Abstract A világ fejlődésével párhuzamosan az építőiparban is egyre nagyobb teret kapnak a környezetvédelmi szempontok és energiahatékony megoldások. A cikkben meglévő irodaépületek energiahatékonyságának fejlesztésére kínálunk egy lehetőséget, az épületek jelenleg legnagyobb gépészeti fogyasztójára, a szellőztető rendszerekre vonatkozóan.

Egy meglévő irodaépület energetikai szimulációjának elkészítésével bemutatjuk, hogy a meglévő épületállomány átgondolt korszerűsítésével az energiaigények és környezeti hatások csökkentése nem kizárólag új irodaépületek létesítésével lehetséges. A vizsgált épület éves energiaigényének csökkentése érdekében a természetes szellőztetés megvalósulását figyelembe vesszük. Energetikai számításokkal igazoljuk a hibrid szellőztetési rendszer alkalmazásának jelentőségét a csökkentett energiaigény elérése érdekében. A javasolt rendszer a mechanikus gépi szellőztetést és a természetes szellőztetést vegyesen alkalmazza, egy épületfelügyeleti rendszerrel vezérelve.

Kulcsszavak: Természetes szellőztetés, energiahatékonyság, dinamikus energetikai szimuláció, elavult gépészettel rendelkező irodaépületek.

Abstract As the world develops, environmental concerns and energy-efficient solutions are becoming more important in construction too. In this article, we suggest a way to improve energy efficiency of existing office buildings, focusing on their biggest energy user: the ventilation systems. By creating an energy simulation of an office building, I show that lowering energy needs and environmental impact isn't only possible through building new offices but also by carefully upgrading old ones. To reduce the building's yearly energy use, we explain how natural ventilation can be used. My energy calculations show the benefits of a hybrid ventilation system to reduce energy demand. This proposed system uses a mix of mechanical and natural ventilation, controlled by a building management system.

Bevezetés A rengeteg elavult épület és a bővülő építőipar rendkívül sok energiatöbbletet igényel éves szinten, amely jelentős szerepet játszik hazánk éves szén-dioxid kibocsátásában is.

A fenntartható épületek tervezése és építése, valamint az elavult épületek korszerűsítése során fontos szempont az energiatakarékos épületgépészeti rendszerek tervezése, beépítése, a megújuló energiaforrások alkalmazása. Ezek együttes használata jelentős mértékben csökkentheti a rendszer üzemeltetéséből származó szén-dioxid kibocsátást. Jelenleg az irodaépületek egyik legnagyobb gépészeti fogyasztója az épületek szellőztetőrendszere. A szellőzés korszerű megoldásával nemzetgazdasági szinten is jelentős megtakarítások érhetőek el, mind az új irodaépületek, mind pedig az elavult irodaépületek korszerűsítése esetében is. A vizsgálat során egy meglévő irodaépület szellőztető rendszerének éves energiafogyasztását határoztuk meg, majd dinamikus energetikai szimulációval vizsgáltuk a természetes szellőztetés működésének feltételeit és alátámasztottuk szükségességét. Energetikai számításokkal igazoltuk a hibrid szellőztetési rendszer alkalmazásának jelentőségeit a csökkentett energiaigény elérése érdekében. A javasolt rendszer a mechanikus gépi szellőztetést és a természetes szellőztetést a külső/belső hőmérsékletnek és páratartalomnak megfelelően vegyesen alkalmazza egy épületfelügyeleti rendszerrel vezérelve.

Dinamikus energetikai szimuláció, mint tervezést segítő eszköz A dinamikus energetikai szimuláció egyrészt információt biztosít ahhoz, hogy ne legyen a tervezett és a megvalósult gépészeti rendszer működésében számottevő különbség, másrészt pedig döntéstámogató eszközként segíti a kitűzött célok megvalósulását és ellenőrzését. Minél korábban kezdik el alkalmazni a szimulációt a tervezés során, annál költséghatékonyabban és egyszerűbben lehet formálni a terveket.

Az energiaigények meghatározása az épületek esetén két fő részre bontható. Mindkettő analitikus számítási módszerrel meghatározható az épület esetében: - Fűtési- és hűtési éves energiaigény

Épület szellőztetéséből és a levegő fűtéséből és hűtéséből származó éves energiaigény A vizsgált épület helyszín szempontjából Budapest budai oldalán helyezkedik el, funkcionalitás szempontjából pedig egy volt kémia laborról beszélünk. Az épület pincével, földszinttel és három emelettel rendelkezik, amelyek fontos szerepet játszanak a kínált alternatíva működésében. Az épületben jelenleg gépészeti oldalról egy mechanikus gépi szellőztető rendszer üzemel, amely jelentős energiatöbbletet okoz az épület részére éves szinten.

A vizsgálat célja, hogy feltárja és alátámasztja az épület felújításának lehetőségeit, gépészeti és építészeti szempontból. Az épületen a következő fejlesztések javasoltak a vizsgált módszer működése érdekében: nyílászárók korszerűsítése, amelyek egy részének nyitását és zárását a külső/belső hőmérséklet és a páratartalom figyelembevételével egy épületfelügyeleti rendszer teszi lehetővé. Továbbá a lépcsőház mellett, az épület központjában és teljes magasságában egy zöldfallal határolt átrium kerül kialakításra, amely részt vesz az épület átszellőztetésében, bevilágításában és a levegő minőségének javításában egyaránt. Ez látható az 1. ábrán.A természetes szellőztetés fenntartható és energiahatékony lehetőséget biztosít az épületek friss levegővel való ellátásához olyan természeti erők felhasználásával, mint a szél és a termikus felhajtóerő, így létrehozva a természetes légáramlást az épület alsó és felső szintjei között. A 2. ábrán a természetes szellőztetés működésének megvalósulása látható az épületbe. A természeti erők felhasználásával csökkenthető az épület mechanikai rendszerektől való függősége. Lehetővé teszi az épületek energiafelhasználásának és a környezeti hatásoknak a csökkentését. 1. Az épület levegőigényének meghatározása A szükséges friss levegő mennyiség három módon határozható meg:

• A helyiség alapterülete alapján
• A helyiségekben tartózkodók alapján

A belső levegőminőség alapján A szükséges friss levegő mennyiségének meghatározását a helyiségek alapterülete alapján végeztük el a következő összefüggés figyelembevételével: V be = aktivitási szint [1/s m 2 ] · helyiség alapterülete [m 2 ] A légmennyiség igények számításához az MSZ CR 1752:2000 magyar szabványt vettük alapul. A vizesblokkok és azon helyiségek részére, amelyekben szag vagy páratartalom kialakulása lehetséges, depresszív (az atmoszférikus nyomásnál kisebb nyomás áll rendelkezésre) módon biztosítjuk a légutánpótlást, így több levegőt szívunk el, mint amennyit befújunk a helyiségekbe. Ennek köszönhetően egy irányított légáramlatot hozunk létre a tartózkodásra szolgáló helyiségek irányából a szag és páratermeléssel érintett helyiségek irányába.

A szagos levegő helyben történő elszívásával megakadályozzuk a szomszédos helyiségekbe való átterjedését.

A felvett értékek berendezésenként:

• Piszoár: 45 m 3 /h
• Kerámia WC: 60 m 3 /h Ezen légmennyiségek biztosításával végeztük a számításokat.

A kiválasztott légkezelő gépek éves energiaigényének meghatározása 1. lépés: a terhelési szintek meghatározása – a vizsgált helyiségek igénybevételének mennyisége időben lebontva, az MSZ EN 16798-1-2019 típusú magyar szabványt alapul véve. 2. lépés: a légkezelő gépek aktuális térfogatáramának meghatározása V = a helyiséghez tartozó méretezési max térfogatáram [m 3 /h] · · a helyiség időbeni felhasználása [%] 3. lépés: a légkezelő gépek aktuális teljesítményének meghatározása Az adatok összesítését követően az alábbi eredményeket kaptuk: Az épület szellőztetésének napi energiaigénye: 42,65 kWh/nap 2023-ban a munkanapok száma: 251 Az irodai légkezelő gépek ventilátorainak becsült éves energiaigénye: 10705 kWh/év (42,65 kWh / nap · 251) 2. A fűtő- és hűtő kaloriferek energiaigényének számítása A légkezelő gépek fogyasztásánál a levegő fűtéséhez és hűtéséhez igényelt elektromos energiát is figyelembe kell venni, így számításaink során az energiaigények meghatározásához a levegő-víz hőszivattyú éves elektromos energiaigényét vettük figyelembe, amely a komfortlevegő biztosításáért felelős.

Az HVAC rendszer energiahatékonyságát két mutatóval, a SEER és a SCOP segítségével határoztuk meg, amelyek átlagos hatékonysággal rendelkező berendezések esetén a következő értékekkel rendelkeznek:

• SEER – 4,4 (a hűtési üzemmód szerzonális energiahatékonysága)
• SCOP – 3,6 (a fűtési üzemmód szezonális energiahatékonysága) A fűtési- és hűtési tartományok meghatározásához az éves hőmérséklet adattáblázatot vettük alapul, a benne szereplő adatokat pedig háromféleképpen csoportosítottuk:
• 20 °C alatt – a fűtési kalorifert ellátó levegő-víz hőszivatytyú, valamint a ventilátorok elektromos energiaigénye került kiszámításra.
• 20–26 °C tartományban a kaloriferek nem üzemelnek, csak a légkezelő gépek ventilátorainak elektromos energiaigényét vettük figyelembe.
• 26 °C felett – a hűtési kalorifert ellátó levegő-víz hőszivatytyú, valamint a ventilátorok elektromos energiaigénye került meghatározásra – (bizonyos hőmérséklet felett nedvességet vonunk el a levegőből).

A számításhoz felhasznált összefüggéseket a 2. táblázat mutatja.

Az összefüggésbe való visszahelyettesítést követően az alábbi eredményeket kaptuk:

• A fűtőkalorifer éves elektromos energiaigénye: 112 844 kWh
• A hűtőkalorifer éves elektromos energiaigénye: 3635 kWh Az analitikus számítás eredménye:
• A légkezelő gépek ventilátorainak éves villamos energiaigénye: 10 705 kWh/év
• A fűtő- és hűtőkaloriferek összes éves elektromos energiaigénye: 116 479kWh/év

–A vizsgált épület szellőztetésének becsült összes éves energiaigénye: 127184 kWh/év 3. Dinamikus energetikai szimuláció A dinamikus szimuláció segítségével a vizsgált épület korszerűsített gépészeti rendszerének üzemeltetésével elérhető energiacsökkenést vizsgáltuk. Az energetikai szimuláció elkészítéséhez a Rhinocaeros Grashopper programot használtuk (lásd a következő oldalon bemutatott 3. ábrát). 3.1. A dinamikus szimuláció elkészítésének lépései 1. lépés: az épület 3D modelljének az elkészítése: - a modell felépítése és a zónák kialakítása – azon épületrészek kerültek kialakításra,amelyek funkcionális szerepet töltenek be a természetes szellőztetés vizsgálatakor, - az épület szintjeinek kialakítása, - az időjárás adatsor kiválasztása és betöltése. 2. lépés: az épületüzemeltetésre vonatkozó adatok becslése: - létszámadat meghatározása helyiségekre (zónákra) lebontva, - a munkaidő meghatározása, - a felhasználói létszám és az ültetési sűrűség meghatározása. 3. lépés: a világítás és egyéb elektronikai eszközök definiálása. 4. lépés: a fűtési és hűtési rendszerek belső hőterhelésének és hőtartományának meghatározása. 5. lépés: a nyitott légterek meghatározása (amennyiben szükséges) – a szimuláció során feltételezett helyiségek közötti szabad légáramláshoz elengedhetetlen meghatározni a nyitott irodaterek és helyiségek közötti kapcsolatot.6. lépés: a szellőztetésre (esetünkben a természetes szellőztetésre) vonatkozó üzemeltetési paraméterek meghatározása. - min. belső hőmérséklet: 20 °C - természetes szellőztetés esetén a hőmérsékleti határérték, amely esetén kikapcsol a mechanikus gépi fűtési szellőztető rendszer és az ablakok kinyitnak a természetes légcsere érdekében. - max. belső hőmérséklet: 26 °C - természetes szellőztetés esetén az a hőmérsékleti határérték, amely esetén a nyílászárók zárása és a mechanikus gépi hűtési rendszer bekapcsolása történik. - delta hőmérséklet 0,5 °C – a külső és belső hőmérséklet közötti különbség, amelynek kialakulásakor a természetes szellőztetés leáll. Ezt az értéket általában pozitívnak kell megválasztani, hogy a szellőzés csak akkor történjen meg, amikor a külső hőmérséklet hűvösebb, mint a beltéri. 7. lépés: a szimuláció futtatása – a szimuláció futtatását követően a kiértékelést lehetőségünk van több formában elvégezni. 8. lépés: az eredmények kiértékelése.A dinamikus szimuláció eredményének összegzése A szimulációs eredmény szemléltetéséhez havi lebontású diagramot alkalmaztunk. A kapott eredményeket összesítettük és így kaptuk meg a vizsgált épület éves energiaigényének csökkenését a korszerűsített gépészeti rendszer üzemeltetése esetében.

Az 5. ábrán a vizsgált természetes szellőztetési rendszer éves energiaigényének eloszlása látható. A természetes szellőztetésű rendszer hőmérséklet tartománya 20-26 °C. A diagramon látható energiaigényt a mechanikus gépi szellőztető rendszer üzemeltetésének energiaigényéből levontuk, ugyanis nem az épület, hanem a környezet energiáját hasznosítottuk. Tehát ez az energiaadat az elérhető becsült éves energiaigény csökkenésének mennyiségét tükrözi.

A szimulációs vizsgálattal elért megtakarítás 56 230 kWh/év.

Az eredmények összegzése Az analitikus számítással meghatározott energiaadatok a következőképpen alakultak:

• A légkezelő gépek ventilátorainak üzemeltetéséből származó éves energiaadat 10 705 kWh/év
• A fűtő- és hűtőkaloriferek éves hőenergiaigényéből származó villamos energiaigény 116 479 kWh/év
• A vizsgált épület mechanikus gépi szellőztető rendszerének becsült éves összes energiaigénye 127183,84 kWh/év
• Az épület természetes szellőztetéssel működő szellőztetési rendszerrel elérhető éves energiaigény csökkenés: 56229,8 kWh/év Az energiacsökkentést követően az épület szellőztetéséből adódó éves energiaigény közel a felére csökkent. A dinamikus szimulációval vizsgált rendszerrel, amely a természetes szellőztetést figyelembe veszi, az épület szellőztetésének éves energiaigényét jelen esetben több mint 44 %-kal tudtuk csökkenteni. A 6. ábrán a fennmaradó energiafogyasztás és a csökkenés eredményének eloszlása látható százalékos formában.

A 2022-es MVM energia mix szerint 1 kWh energia körülbelül 329 gramm szén-dioxid kibocsátásnak felel meg. Ezen adat figyelembevételével az általunk vizsgált irodaépület éves szinten több mint 41 millió gramm, tehát több mint 41 tonna szén-dioxid kibocsátásáért felelős. Ezen épület korszerűsített gépészeti rendszerrel való üzemeltetése esetén közel 19 tonna szén-dioxid kibocsátást tudunk csökkenteni (3. táblázat).

Magyarországon hozzávetőlegesen több mint 4 millió m 2 alapterületű elavult gépészeti rendszerrel rendelkező irodaépületről beszélhetünk, ez a terület több mint 4 Margit sziget alapterületének felel meg. A több mint 4 millió m 2 alapterületű meglévő irodaépület, feltételezve a hasonló elavult gépészeti rendszert, közel 83 686 tonna szén-dioxid kibocsátásért felelős éves szinten. Amennyiben ezen irodaépületeket a vizsgált rendszerrel üzemeltetnénk, éves szinten közel 37 000 tonnával tudnánk csökkenti a szén-dioxid kibocsátást.

Az éves szén-dioxid csökkenésének kimutatását 4 millió m 2 alapterületű meglévő irodaépületek esetén a 7. ábra szemlélteti. A kapott eredmény kimutatható az erdő területek kivágásának csökkentésére vonatkozóan is. 1 hektár erdőterület (10 000 m 2 ) szén-dioxid elnyelő képessége éves szinten 4-6 tonna. Az adat figyelembevételével a meglévő irodaépületek üzemeltetésének korszerűsítésével körülbelül 6170 - 9250 hektár (61 700 000 – 92 500 000 m 2 ) erdőterület kivágását előzhetjük meg, amely tartomány közel megegyezik Sárvár (64 650 000 m 2 ) vagy akár Tatabánya (91 420 000 m 2 ) alapterületeivel.

A kapott eredményekkel alátámasztottuk, hogy nemcsak új építésű vagy újonnan épült irodaépületeknek lehet környezetbarát üzemeltetése, hanem a meglévő, elavult irodaépületek korszerűsítésével is jelentős káros anyag kibocsátás csökkenés érhető el.

A vizsgálat a Kulturális és Innovációs Minisztérium 2024-2.1.1 kódszámú egyetemi kutatói ösztöndíj programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült.

Forrás: Magyar Épületgépészet