ezért azt minden helyiség változatra meghatároztam mindkét áramútra, ezzel behatárolva annak lehetséges határait.

Nyilvánvalóan kérdés a szellőző levegő térfogatárama, amely a lakók által foganatosított természetes szellőzés esetén szabatosan és általános érvénnyel nem határozható meg.

Az összehasonlíthatóság végett minden esetben a szükséges n = 0,5h-1 légcsereszámot vettem alapul. A levegő előmelegítéses üzemmódban a reális eredmények érdekében kizárásra kerültek azok az esetek, amikor a helyiségbe 24 °C-nál magasabb hőmérsékletű levegő érkezne az előtétzónán keresztül (a kizárást követően a szellőzés ekkor levegő előmelegítés nélkül történik). A távozó levegő hőhasznosítás üzemmód esetén a frisslevegőt teljes mértékben a vizsgált helyiségben a fűtőberendezés melegíti fel, azaz az éves fűtési energiaigényben benne foglaltatik. Valós esetben a helyiségbe belépő levegő más belső helyiségekből is származhat, ahol már a felfűtése részben vagy teljes egészében megtörtént, és az előtétablak hiányában hőhasznosítás nélkül kidobásra kerülne. A szimulációval meghatározott energiaigény ezért maximálisnak tekintendő, és a valóságban attól alacsonyabb értékű is lehet. Ugyanebben az üzemmódban kizártam azokat az eseteket, amikor a távozó levegő hűtené az előtétzónát.

A szimulációk futtatását az ASHRAE HUN_Debrecen. 128820_IWEC meteorológiai adatállomány felhasználásával végeztem.

Eredmények

A szimulációs eredményeket a 38 cm vastag tömör téglafalként figyelembevett eredeti szerkezet esetén három eltérő tájolásra vonatkozóan a 6. ábrán, a 38 cm vastag falazóblokkból készült eredeti szerkezetre pedig szintén három eltérő tájolásra a következő oldalon bemutatott 7. ábrán látható diagramokban foglaltam össze.

6. ábra. Az eredeti szerkezet 38 cm vastag tömör téglafal kétoldali vakolattal, Ufal = 1,467W/m2K, kapcsolt gerébtokos ablak, Uü,ablak = 2,788W/m2K, gü,ablak = 0,765

7. ábra. Az eredeti szerkezet 38 cm vastag falazóblokk kétoldali vakolattal, Ufal = 0,507W/m2K, hőszigetelt üvegezésű ablak, Uü,ablak = 1,507W/m2K, gü,ablak = 0,649

Az északi tájolású eredeti szerkezet kivételével a nagyobb homlokzati üvegezési arány minden esetben csökkenő fűtési energiaigényt eredményez (előbbi esetben az energiaigény közel állandó marad). Az üvegezési arány növelésének kedvező hatása egyrészt annak köszönhető, hogy az előtétablak és az általa takart szerkezetek együttese nagyobb hőátviteli ellenállást képvisel, mint a falszerkezet, így kisebb veszteséget jelent. Ugyanez elmondható az ablakcsere esetére is. A sugárzási nyereség hatását mutatja, hogy ugyanaz a szerkezet különféle tájolás esetén eltérő, a déli vagy ahhoz közelebbi tájolás esetén egyre alacsonyabb fűtési energiaigényt eredményez.

A levegő előmelegítéses üzemmód mindig kedvezőbb, mint a távozó levegő hőhasznosítás, ezért a szellőzéses üzemmód esetén a fűtési energiaigény lehetséges tartományát jelentő sávot alulról a levegő előmelegítéses, felülről a távozó levegő hőhasznosítás üzemmód eredményei határolják. A kétrétegű üvegezésű előtétablak kedvezőbb eredmény ad, mint az egyrétegű.

Következtetések

A részletes szimulációs eredmények egyértelműen mutatják a következőket:
• Az eredeti ablak és az egyszerű ablakcsere esetén nagyobb homlokzati üvegezési aránynál a fűtési energiaigény csökken vagy közel állandó.
• Az előtétablak alkalmazásával további energia megtakarítási potenciál jelentkezik a levegő előmelegítéses vagy a távozó levegő hővisszanyeréses üzemmódban. Ennek mértékét egy-egy diagramban az azonos színű görbék közötti sáv jelöli ki. Az egyszerű ablakcserénél ez a megtakarítási lehetőség nincs!
• A viszonylag jó ablakot nem érdemes cserélni, viszont az előtétablak hozzáépítésével feljavítható (az eredeti ablak megtartásával).
• Amennyiben az ablakcsere helyett az előtétablak felszerelését választjuk, úgy nem keletkezik bontási hulladék, a munkálatok nem zavarják a lakókat és az épület használatát. 

A szellőzéses üzemmóddal kapcsolatban a bevezetőben leírtak alapján felmerülhet a lakók magatartásával kapcsolatos dilemma, és a légcsereszám kérdése (tekinthető-e az valóban 0,5 h-1 értékűnek?). Nem tudom és nem is célom eloszlatni az ezzel kapcsolatos bizonytalanságot, helyette arra szeretnék rámutatni, hogy ez minden esetben kérdés, azaz nemcsak az előtétablak szellőzéses üzemmódjai esetén, hanem az ablakcsere, sőt az eredeti állapot használata során is.

Irodalomjegyzék
[1] A. Kerekes, Effect of wall thickness on the solar gain Journal of Sustainable Energy Vol. 7, No. 1, March, 2016. pp. 15-21.
[2] A. Kerekes, A. Zöld, How to interpret the renewable share? Energy and Buildings 126 (2016) pp. 70–76.
[3] Gelesz A., Dr. Reith A. A kéthéjú üveghomlokzatok. Alaprajz 15. évf. (1), 2008. : pp. 50-53.
[4] http://www.harveybp.com/our-products/windows/vinyl-bay-windows/ (letöltés: 2017.03.09)
[5] Imre László, Hőátvitel összetett szerkezetekben. Akadémia Kiadó, Budapest, 1983. pp. 95.
[6] Attila Kerekes, András Zöld, Added convex windows for improving the energy balance Applied Mechanics and Materials Vol. 824 (2016) pp 339-346
[7] EnergyPlusTM Documentation, v8.4.0 Engineering Reference, Information on. https://energyplus.net/documentation
[8] D. Yogi Goswami, Principles of solar engineering, third edition, CRC Press Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2015.

Abstract

Change of windows is inevitable measure of energy conscious retrofit. In case of masonry wall it is accompanied with serious disturbance of habitants and waste. Added external thermal insulation decrease the passive solar gain.  These disadvantages can be eliminated using added windows which combine elements of classic passive solar architecture, double skin facade and the appearance of bay window (widespread in UK) although not totally equivalent with any of them. The effect of added windows is multiple. In winter they represent a buffer zone in which greenhouse phenomena develops. They facilitate the preheating of fresh air or heat recovery of exhaust air, depending on pressure difference in naturally ventilated buildings. Simple movable shading devices in the buffer zone (similar to those used inside) are as efficient as traditional expensive ones for outside use. In the followings the heating energy consumption is analysed in the function of ventilation.

Keywords: added window, preheating, heat recovery


Hasznos volt Eddig 93 látogatónak tetszett

Nyomtatható változat

Hozzászólások:

(Még nem érkezett hozzászólás.)

Hozzászólok a cikkhez:

Új hozzáférés:

Regisztrálok

Meglévő hozzáférés: