e-gépész online szaklap

Tipizált lakóépület energiaigényének modellezése dinamikus épületszimulációval

| | |  0 | |

E tanulmány során célunk volt, hogy egy magyar épülettípus, a Kádár-kocka vizsgálatával meghatározzuk, mely vizsgált felhasználói szokások és épület adottságok (tájolás, hőtároló tömeg stb.) bírnak legnagyobb hatással a fűtési energiaigényekre és a nyári túlmelegedésre. Ennek megvalósítását dinamikus szimuláció használatával végeztük, amely során a NÉER2-es épülettipológia 7-es típusépületének tulajdonságait vettük alapul.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2022/4. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

Napjainkban egyre nagyobb figyelmet kapnak a klímaváltozás, a környezetszennyezés és az üvegházhatású gázok kibocsátását érintő témakörök. A KSH adatai szerint a háztartások szén-dioxid kibocsátása Magyarországon körülbelül 30%-a az ország teljes szén-dioxid kibocsátásának [2]. Ennek mértéke folyamatosan csökken, hiszen napjainkban egyre több döntés születik annak érdekében, hogy az újonnan épülő és a már meglévő épületek felújítása esetén az energiahatékony megoldások használata előtérbe kerüljön. Ennek oka, hogy országos szinten elérhessük a kitűzött nemzetközi klímapolitikai célokat. Ebben a már meglévő épületszektor felújítása kiemelt jelentőséggel bír.

Az ilyen és ehhez hasonló célkitűzések eléréséhez nyújthat támogatást a dinamikus épületszimuláció használata, amely az időjárás, a geometriai kialakítás, a gépészet és a felhasználói szokások különböző változóit kezelve képes vizsgálni az épület igényeit és terheléseit akár órás bontásban is. Ennek eredményeképp pontosan meghatározhatók a kritikus időszakok és egyes épületrészek egyedi tulajdonságai.

E tanulmány során célunk volt, hogy egy magyar épülettípus, a Kádár-kocka vizsgálatával meghatározzuk, mely vizsgált felhasználói szokások és épület adottságok (tájolás, hőtároló tömeg stb.) bírnak legnagyobb hatással a fűtési energiaigényekre és a nyári túlmelegedésre. Ennek megvalósítását dinamikus szimuláció használatával végeztük, amely során a NÉER2-es épülettipológia [1] 7-es típusépületének tulajdonságait vettük alapul.

Az épülettipológia jelentősége

Az Európai Unió és az Intelligent Europe Programme 2013 áprilisában együtt elindított egy IEE Projekt EPISCOPE néven ismert projektet. Ennek célja, hogy a résztvevő országokban olyan épülettipológiák alakulhassanak ki, amelyek a lakóépület állományt jól reprezentálják és alkalmasak korszerűsítési szcenáriók felállítására. Ennek egyik módja, hogy a későbbiekben minden épülettípusra egy felújítási csomagot határozzanak meg, amely támaszt nyújthat a megfelelő felújítási munkálatok meghatározására adott típusépületekre vonatkozóan. Ezeket az épülettipológiákat a már korábban megalapított TABULA (Typology Aproach for Building Stock Energy Assessment) [3] program foglalja össze.

A projekt keretében 2009–2012 között Magyarországon is megtörtént a meglévő épületállomány felmérése. Ennek eredményeként készült el a NÉES épülettipológia, amelynek egy továbbfejlesztett változata a 2015-ben elkészített, már 2000 épület felmérésére alapozott NÉER2-es tipológia.

Maga a tipológia 23 épülettípust különböztet meg, amelyek közül tanulmányunkban a 7-es típusépülettel foglalkoztunk. Ez az 1980–1989-es évek között épített kisebb családi ház kategóriába tartozik, amely a Kádár-kockák építésének egyik fő időszakát jelöli [1, 3, 4].

A Kádár-kocka egy négyzetes alaprajzú magyar családi háztípus, amely általában földszintes, sátortetős és megközelítően 100 m² alapterületű. Ezek az épületek többségében az 1960–70-es években épültek, de egészen 1990-ig valósultak meg kivitelezések. Magyarországon belül a lakásállomány mintegy 21,5%-át ilyen típusú házak alkotják, amelyek főleg Szabolcs-Szatmár-Bereg és Győr-Moson-Sopron megyéinkben találhatók [5, 6].

A korabeli energetikai követelmények és alacsony energiaárak miatt a Kádár-kockák energetikai jellemzői kedvezőtlenek. Ezen épülettípus országos szintű, megfelelő felújítása kiemelkedő mértékben hozzájárulhatna a magyarországi klímavédelmi célok megvalósításához [5, 7].

A modellezés

A modellezés során első lépésként a rendelkezésre álló adatok feldolgozását végeztük el, melyben meghatározásra került a geometriai kialakítás és egyes falszerkezetek tulajdonságai. Ezek után DesignBuilder v6 programban felépítettük az épület modelljét és meghatároztuk a vizsgálandó paramétereket [8]. A megadott paraméterek függvényében definiáltunk egy alap modellt és ehhez képest elemeztük az egyes paraméterek változtatásának hatását a fűtési energiaigényekre és a nyári túlmelegedésre.

Geometriai modell

A tipológia adatai több épület adataiból átlagolt geometriai méreteket határoznak meg, amelyekből a dinamikus szimuláció felépítéséhez szükség volt megfelelően illeszkedő belső méretek definiálására. Ennek meghatározása során a belső méretek változtatásával iterációs módon közelítettük a tipológiában feltüntetett fűtött és összes szintterület, a fűtött épülettérfogat és a fűtött épülettérfogatot határoló felület számadatait. Fontos megemlíteni, hogy a tipológia nem csak a Kádár-kockákat tartalmazza az említett időszak adatain belül, így ez esetleges tipológián belüli geometriai eltéréseket okozhat. A 7-es típusépület felépített geometriai modelljét az 1. ábra szemlélteti.

1. ábra. A 7-es típusépület geometriai modelljének vizualizációja (július 15. 15:00)

Az épület állandó tulajdonságai

A modellezés során feltételeztük, hogy az épület Magyarországon helyezkedik el, így a pestszentlőrinci meteorológiai állomás 2007 és 2016 közötti TMY időjárás adatait vettük figyelembe [9].

A jellemző hőhidakat a Kádár-kockák korabeli tulajdonságai alapján határoztuk meg az NKFI-6 FK_18-128663 (Épületek és épületszerkezetek életciklus és épületfizikai szemléletű optimalizációja komplex numerikus modellezéssel) projekt keretében elkészített hőhídkatalógust felhasználva [10].

A NÉER2-es épülettipológia adataiból meghatároztuk az infiltráció mértékét, ami 0,1 1/h értékűre adódott. Ezen felül a 7/2006. TNM rendelet [11] (továbbiakban TNM rendelet) alapján 0,5 1/h légcsereszámot vettünk fel. Az épülettipológia alapján a szellőztetés természetes módon, ablaknyitással történik, így modellünkben is ezt a megoldást alkalmaztuk. Az ablakfelületek meghatározása a tipológia szerint valósult meg a tájolás figyelembevételével, amely során valós ablakméretek kerültek definiálásra. Szintén a tipológia adataiból kiindulva hűtés nincs az épületben. A fűtés radiátorokkal történik, 20 °C-os operatív hőmérsékletre. A világítás menetrendjét az MSZ-EN 16798 szabvány szerint határoztuk meg. A használati melegvíz fogyasztás mértékét szintén a TNM rendelet alapján számítottuk és váltottuk át megfelelő mértékegységre, amely a szimulációs programban megadható [4, 11, 12].

Vizsgált paraméterek

Tanulmányunkban paraméter analízis keretében vizsgáltuk az emberi jelenlétet a hozzá kapcsolódó plusz belső hőterhelésekkel, a hőtároló tömeget, az árnyékolás hatását, a fűtéscsökkentés megtakarításait, a tájolás változását, különböző szellőztetési stratégiákat, a szigetelés felvételének eredményeit és a gépészet, jelen esetben a fűtési hőtermelők egyes fajtáinak befolyását.

A szimuláció eredményeinek kiértékelésekor felhasznált kimeneti adatok a nettó fűtési igény (qnet), a belső hőterhelések összege (qb), a fűtési idény alatt keletkezett szoláris nyereség, illetve a túlhőmérséklet voltak. Az első két érték a szimulációból számértékként kinyerhető adat volt, amelyeket területre fajlagosítva használtunk fel, míg az utóbbiakat számítás során határoztuk meg.

A túlhőmérséklet fogalma azon órák számát jelenti, amelyekben a belső levegő hőmérséklete meghalad egy adott hőmérsékletet, súlyozva ennek mértékével. Tehát például 26 °C-hoz tartozó túlhőmérsékletének meghatározása során az óránként rendelkezésre álló adatokból összegeztük azokat a belső léghőmérsékleti adatokat, amelyek 26 °C fölé adódtak, majd ebből kivontuk a 26-tal szorzott órák számát, amelyekben ez megtörténik. A túlhőmérsékletet a nap 24 órájára, vagyis egész napra vizsgáltuk, illetve az előzőekben bemutatott számítási mód alapján „hK” mértékegységben kaptuk. Az általunk megfogalmazott túlhőmérséklet megegyezik az angolszász ODH26 jelöléssel, mely mozaikszó jelentése „overheating degree hours above 26 °C” [13].

Alap modell

A vizsgált paraméterek változtatásának hatását egy alap modellhez viszonyítva tanulmányoztuk. Az alap modell tájolása a tipológia által meghatározott jellemző tájolás szerint valósult meg, ami az 1. ábrán látható. A nyíl az északi irányt jelöli, így az ábrán a déli és keleti homlokzat látható. A falak hőátbocsátási tényezőinek felvételekor azt feltételeztük, hogy az építés óta még nem történt szerkezeti korszerűsítés az épületben. Az alap modell esetén két felhasználót feltételeztünk dolgozói jelenléttel. Ez részletesebben a „Jelenlét és egyéb belső hőterhelések” résznél kerül leírásra. Az épületben felvettük a belső falakat, amelyek hét zónára osztják az épületet. A fűtést egy régi típusú, moduláció nélküli gázkazán szolgáltatja, a használati melegvizet pedig egy elektromos bojler. Fűtéscsökkentést az alapesetnél nem vettünk figyelembe. Árnyékolás redőnnyel, menetrend szerint valósul meg. Ennek kifejtése az „Árnyékolás” pontban történik. Szellőztetés télen a minimum 0,5 1/h biztosításával, nyáron pedig csak éjszakai szellőztetéssel történik.

Jelenlét és egyéb belső hőterhelések

Az emberi jelenlét és a felhasználói magatartás alapvető meghatározó tényezők épületeink belső hőterhelését tekintve. Vizsgáltunkban három esetet vettünk figyelembe. A magyar épülettipológia [1] alapján az átlagos lakószám 2,47 fő, amelyből kiindulva kettő fővel számoltunk. Ezt a KSH adatai is alátámasztják [14]. Ezen adatokból kiindulva feltételeztük, hogy alapesetben 2 fő tartózkodik az épületekben, akik napközben elhagyják az épületet, hogy dolgozni menjenek. Ez a jelenléti profil a „Dolgozói menetrend” a modelljeinkben, amelynek a jelenléti adatait az MSZ EN 16798-1-es szabványra alapozva vettük fel [12]. Mivel általában hétközben dolgoznak csak az emberek, a dolgozói menetrend hétköznapi és hétvégi részre oszlik meg. Második esetnek egy családi háztartást vettünk, amelyben 4 fő él, de az épületben tartózkodásuk szintén a dolgozói menetrend szerint történik. A harmadik eset pedig egy nyugdíjas polgárt vesz figyelembe, aki egyedül lakik otthonában. Erre az esetre a „Nyugdíjas menetrend” vonatkozik, amelyet szintén az MSZ EN 16798-1-es szabvány szerint határoztunk meg. A dolgozói menetrend hétköznapi és hétvégi változatai, illetve a nyugdíjas menetrend minden napra érvényes lefutása a 2. ábrán látható.

2. ábra. Jelenlét profilok a dinamikus szimulációs modellekhez

Az alap jelenléti profilhoz DesignBuilderben hozzáadható plusz belső hőterhelés. Ennek mértékét úgy állítottuk be, hogy a TNM rendelet által meghatározott 5 W/m² értéket kapjuk a szimuláció során az összes belső hőterhelésre. A családi profil esetén a belső hőterhelés mértékét az alapeset duplájának, a nyugdíjas profil esetén pedig felének vettük. Ennek oka, hogy a belső hőterhelés függ a plusz tevékenységektől és az épületben tartózkodó emberek számától. A lineáris megközelítést egyszerűsítésként alkalmaztuk. Ezen esetek mellett még egy konstans jelenléttel és világítással üzemelő menetrendet is felvettünk a belső hőterhelések hatásának szemléltetése céljából. Ebben az opcióban szintén két felhasználót feltételeztünk a hozzájuk tartozó egyéb terhelésekkel és folyamatos világítással.

A 3. ábra az előzőekben meghatározott jelenléti menetrendek fűtési energiaigényekre és belső hőterhelésekre gyakorolt hatását szemlélteti. A diagramon az „A” az alapmodellt, az „Ny” a nyugdíjas, a „CS” a családos, az „FCS” a fűtéscsökkentett, „FCS_Napk” a napközben fűtéscsökkentett, a „Konst.” pedig a konstans fűtés felhasználói modellt jelenti.

3. ábra. A belső hőterhelés hatása a fűtési energiaigényekre, menetrendek alapján

Az eredmények alapján elmondható, hogy várható módon az alap modellhez képest a nyugdíjas menetrend kevesebb, a családos pedig jóval több belső hőterhelést jelent. A nyugdíjas modell esetén fontos megemlíteni, hogy mivel más a jelenléti profil, így nem csak az emberek számától függ a belső hőterhelés. A konstans esetről elmondható, hogy a világítás folyamatos üzeme nagyobb hőterhelést jelent, mint két fő jelenléte. Meghatározható még, hogy a fűtési energiaigények a belső hőterhelések függvényében változnak. Ha nagyobb a belső hőterhelés, akkor a fűtési igény kisebb lesz.

Tájolás

A belső hőterhelések mellett nagymértékben befolyásolja a fűtési igényt a napsütésből származó hőnyereség. A szoláris nyereség azonban nyáron hőterhelésként jelentkezik és túlmelegedéshez vezethet, így mérlegelnünk kell épületünk tájolását is. Ennek meghatározásakor az ablakok elhelyezkedését is fontos figyelembe vennünk, hiszen ablakainkon lényegesen több hő jut be a napsugárzással, mint falainkon keresztül. Ezen okok miatt nyolc különböző tájolási esetet vizsgáltunk a modellezések során: az alap tájolást az északi tengelytől 0°-os eltéréssel véve és ehhez képest 45°-onként forgatva. Ennek az is alapjául szolgál, hogy az épületek valós esetben is változatos tájolással épültek, igazodva az utca irányához.

Tájolás szerint az épülettipológia 7. típusépülete alapesetben kedvező ablakfelület arányokkal rendelkezik. Északon 0,9 m², délen 3,42 m², keleten és nyugaton pedig 5,04 m² összfelületű ablak található. Az épület különböző módon tájolása (északi irányhoz képest 45°-okkal való forgatás) a 4. ábrán látható hatást gyakorolja a nettó fűtési igényre és nyári túlmelegedésre.

4. ábra. A tájolás hatása a nettó fűtési energiaigényekre és a túlhőmérséklet mértékére

A 4. ábra alapján elmondható, hogy a tájolásnak elhanyagolható hatása van a fűtési igény tekintetében, de a nyári túlmelegedésre erőteljes hatással lehet. Abban az esetben, ha a nagy ablakfelületek jellemzően délre vannak tájolva, azokon keresztül jelentős napsugárzás jut napközben a térbe, emiatt az épület túlmelegszik. A másik jellemző eset, amikor a nagymértékű sugárzásnak kitett homlokzaton csak két kisebb ablak található. Ennek oka, hogy a nyári éjszakai szellőztetés időszakában a kisebb ablakokon nem tud megfelelő mennyiségű levegő kicserélődni ahhoz, hogy eléggé lehűtse a helyiségeket. Annak érdekében, hogy pontosabb képet kaphassunk az épület túlmelegedéséről a nyári időszakban, megvizsgáltuk azt az esetet is minden tájolásra, mikor nem történik árnyékolás napközben. Ekkor minden esetben megközelítően 4% túlhőmérséklet növekedést tapasztaltunk.

Árnyékolás

A nap helyzete nemcsak a tájolást, hanem az árnyékolást is befolyásolja. A nyári túlmelegedés kiküszöbölése érdekében a már meglévő épületünk tájolását változtatni nem tudjuk, de szükség esetén árnyékolás felhelyezése lehetséges. Tanulmányunkban redőnyös árnyékolási módot feltételeztünk és azt a két esetet vizsgáltuk, amikor van, és amikor nincs árnyékolás az épület ablakain a nyári időszakban, május 1. és október 31. között. Árnyékolás megléte esetében a menetrend szerint hétköznap napközben 8:00–15:00 között alkalmaztunk teljes árnyékolást. Hétvégén napközben a szinte folyamatos jelenlétből adódóan nem alkalmaztunk árnyékolást.

A tájoláshoz hasonlóan az árnyékolás esetében sem adódik jelentős különbség a fűtési igények között. Azonban a nyári túlmelegedés vizsgálatakor elmondható, hogy az árnyékolás elhagyása többlet hőterhelést jelent, ami 4,7% túlhőmérséklet növekedést eredményez. Ekkora eltérés már érezhető különbséget mutat az alapesethez viszonyítva. Nem meglepő talán a kapott eredményünk, hiszen így több napsugárzás jut be ablakainkon, ami napközben túlmelegedéshez vezethet. Ennek elkerülése végett ajánlott legalább egyfajta árnyékolási mód használata.

Szellőzés

A TNM rendelet alapján 0,5 1/h az a légcsereszám, amelynek biztosítása elvárt zárt tartózkodási tereken belül. A frisslevegő igény mellett a szellőztetés ahhoz is hozzájárulhat, hogy a meleg napok után este visszahűtsük épületünk hőtároló tömegét, ezzel csökkentve hűtési energiaigényünket [15].

A természetes szellőztetés hatását a hűtési energiaigényre tanulmányunkban ötféleképpen vizsgáltuk meg. Az öt variáció az 5. ábrán látható három profil kombinálásával jött létre.

5. ábra. Szellőzési profilok

Az első esetben a felhasználói jelenlét alapján télen definiáltuk a „Téli szellőzés” profilt szeptember és június között, amely éppen kielégíti a 0,5 1/h követelményt. Emellett nyáron csak éjszakai szellőztetést feltételeztünk a „Nyári szellőzés” profil alapján 5 1/h légcsereszámmal (Alapeset).

A második esetben a téli szellőztetés jelenléthez kapcsolt részét figyelmen kívül hagyva, folytonos 0,5 1/h légcsereszámú szellőzést vettünk fel szeptember és június között (T_szell). Ezt a „Folyamatos 0,5 1/h” profil szemlélteti.

A harmadik esetben az első esethez képest elhagytuk a nyári éjszakai szellőztetést és helyette egész évben a téli szellőzési menetrendet vettük figyelembe, vagyis ekkor egész évre a „Téli szellőzés” profil érvényes (Nyár_szell).

A negyedik esetben a harmadik eset tulajdonságait megtartva, de az árnyékolást elhagyva figyeltük a szellőztetés hatását (Nyár_NA_szell).

Végül az ötödik esetben egész évre a „Folyamatos 0,5 1/h” profil alapján 0,5 1/h folyamatos légcserét feltételeztünk (0.5_ szell). Fontos megjegyezni, hogy a szellőztetésen kívül, minden épület esetén megjelenik a szerkezetek tömítetlenségéből adódó infiltráció, ám ezt veszteségnek tekintettük, mértékét pedig az épülettipológia alapján vettük fel. A szellőzés hatásának a vizsgálatát a fűtési igényre és a túlhőmérsékletre a 6. ábra szemlélteti.

6. ábra. A szellőzési profilok hatása a fűtési és közvetetten hűtési igényekre

Az eredmények alapján elmondható, hogy a fűtési igényekre jelentős változást nem kaptunk az eltérő szellőztetésekből adódóan, ezzel szemben a hűtési igényekre nagy hatással voltak a változtatások. A legkedvezőbb eset (T_szell) a legkedvezőtlenebbhez (Nyár_NA_szell) képest 60% túlhőmérséklet növekedést eredményezett, ami jelentős változás. Ennek eredményeképp azt állapíthatjuk meg, hogy fűtési energiaigények vizsgálata esetén a szellőzési profil egyszerűsíthető, hiszen hatása nem érezhető, de nyári túlmelegedés vizsgálata során azt mindenképp részletesen szükséges beállítanunk. Ha egész évre csak a 0,5 1/h légcserét definiáljuk, ami egyszerűsítené a modellünket, akkor közel 30% túlhőmérséklet emelkedést tapasztalunk az alapesethez képest. Ez nagy eltéréseket okozhat az eredményeinkben, így indokolja a pontos szellőzési menetrend figyelembevételét hűtési igények vizsgálata esetén.

Fűtéscsökkentés

A legtöbb épületfelhasználó célja, hogy fűtési költségeit csökkenthesse télen. Ennek egyik módja a fűtéscsökkentés, ami általában éjszaka valósul meg. A fűtéscsökkentés hatását a fűtési igényekre három eseten keresztül vizsgáltuk. Alapesetnek vettük azt, amikor nincs fűtéscsökkentés az épületben. A második eset az elterjedt éjszakai fűtéscsökkentés esete, a harmadik pedig, amikor éjszakai és napközbeni fűtéscsökkentés is megvalósul. Az utóbbi akkor releváns, ha napközben nem tartózkodnak az épületben emberek, ami a „Dolgozói menetrend” szerint igaz számunkra. A második és harmadik esetben a fűtéscsökkentés során a visszaszabályozás 20 °C-ról 18 °C-ra történik, hogy biztosítsuk a megfelelő komfortot az éjszaka folyamán is. Fontos megemlíteni, hogy a teljes vizsgálat folyamán operatív hőmérsékletre történt a szimuláció.

Az alapesethez képest az éjszakai fűtéscsökkentés 5%-kal, az éjszakai és napközbeni fűtéscsökkentés pedig 6,5 %-kal csökkenti a nettó fűtési energiaigényeinket. Láthatjuk, hogy a két eset között csak 1,5% megtakarítás érhető el, de mivel ez nem jelent többletköltséget, az alkalmazás célszerű.

Fontos megjegyeznünk még, hogy a TNM rendelet alapján, ha fűtéscsökkentés alkalmazására kerül sor, akkor s = 0,9 korrekciós tényezővel szükséges megszoroznunk az eredeti fűtési igényünket. Ezzel szemben a szimuláció eredménye csak 5%-os fűtési energiaigény csökkenést mutatott a modellezett épülettípusnál, amely egy rosszul szigetelt épület. További vizsgálati lehetőségek közé tartozik a fűtéscsökkentés hatásának megfigyelése szigetelt épület esetén, illetve nagyobb mértékű fűtéscsökkentés (például 20 °C-ról 12 °C-ra) hatásának meghatározása is.

Hőtároló tömeg

A hőtároló tömeg jelentős szerepet játszik a hőmérlegben. A szerkezetek hőelnyelése javítja a hőnyereségek hasznosulását. Ennek vizsgálata rendkívül széles témakör, így tanulmányunkban az egyszerűbb értelmezés miatt három esetet vizsgáltunk meg. Az első esetben zónákat definiáltunk, amelyek falai alkotják a hőtároló tömeget. A második eset a DesignBuilder egy sajátossága, az úgynevezett „hanging partitions”, amikor az épület fűtött része egy zóna, de a hőtároló tömeg megjelenik a belső falak modellezése miatt. A harmadik esetben pedig a belső falakat elhanyagoltuk, így csak a külső falak és a födémszerkezetek képezték a hőtároló tömeget.

A hőtároló tömeg hatását a fűtési energiaigényre a 7. ábra szemlélteti. Az ábrán a „A” az alap modellt, a „HP” az egyzónás, de belső falakat tartalmazó modellt, míg az „NBF” a belső falak nélküli modellt jelenti.

7. ábra. A hőtároló tömeg hatása a fűtési igényekre

A diagram adataiból megfigyelhető, hogy ugyan a hőtároló tömeg hatása megjelenik a fűtési energiaigényekben, de ekkora modell esetén nem okoz kimagasló eltérést a belső falakkal ellátott és anélküli eset között. Ezzel szemben a nyári hűtési igényeknél jelentős eltéréseket okozhatnak a különböző esetek. Az egy zónás, de hőtároló tömeggel rendelkező esethez képest az alap modell 30%-kal, a belső falak nélküli pedig 55%-kal megnövekedett túlhőmérsékletet eredményezett. Ennek oka valószínűsíthetően a nyári éjszakai szellőztetés. Alapesetben napközben felmelegszik a belső levegő, melyet az éjszakai szellőztetés során visszahűtünk. Mivel feltételezzük, hogy ablakon keresztül történik a szellőztetés és nem minden szobának van ablaka, ezért nehezebben szellőzik át az épület, illetve egyes szobák esetén a kisebb ablakokon nem tud megfelelő mennyiségű levegő kicserélődni. Emiatt lesz a belső falak nélkül, de hőtároló tömeggel rendelkező épület a legkedvezőbb, hiszen itt az egész épület egy térként van modellezve. Ennek eredményeképp az átszellőzés arányosan érinti a teljes épületet. Az éjszakai szellőztetés előnye, hogy éjszaka lehűti a beltéri levegőt, de ha nincsen hőtároló tömeg, mint utolsó esetünkben, akkor napközben sokkal gyorsabban fel fog melegedni a belső levegő. Ez hamarabb bekövetkező túlmelegedéshez vezet. Következtetésképp elmondható, hogy épületünk alaprajzát javasolt olyan módon kialakítani, hogy az esetleges éjszakai szellőztetés során a levegő könnyen átjárhassa az egész épületünket.

Szigetelés

A szigetelés hatásának vizsgálata során háromféle opciót határoztunk meg. Az első szcenárióban a tipológia szigeteletlen értékeit vittük be a szoftverbe, majd a második verzióban a tipológia utólagosan szigetelt szerkezeteinek értékeire cseréltük ezeket. A harmadik esetben a szigeteletlen szerkezeteken kívül plusz szigetelést vettünk fel, hogy a hőátbocsátási tényező így megfeleljen a TNM rendelet követelményeinek. Így a második és harmadik eset között a tipológiában szereplő már felújított épületeket hasonlítottuk a TNM rendelet követelményeihez. Ennek számítását a külső falak, a padlásfödém és a talajra fektetett padló rétegrendjeire végeztük el.

A tipológia 7. épülettípusának kedvezőtlen energetikai tulajdonságai itt is szemléletesen megjelennek, hiszen az alapesethez képest a TNM rendeletnek megfelelő szigetelés felvételének esete majdnem 60%-os nettó fűtési igény csökkenést jelent. Eredményeink mindezek mellett azt mutatják, hogy a hőátbocsátási tényező csökkentése nem feltétlen eredményez túlhőmérséklet növekedést. Ennek oka lehet, hogy a tetőtérben igen magas léghőmérséklet alakulhat ki nyáron és a padlásfödém szigetelésével ennek hőáramait is mérsékeljük. Ennek hatása modelljeinken úgy jelent meg, hogy a tipológia alapján felvett szigeteléssel szemben a TNM rendeletnek megfelelő szigetelés esetében már megnövekedett túlhőmérsékletet tapasztalhatunk. Mindezek alapján elmondható, hogy létezik egy kedvező hőátbocsátási tényező, amely esetén a nettó fűtési igény és a nyári hűtési igény együttesen minimalizálható az adott épület tulajdonságok mellett, mint a geometria és a tájolás.

Gépészet

A NÉER2-es épülettipológia adatai többek között tartalmazzák a felmért épületek gépészeti megoldásait is. Az általunk vizsgált időszakra és annak jellemző épületére, a 7. épülettípusra hűtés és gépi szellőztetés alkalmazása nem volt használatos, így ezen okból tanulmányunkban csak a fűtéshez szükséges gépészettel foglalkoztunk. A tipológia megfogalmazza még, hogy a 7. típus esetén a leggyakoribb hőtermelő berendezések a gázkazán, a gázkonvektor és a biomassza tüzelésű kandalló. Ezt alapul véve és kiegészítve hét gépészeti megoldást hasonlítottunk össze. A használati melegvizet két eset kivételével mindig egy elektromos bojler szolgáltatja. A további két verzióban pedig maga a kazán fűti fel a melegvíz tárolóban lévő vizet. A kazánok hatásfok görbéinek megadására a DesignBuilder szoftver tartalmaz előre elkészített görbéket, illetve új is előállítható egy egyenlet megadásával.

Elsőként azt vizsgáltuk, amikor a fűtést egy hagyományos gázkazánnal látjuk el, a melegvizet pedig elektromos bojlerrel szolgáltatjuk. A második esetben ugyanaz a kazán fűti a használati melegvíz tároló vizét hőcserélővel és a fűtési rendszert is. A harmadik változatban az első esetben alkalmazott hagyományos kazán helyett egy kondenzációs kazánt alkalmaztunk és továbbra is elektromos bojler készíti a használati meleg- vizet. A negyedik esetben szintén kondenzációs kazánt vettünk fel, de ekkor ez fűti a fűtési rendszer és a használati melegvíz rendszer vizét is. Az ötödik és hatodik esetben biomassza fűtést vettünk fel, egyszer fatüzelésű kazánt, másszor pedig pelletkazánt feltételezve. Biomassza tüzelésnél a kazán a puffer tartályban lévő vizet fűti fel, majd abból osztjuk szét a hálózatban a fűtéshez felhasznált mennyiséget. A tartály egy nagy ellen- állásként arra szolgál a rendszerben, hogy kiegyenlítse a kazánok ingadozó hatásfokát. Ezen okból a fatüzelésű kazánnak és a pellet kazánnak állandó hatásfokgörbét definiáltunk. A hetedik esetben gázkonvektorokat modelleztünk, mivel azonban a DesignBuilder nem tartalmaz gázkonvektort, mint egyedi fűtési egységet, ezért minden konvektort egy gázkazán szemléltetett. Minden zónára felvettünk egy-egy hőtermelőt, amelyek közül hét esetből négyben (a kisebb zónákba) 2000 W-os, a további három esetben (a nagyobb zónákba) 3000 W-os konvektort feltételeztünk. A DesignBuilder szoftverben kandalló vagy cserépkályha modellezésére nincs lehetőség, hiszen az ezekhez tartozó kiégési jelleggörbe nem vehető fel.

Az eredményeket a 8. ábra foglalja össze, ahol az „A” az alapmodellt, a „gk_hagy” a hagyományos kombi gázkazánt, a „kond.” a kondenzációs kazánt, a „qk_kond” a kondenzációs kombi gázkazánt, „gázkon.” a gázkonvektort, a „hasábfa” a fatüzelésű kazánt, a „pellet” a pellet kazánt szemlélteti.

8. ábra. A gépészet változtatásának hatása a fűtési igényekre

Az alapmodellben szereplő gázkazánhoz képest egy ugyanolyan teljesítményű kondenzációs gázkazánnak 23%-kal kisebb a fűtési energiaigénye, így ezzel az összes közül ez a legkedvezőbb megoldás. Megfigyelhető, hogy a kombi gázkazánok fűtési energiaigénye kisebb, mint a velük megegyező, csak fűtési célt szolgáló kazánoké. Ennek oka lehet, hogy a kombi kazánok esetében kevesebb ki-be kapcsolás lép fel a nagyobb kihasználtság miatt.

Meg kell említenünk, hogy ugyan a pellet tüzelésnek is kisebb a fűtési energiaigénye, mint a gázkazánnak esetünkben, de egy pellet kazán tárolóval nehezen megvalósítható egy relatív kis alapterületű épület esetén, mint a tipológia 7. épülettípusa. Ha pellet kazán helyett pellet kandallót alkalmazunk, akkor a helyhiány kiküszöbölhető, de megjegyzendő, hogy egy kandallóval nem feltétlenül kifűthető egy teljes épület, illetve érdemes a beruházási költségeket is figyelembe venni és annak függvényében dönteni.

Összefoglalás

Tanulmányunkban egy Kádár kockára (NÉER2 épülettipológia 7. épülettípus) vizsgáltuk a bemeneti paraméterek módosításának hatását a fűtési energiaigényre és a nyári túlmelegedésre. Első lépésként a tipológia adatai alapján kialakítottunk egy konkrét geometriát, majd meghatároztuk a hiányzó bemeneti adatokat. Ezek után felépítettük a modellt és vizsgáltuk a felhasználói szokások és az épület adottságok módosításának hatását. Végül az eredményeket értékeltük.

A 9. ábra azt szemlélteti, hogy a fűtési energiaigényeket és a túlhőmérsékletet mely bemeneti paraméterek befolyásolják döntően.

9. ábra. Az értékelt adatokat legnagyobb mértékben befolyásoló tényezők

A 9. ábra alapján a fűtési energiaigényekre a vizsgált paraméterek közül a legnagyobb hatással a jelenlét, vele közvetetten a belső hőnyereségek, a fűtés visszaszabályozás, a gépészet és a szigetelés voltak. A szellőzés, a tájolás és az árnyékolás hatása szinte egyáltalán nem, a hőtároló tömegé pedig kis mértékben befolyásolta a kapott eredményeket.

A nyári túlmelegedés megfigyelése alapján elmondható, hogy a tájolás, az árnyékolás, a szellőzés, a hőtároló tömeg és szigetelés befolyásolták legnagyobb mértékben a hűtési igényeket. A vizsgált paraméterek hatása mellett az ablakfelületetek nagysága az egyes homlokzatokon is jelentősen befolyásolta az eredményeket.

A bemeneti paraméterek vizsgálata után elmondható, hogy ha fűtési és hűtési energiaigényeket is szeretnénk modellezni egyszerre, akkor nem tehetünk jelentős mértékű elhanyagolásokat. Azok a paraméterek, amelyek a fűtési igény szimulációja esetén elhanyagolhatóak lennének, észrevehető változásokat okoznak a hűtési igény tekintetében, illetve ez fordítva is megjelenik.

Köszönetnyilvánítás

„Az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-21-5 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült.”

Felhasznált források

  1. T. Csoknyai, J. Farkas, L. Formanek, M. Horváth, “Épülettipológia tanulmány, KEOP-7.9.0/12-2013-0019 projekt,” Budapest, 2015.
  2. KSH, „A nemzetgazdasági ágak üvegházhatású gáz és légszennyező anyag kibocsátása”, 2015.
  3. T. Loga, B. Stein, and N. Diefenbach, “TABULA building typologies in 20 European countries – Making energyrelated features of residential building stocks comparable,” Energy and Buildings, vol. 132, pp. 4–12, 2016, doi: 10.1016/j.enbuild.2016.06.094.
  4. T. Csoknyai, S. Hrabovszky-Horváth, M. Seprődi- Egeresi, G. Szendrő, “National Typology of Residental Buildings in Hungary,” Budapest, 2014.
  5. M. Hulesch and M. Winkler, „A Kádár-kockákban rejlő energiahatékonysági felújítási potenciál”, 2021. https://epiteszforum.hu/a-kadar-kockakban-rejlo-energiahatekonysagi-felujitasi-potencial
  6. Z. Fodor, A. Somogyi, Újraértelmezett „kockaház,” Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2016.
  7. G. Gröller and Z. Szalay, „Megéri-e egy Kádár-kocka felújítása környezeti szempontból?”, 2021. https://epiteszforum.hu/megeri-e-egy-kadar-kockafelujitasa-kornyezeti-szempontbol
  8. “DesignBuilder.” DesignBuilder Software Ltd., Stroud, Egyesült Királyság, 2020.
  9. Typical Meteorological Year (TMY) | E3P, (2021). https://e3p.jrc.ec.europa.eu/articles/typicalmeteorological- year-tmy
  10. B. Nagy, „Hőhídkatalógus v1.1”, Budapest, 2020.
  11. 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról. Magyarország, 2006.
  12. MSZ EN 16798-1. Épületek energetikai teljesítőképessége. Magyarország, 2019, p. 81.
  13. N. Artmann, H. Manz, P. Heiselberg, “Parameter study on performance of building cooling by night-time ventilation,” Renewable Energy, vol. 33, no. 12, pp. 2589–2598, Dec. 2008, doi: 10.1016/j.renene.2008.02.025.
  14. KSH, „Népszámlálási adatok – 2011”, Budapest, 2011.
  15. E. Shaviv, A. Yezioro, I. G. Capeluto, “Thermal mass and night ventilation as passive cooling design strategy” Renewable Energy, vol. 24, no. 3–4, pp. 445–452, 2001, doi: 10.1016/ S0960-1481(01)00027-1.

Kádár-kockaMagyar Épületgépészet

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul