Abstract
For the accurate calculation of building heat losses, we need to consider linear heat losses due to thermal bridges. In this research, a whole building was analysed and different thermal bridge calculation methods were compared. The following methods were included: the simplified method according to the Hungarian energy performance regulation, the simplified thermal bridge catalogue of the MSZ EN ISO 14683:2017 standard, a detailed national thermal bridge catalogue and a detailed two-dimensional heat as well as a conjugated heat and moisture (HAM) transfer for steady-state and dynamic, time dependent conditions. The modelling was carried out with the help of a finite element multiphysic software according to the rules of MSZ EN ISO 10211:2017 and MSZ EN ISO 15026:2007. All the relevant details of the building were analysed to get a full picture.
Kulcsszavak: Hőhíd; hőveszteség; numerikus modellezés; kapcsolt hő- és nedvességtechnika
Bevezetés
Az elmúlt évek trendjeinek és jogszabályi szigorításainak következtében lakóépületeink a korábbiakhoz képest jelentős hőszigetelő rétegvastagsággal rendelkeznek. A szerkezetek kialakítása változatos, de sok esetben nem átgondolt csomóponti kialakítás valósul meg. Az épületek energiaveszteségének jelentős százalékáért a vonalmenti hőhidak felelősek tudatosan tervezett termikus burok esetén is, de ez az arány tovább növekszik helytelen csomóponti megoldások esetén.
Elengedhetetlen a hőhíd jelenség pontosabb ismerete az épület energiaigényének számítása során. Ezt alátámasztja az épületek energetikai jellemzőinek tanúsításáról szóló 176/2008. (VI. 30.) Korm. rendelet 3. mellékletének 3. pontja, amely alapján „AA” vagy annál jobb besorolás csak a rendelet szerinti részletes módszerrel vagy dinamikus szimulációval alátámasztott módon adható. A részletes módszer egyik elvárt eleme, hogy a hőhidakat az MSZ EN ISO 10211:2017 [1] szabvány szerint kell figyelembe venni. Ez gyakorlatilag numerikus hőhíd modellezést, vagy ezen alapuló hőhídkatalógus értékek alkalmazását jelenti.
Világszerte és itthon is számos kutatás foglalkozott már a vonalmenti hőveszteségek számítási eljárásainak összehasonlításával, illetve a kétdimenziós hőveszteség részarányának alakulásával a lakóépületeink teljes energiamérlegét tekintve. A legtöbb tanulmányban megfigyelhető, hogy az alkalmazott módszerek között jelentős eltérések tapasztalhatók [2] [3].
Kutatásunk célja az épületek hőhídhatását vizsgáló módszerek összehasonlítása egy – a magyar piacon – jellemzőnek tekinthető lakóépület példáján keresztül. Összevetjük a 7/2006. TNM rendelet [4] szerinti egyszerűsített módszert, az MSZ EN ISO 14683:2017 [5] szabvány szerinti egyszerűsített hőhídkatalógust, egy részletes nemzeti hőhídkatalógus eredményeit, továbbá részletes, kétdimenziós hőtechnikai, illetve kapcsolt hő- és nedvességtranszport szimulációk eredményeit állandósult és időben változó környezeti állapotban is.
A vizsgálatok során minden hőtechnikailag releváns csomópont esetén meghatározzuk a saját léptékben mért hőmérsékletet (fRsi), az átlagos hőátbocsátási tényezőt (U), a hőhídhatásból eredő többlet hőveszteséget (Ψ), a teljes épületre vonatkozó transzmissziós hőveszteséget (Htr), illetve a numerikus végeselemes modellek esetén a belső felület minimum hőmérsékletét (Ts,min) is.
Módszertan
Egy új építésű, átlagos szerkezeti kialakítású családi házon keresztül hasonlítottuk össze a különböző számítási módszerek által adott eredményeket (1. - 2. ábra). A hozzávetőlegesen bruttó 80 m2 alapterületen felépült, részben magastetős épület 3-4 fő számára biztosít kényelmet és egy nagyméretű teraszként hasznosított lapostetővel is rendelkezik. A lakóház egyszerű, letisztult, a XXI. század stílusjegyeit hordozza.
Hazai viszonylatban a felhasznált építőanyagok tipikusnak tekinthetők. Felépítését tekintve az épület vázkerámia falszerkezetű, a külső oldalon vékonyvakolattal ellátott, többrétegű, ragasztott táblás 15 cm vtg. expandált polisztirol homlokzati hőszigetelő rendszer (Austrotherm AT-H80) készült (a lábazaton Austrotherm XPS Top P), míg a födémlemez monolit vasbeton szerkezetű.
A talajon fekvő padló esetén az esztrich réteg alatt 10 cm vtg. Austrotherm AT-N150 terhelhető hőszigetelő lemez, míg a lapostetőn 25 cm vtg. extrudált polisztirolhab hőszigetelés elhelyezése történt.
Az egyszerűsített számítási eljárás esetén a 7/2006. TNM rendelet alapján a hőhidak hosszának fajlagos mennyisége alapján határoztuk meg a transzmissziós hőveszteségeket, a csatlakozási hőhidak hatását a χ korrekciós tényező felhasználásával vettük figyelembe. A talaj felé irányuló hőveszteség a rendelet szerint az épület kerülete alapján számítható a padló vonalmenti hőátbocsátási tényezője és egyszerűsített táblázatok segítségével. Ez a módszer azonban a részletes módszerként elfogadott MSZ EN ISO 13370:2017 [6] szabvány eredményeihez képest jelentősen eltérő eredményekhez vezet [7], ezért itt az utóbbi szabvány számítási módszerét alkalmaztuk.
Részletes megoldás esetén a hőhíd értékeket az MSZ EN ISO 14683:2017 egyszerűsített hőhídkatalógusként alkalmazható szabványból is ki lehet keresni, ehhez ismernünk kell a csomópont (hőhíd) típusát, rétegrendjét és hosszát. Amennyiben a kialakítás megtalálható a szabványban, a táblázatból kiolvasható a vonalmenti hőátbocsátási tényező (Ψ) értéke, amelyet felszorozva a hőhíd fajlagos hosszával, meghatározható a transzmissziós hőveszteség. A szabvány hátránya, hogy összesen csak nyolc különböző hőhíd típussal foglalkozik és a szigetelés anyaga, vastagsága, építőanyag használat és szerkezeti kialakítás tekintetében kevésbé változatos. A szabványban bemutatott épületszerkezetek nem felelnek meg a jelenleg hatályos magyarországi követelményeknek.
Az eredményeket meghatároztuk egy új magyar nemzeti hőhídkatalógus [8] alapján is. Az MSZ EN ISO 14683:2017 szabvánnyal szemben ez jóval részletesebb, 13 különböző hőhíddal foglalkozik. A hőhídkatalógus összesen körülbelül 20 000 vonalmenti hőátbocsátási tényezőt tartalmaz a legjellemzőbb épületszerkezeti csomóponti kialakítások tekintetében. A nagyszámú eredmény annak köszönhető, hogy az értékeket többféle határolószerkezet esetén is kiszámították, melyek során kiemelt szerep jutott a hazai termékgyártók építőanyagainak is (pl. több, mint 50 féle falazóblokk, többféle épületszerkezeti kialakítással, többféle födémszerkezet stb.), valamint az egyes építőanyagokat a gyártók, illetve a forgalmazók által közzétett teljesítményadatok alapján modellezték.
A numerikus végeselemes vizsgálatokhoz szükséges geometriát az MSZ EN ISO 10211:2017 szabvány alapján modelleztük, a hőtechnikailag nem releváns részleteket elhanyagolva (pl.: tetőcserép, tetőléc, ellenléc stb.). A modell, amely tartalmazza a központi elemet, metszősíkokkal határolt. A modell létrehozása során a szabványban meghatározotthoz képest nagyobb geometriai méreteket vettünk figyelembe, a metszősík és a központi elem távolsága legalább a szerkezeti vastagság 3-szorosa, vagy legalább 1 méter. Ahol lehetőség volt rá, ott 1,5 méteres távolságot vettünk a központi elemtől (3. ábra).
Néhány csomópont esetén a szabvány nagyobb geometriai méreteket követel meg. Ilyen például a lábazati csomópont, ahol vízszintes irányban legalább az épület szélességének felét szükséges a belső oldalon, illetve két és félszeresét a külső oldalon meghatározni. Függőleges irányban felfelé a korábban említett elvek érvényesek, míg lefelé haladva szintén a padlóvonal szélességének két és félszeresét kell felvenni. A dinamikus modell felépítéséhez szükséges, hogy a talaj vastagsága tíz méter, vagy azt meghaladó legyen, amelynek köszönhetően a felvett alsó metszősík mentén állandó hőmérsékleti értéket (9 °C) vettünk fel a modellezéshez a teljes naptári évre vonatkoztatva.
Minden csomópont esetén hét különböző numerikus modellt vizsgáltunk: 3 darab stacioner és 4 darab instacioner állapotot. Előbbi esetben hőtechnikai és kapcsolt hő- és nedvességtechnikai modellt is, utóbbi esetében csak hőtechnikai modellt használtunk. A hőtechnikai modellek esetében almodelleket is létrehoztunk, amelyek segítségével megvizsgáltuk a napsugárzás és a nedvességtartalom hatását a teljes hőveszteségre.
Stacioner állapotban az időjárási peremfeltételeket (külső-, belső léghőmérséklet és páratartalom) a budapesti fűtési időszak alapján vettük fel statisztikai alapon. A felületi hőátadási ellenállás értékei az MSZ EN ISO 6946:2017 szabványnak [9] megfelelnek.
A dinamikus vizsgálathoz szükséges időjárási adatokat órai bontásban a Budapestre vonatkozó Meteonorm 7 adatbázisa alapján határoztuk meg [10]. Ezen adatsorok alapján képzett peremfeltételek függenek a hőmérséklettől, relatív nedvességtartalomtól, hosszú- és rövidhullámú sugárzástól, szélsebességtől is, amelyek minden órában változnak. A modellezett időtartam összesen két év, amelyből csak a második év fűtési időszakát vizsgáltuk. A csapóeső hatását dinamikus kapcsolt hő- és nedvességtechnikai modell alkalmazásával lehetne figyelembe venni, melyet itt nem vizsgálunk.
Az anyagmodellek meghatározása komplex eljárást igényel.
Minden anyag esetén meg kell határozni a sűrűséget és a fajhőt, amelyeket konstansnak tekintünk. A további bemeneti adatok (szorpciós izoterma, folyadéktranszport tényező és a hővezetési tényező) az anyag nedvességtartalmától függenek, ezeket interpolálás segítségével határoztuk meg (4. ábra) a WUFI 6 szoftver [11] adatbázisa alapján. A nedvesség hatására változó hőtechnikai tulajdonságok az MSZ EN ISO 10456:2008 szabványból [12] és szintén a WUFI 6 szoftver adatbázisából határozhatók meg.
A pusztán hőtechnikai szimulációkon alapuló modellek esetén a szerkezetben jelenlévő és pontról pontra változó nedvességtartalom hatását nem lehet meghatározni, így nem lehet nedvességtartalom szerinti korrekciós értéket figyelembe venni az anyagok hővezetési tényezőjében. Közelítő módszerként két eltérő állapotban is vizsgáljuk a hőtechnikai modelleket.
Az első állapotban teljesen száraznak tekintjük a kialakítást (0% relatív nedvességtartalom), míg a második állapotban 50% relatív nedvességtartalmat feltételezünk, mely alapján számítható a nedvesség átszámítási együttható az MSZ EN ISO 10456:2008 szabvány módszertana szerint. A numerikus vizsgálatok COMSOL Multiphysics szoftverben készültek.
Eredmények
Egyszerűsített számítás a 7/2006 TNM rendelet szerint Első lépésként az épület tervdokumentációja alapján a TNM rendeletben felsorolt határoló szerkezetek csatlakozásainak fajlagos mennyiségét és a határoló szerkezetek területét szükséges összegezni, ez alapján a 7/2006. TNM rendelet szerinti táblázatból a χ korrekciós tényező is meghatározható.
Ezután egyirányú hőáramot feltételezve kiszámítható a termikus burkot határoló szerkezetek (külső fal, lapostető, beépített tetőtér, talajon fekvő padló) hőátbocsátási tényezője (Ufelületi). A χ értékkel módosított hőátbocsátási tényező (UR) és az eredetileg kiszámított U érték különbsége mutatja a vonalmenti hőveszteség 1 m2 határoló felületre vetített mértékét (1. táblázat, lásd a következő oldalon).
Az egyes szerkezetek korrigált hőátbocsátási tényezőjét a határoló belső felület nagyságával felszorozva és összegezve meghatározható az épület teljes transzmissziós hővesztesége W/K dimenzióban.
Az eredményekből jól látható, hogy az egyszerűsített számítás alapján a felületi hőveszteség közel 40 százaléka a falakon keresztül jön létre, míg második legnagyobb veszteséggel – összesen majdnem 25 százalék – a nyílászárók (tokszerkezet és üveg együttesen) rendelkeznek (2. táblázat, következő oldal). Természetesen a teljes energiamérleg vizsgálata esetén a nyílászárók szoláris nyeresége tovább árnyalná a képet.
A vonalmenti hőveszteségeket okozó hatások döntő többségét a külső határoló falszerkezet korrekciós tényezője tartalmazza.
A számítás menete könnyen követhető, gyorsan alkalmazható.
A hőhidak által okozott többlet hőveszteség jelentős pontatlanságokat tartalmazhat, mivel méretükre a fajlagos mennyiségükből (egy négyzetméterre vetített hőhídhossz) következtettünk, nem vettük figyelembe a csomópontok kialakítását.
A χ korrekciós tényezőket a rendelet kiadásakor, 2006-ban határozták meg, az akkor alkalmazott csomóponti kialakítások alapján, amelyek az elmúlt másfél évtizedben jelentős változásokon mentek keresztül az új építésű épületek esetén.
Hőhídkatalógus alkalmazása
Hőhídkatalógus alkalmazása esetén a termikus burkot határoló szerkezetek (külső fal, lapostető, beépített tetőtér, talajon fekvő padló) felületi hővesztesége továbbra is az egyszerűsített eljárás szerint kiszámított érték (összesen: 65,21 W/K), de a vonalmenti hőveszteségeket ezúttal a katalógusok alapján meghatározott értékekkel vesszük figyelembe (3. - 4. táblázat). Ha egy csomópontot a hőhídkatalógus nem tartalmazott, akkor azt a számítás során nem vettük figyelembe.
A vonalmenti hőátbocsátási tényezők értékein jól látható, hogy – ahol tartalmaz értéket – az MSZ EN ISO 14683:2017 szabvány jelentősen nagyobb értéket ad. Ennek egyik oka, hogy a régebbi, 1999-ben kiadott MSZ EN ISO 14683 egyszerűsített hőhídkatalógusként alkalmazható szabványt 2017-ben frissítették utoljára, de sem a meglévő csomóponti kialakításokhoz tartozó értékeket nem vizsgálták felül és nem bővítették a szabványt sem további csomópontokkal, sem eltérő anyagtulajdonságokkal. Az eredményeken is jól látható, hogy a Nemzeti hőhídkatalógushoz képest a szabvány csak fele annyi kialakítást tartalmaz. További hátránya, hogy a csomóponti kialakítások sematikusak, a szigetelés elhelyezkedést ábrázolják csak (nem lehet eltérő vastagságú fal és szigetelés vastagságokat választani).
A legnagyobb mértékű eltérés a lábazati hőhíd esetén tapasztalható, ahol több, mint tizenkétszeres eltérés tapasztalható a két hőhídkatalógus által meghatározott vonalmenti hőátbocsátási tényező értékei között. A szabvány szerinti nagyobb hőveszteség egyik legfőbb oka, hogy a minta csomópontokban nem alkalmaznak lábazati szigetelést, míg a Nemzeti hőhídkatalógus esetén lábazati hőszigeteléssel rendelkező kialakítást tudtunk figyelembe venni (mint a tényleges épületben).
A Nemzeti hőhídkatalógus változatos az építőanyagok (szinte az összes hazai piacon megtalálható falazóelemet és szigetelést tartalmazza) és kialakítások tekintetében (eltérő rétegvastagságok, csomópontot alkotó anyagok és a szigetelések kialakítása is változik), ennek köszönhetően a csomópontok többségét jó megközelítéssel megtaláltuk. A nagy adathalmaz ellenére (összesen közel 20 000 ψ értéket tartalmaz) áttekinthető, jól alkalmazható.
A felületi hőveszteségek és az egyes hőhíd típusokhoz tartozó hosszuk meghatározását követően a hőhídkatalógus alkalmazásával a vonalmenti hőveszteségek nagyon gyorsan és egyszerűen meghatározhatók.
Numerikus végeselemes vizsgálatok
A numerikus végeselemes vizsgálatok kiértékelése során az átlagos hőáramsűrűség nagyságából és a belső – külső léghőmérséklet különbségéből meghatározható az egyes határoló szerkezetek (fal, lapostető, magastető, padló) hőátbocsátási tényezője: ahol: Uekvivalens – hőátbocsátási tényező [W/(m2·K)] qátl – teljes belső oldal átlagos hőáramsűrűsége [W/m2] Ti – belső léghőmérséklet [K] Te – külső léghőmérséklet [K] Az egyes csatlakozások vonalmenti hőátbocsátási tényezője (többlet hővesztesége) az alábbi összefüggéssel számítható: ahol: z – vizsgált elem szélessége (1 méter) [m] Ψk – „k” csatlakozási hőhíd vonalmenti hőátbocsátási tényezője [W/(m·K)] lteljes – vizsgált kialakítás teljes belső oldali hossza [m] Ui – ismert határoló szerkezet hőátbocsátási tényezője [W/(m2·K)] li – ismert határoló szerkezet hossza [m] A három stacioner állapotú numerikus végeselemes vizsgálat közül a kapcsolt hő- és nedvességtechnikai (HAM) vizsgálat tekinthető pontosabb eredményt szolgáltató módszernek, mivel több fizikai folyamatot vesz figyelembe.
A várakozásoknak megfelelően minden esetben a száraz (0% relatív nedvességtartalommal rendelkező), csak hőtechnikán alapuló vizsgálat eredményezte a legkisebb felületi és vonalmenti hőátbocsátási eredményeket és a legmagasabb felületi minimum hőmérsékletet (5. táblázat).
A maximális értékek esetén a rétegrendek nedvességre való érzékenysége volt a legnagyobb befolyással. Ha a kialakítás érzékenyebb a nedvességre, akkor könnyen kialakulhat 50% feletti relatív nedvességtartalom is, amelynek következtében az 50% relatív nedvességtartalom melletti hőtechnikai modell eredménye kisebb a kapcsolt hő- és nedvességtechnikai szimulációhoz képest. Ha a kialakítás kevésbé érzékeny a nedvességre, az esetben nagyobb a hőveszteségek mértéke. Összességében kijelenthető viszont, hogy az 50% relatív nedvességtartalom mellett vizsgált hőtechnikai modell jobban megközelíti a pontosabbnak tekinthető HAM modell eredményeit.
A korábbiakkal párhuzamban a transzmissziós hőveszteség mértékéből is jól látható, hogy a három módszer közül a 0% relatív nedvességtartalom melletti hőtechnikai modell közel 12%-kal kisebb értéket ad a kapcsolt hő- és nedvességtechnikai vizsgálathoz képest, míg az 50% relatív nedvességtartalommal számított csomópont 7%-kal nagyobbat.
Dinamikus hőtechnikai modell esetén az eredmények kiértékelése azonos a stacioner állapotban ismertetett módszerrel.
A különbség, hogy instacioner vizsgálat esetén 4369 (fűtési időszak óra egységre bontva) eltérő környezeti állapotot (külső és belső léghőmérséklet és relatív páratartalom) vizsgálunk október 15. és április 15. között, ami a fűtési időszaknak feleltethető meg.
A hőátbocsátási tényező definíciója állandósult állapotra vonatkozik, emiatt a kiértékelés előtt fontos megvizsgálni, hogy a különböző épületelemek csomóponti hőátbocsátási tényezőjét (L2D) a numerikus vizsgálatokból legalább mekkora mértékű hőmérsékletkülönbség esetén vegyük figyelembe. Ha kicsi a hőmérsékletkülönbség, akkor csökken a hőáramsűrűség nagysága is, de fontos, hogy ez a csökkenés nem egyenesen arányos. Ezeket a kiugrásokat ki tudjuk szűrni (minimalizálni) a helyes minimális hőmérsékletkülönbség megválasztásával (6. táblázat és 5. ábra).
Az eredményeket megvizsgálva a számítás során figyelembe veendő legkisebb minimális hőmérsékletkülönbséget 10 Kelvinben határoztuk meg. Ez esetben jelentős adatveszteség még nem tapasztalható, de a nagyméretű kiugrások már kiszűrésre kerültek.
Négy különféle vizsgálatot hajtottunk végre dinamikus állapotban:
- sugárzást tartalmazó, 0% relatív nedvességtartalom,
- sugárzást tartalmazó, 50% relatív nedvességtartalom,
- sugárzást nem tartalmazó, 0% relatív nedvességtartalom,
- sugárzást nem tartalmazó, 50% relatív nedvességtartalom.
A négy vizsgálati módszer közül a legnagyobb hőveszteség a sugárzást tartalmazó 50%-os relatív nedvességtartalommal rendelkező modell esetén adódott, míg a legkisebb a sugárzás nélküli, száraz vizsgálat esetén (7. táblázat). A két modell egymástól való eltérése összesen közel 30%, ennek hozzávetőlegesen 42%-a a hőhidaknál jelentkezik.
A dinamikus vizsgálati módszer során vettük figyelembe a legtöbb fizikai folyamatot, illetve ehhez a számítási módszerhez szükséges a legnagyobb időtartam az összes bemutatott vizsgálati mód közül. A számítási módszer sajátossága, hogy nagy számítógépes erőforrást követel meg, mely kapcsolt hőés nedvességtechnikai szimuláció esetén hatványozottan igaz.
Egyes csomóponti kialakítások és külső határoló szerkezetek fajlagos hőveszteségeinek összehasonlítása
Az alábbiakban összehasonlítjuk a külső határoló szerkezetek és csomóponti kialakítások hőátbocsátási tényezőit, illetve a numerikus vizsgálati módszerek közötti eltéréseket. A nyílászárók üveg- és tokszerkezeteinek hőátbocsátási tényezőit gyártói katalógus alkalmazásával határoztuk meg, így a különböző környezeti feltételek esetén nincs eltérés.
A 6. ábrán (következő oldal) jól látható, hogy a fal és lapostető szerkezet esetén nincsen számottevő eltérés a vizsgálati módszerek között. A magastető határoló szerkezet hőátbocsátási tényezőjének nagyságát alapvetően a belső nedvességtartalom befolyásolja, az egymáshoz tartozó környezeti feltételek esetén (0% vagy 50% relatív nedvességtartalom) nincsen jelentős eltérés az állandósult, illetve időben változó vizsgálati módszer között.
A talajon fekvő padlószerkezet esetén a stacioner környezeti állapot nagyobb eredményt adott, mint a dinamikus vizsgálati módszer.
Ez alapján a padlószerkezet hőveszteségének számítása során egyszerűsített esetben és stacioner vizsgálat esetén jelentősen nagyobb értéket veszünk figyelembe, mint a valóságot jobban megközelítő időben változó környezeti feltétel alkalmazása esetén.
A 7. ábra a négy eltérő trendet szemlélteti a különböző környezeti feltételek mellett vizsgált numerikus modellek esetén (összesen 15 különböző csomóponti kialakítást vizsgáltunk).
A falsarokhoz hasonlóan a nyílászáró – áthidaló, a tűzfal, a lapostető – földszinti nyílászáró áthidaló csatlakozásának ψ értékét alapvetően a nedvességtartalom nagysága befolyásolja. A közbenső födém, a lapostető – földszinti fal, a lapostető – emeleti ajtó és a tetőtérbeépítés csomópontok esetén a dinamikus vizsgálatok eredményei nagyobb ψ értéket, míg az ereszvonal, a nyílászáró – parapet nélkül, a lábazat és a nyílászáró parapet kialakítások esetén a dinamikus vizsgálatok kisebb értéket adnak a stacioner eredményekhez képest.
A nyílászáró oldalsó beépítésének és a válaszfal – főfal csatlakozás vizsgálata során a nedvességnek és a vizsgálati állapotnak is nagy hatása volt a ψ értékre. Csak a lapostető – emeleti fal csatlakozás esetében tekinthetőek a különböző numerikus vizsgálatok eredményei szinte egyezőnek.
Az egyes környezeti feltételeket tekintve egy kialakítás esetén megállapítható, hogy a legtöbb esetben a legkisebb és legnagyobb megállapított fajlagos hőveszteség között ±50% különbség is adódhat, mely számottevő eltérés. Fontos kiemelni, hogy itt viszonyított helyzetekről beszélhetünk, nem tudjuk meghatározni, hogy a vizsgálati módszerek közül a dinamikus, de nedvességtranszportot nem tartalmazó, vagy a stacioner állapotú, de nedvességtranszportot is tartalmazó modell közelíti-e jobban a valóságot.
A saját léptékben mért hőmérsékletet vizsgálva az összes csomópont esetén ± 3%-on belül találhatóak az értékek, ez alapján biztonsággal kijelenthető, hogy a szerkezeti kialakítás felületén páralecsapódás és penészedés nem várható (minimális követelmény, hogy fRsi>0,8 esetén a csomópont állagvédelmi szempontból biztonságosnak tekinthető).
A módszerek közötti eltérés
A felületi hőveszteségek tekintetében megközelítőleg ±10%on belül mozog az összes módszer szerinti eredmény, jelentősebb eltérések a vonalmenti hőveszteségek vizsgálata során tapasztalhatók. A vonalmenti hőveszteségek értéke az egyszerűsített eljárással a legalacsonyabb, majdnem 50%-kal alulmaradt a többi módszer átlagához képest. Ennek oka, hogy a korrekciós értéket csak a hőhidak fajlagos mennyisége alapján szükséges meghatározni, a típusát nem tudjuk figyelembe venni.
A várakozásoknak megfelelően jól látható, hogy a legmagasabb értékek az MSZ EN ISO 14683:2017 szabvány használata során adódtak, ez közel 90%-kal meghaladta a többi módszer szerinti vonalmenti hőveszteségek átlagát. Ennek oka a korábban említett elavultság és kisebb részletgazdagság.
A Nemzeti hőhídkatalógus használatával nagyobb eredményt kaptunk, mint az egyszerűsített eljárással. Az eredmény a stacioner, 0% relatív nedvességtartalmú hőtechnikai szimuláció értékét közelíti meg. Használata lényegesen egyszerűbb és gyorsabb az összes többi bemutatott módszerhez képest.
A vizsgálatokból jól látható, hogy a sugárzás figyelembevételének hatása átlagosan 5%-kal növeli a végeredményt, mely többlet hőveszteség főként a vonalmenti hőhidaknál jelentkezik. 50%-os nedvességtartalom hatására körülbelül 20%-kal romlik a kialakítás teljesítőképessége.
Az időben változó környezeti feltétel mellett vizsgált modellek teljes hőveszteségre vonatkozó értékeit megfigyelve megállapítható, hogy kisebb eredményt határoz meg, mint az azonos nedvességtartalom mellett vizsgált időben állandósult modell esetén. Kijelenthető ez alapján, hogy a stacioner modell alkalmazása a biztonság javára közelíti a teljes transzmissziós hőveszteség értékét. Az eredményeket a 8. ábra mutatja.
A hőveszteségek részarányának összehasonlítása
A vizsgált épület teljes hőveszteségének hozzávetőlegesen a 22%-a jön létre a hőhidakon keresztül (lásd a 9. ábrát a következő oldalon). Az épület egy átlagos új épületnek tekinthető, de más geometria, illetve más szerkezeti kialakítások esetén a vonalmenti hőveszteségek aránya ettől eltérő lehet.
Konklúzió
A kutatás célja az épületek hőhídhatását vizsgáló módszerek összehasonlítása volt egy – a magyar piacon – tipikusnak tekinthető új építésű lakóépület példáján. Összevetettük a 7/2006. TNM rendelet szerinti egyszerűsített módszert, az MSZ EN ISO 14683:2017 szabvány szerinti egyszerűsített hőhídkatalógust, a részletes új Nemzeti hőhídkatalógust, továbbá részletes, kétdimenziós hőtechnikai, illetve kapcsolt hő- és nedvességtranszport szimulációk eredményeit stacioner és instacioner állapotban is.
Elsősorban azt fontos kiemelni, hogy az összes numerikus modell alapján a csomóponti kialakítások saját léptékben mért hőmérséklete minden esetben meghaladta a 0,8 értéket, azaz kijelenthető, hogy általános felhasználói feltételek mellett állagvédelmi szempontból biztonságosnak tekinthetők.
Az egyszerűsített számítás a felületi hőveszteségeket kielégítő pontossággal határozza meg a többi vizsgálati módszer átlagához képest, de a vonalmenti hőveszteség mértéke kisebb. Ez ellentmond annak az általános feltételezésnek, hogy az egyszerűsített módszer a biztonság javára téved. Alacsony energiaigényű épületek esetében az egyszerűsített módszer kisebb hőveszteségeket eredményezhet, mint a részletes számítás. Alkalmazása csak abban az esetben javasolt, ha elegendő nagyságrendileg meghatározni az épület hőveszteségeit.
Az MSZ EN ISO 14683:2017 szabvány alkalmazása nem ajánlott semmilyen helyzetben sem, nem nyújt megfelelő alternatív megoldást. Elavultsága, változatosságának hiánya miatt ennek a szabványnak a frissítése javasolt.
A vizsgált épület esetén jobb alternatívát nyújtott a Nemzeti hőhídkatalógus, amely mind könnyű áttekinthetőségével, mind egyszerű és gyors használatával kiemelkedik a többi módszer közül, ugyanakkor nagyságrendileg a stacioner hőtechnikai 0% relatív nedvességtartalmú modell eredményeit közelíti meg. A Nemzeti hőhídkatalógus további előnye, hogy egyszerűbben bővíthető, sűrűbben felülvizsgálható, mint az MSZ EN ISO 14683:2017 szabvány. A hőhídkatalógusban nem minden kialakítás található meg, ilyen esetben az adott vonalmenti többlet hőveszteséget a számítás során nem lehetséges figyelembe venni. A hőhídkatalógusban nem található csomópontok esetén numerikus vizsgálat szükséges.
A 2D stacioner vizsgálati modell kitűnően alkalmazható összetettebb rétegrendek és számos hőhídjelenség vizsgálatára, kevésbé időigényes, mint az időben változó környezeti vizsgálati eljárás, de még így is jelentősen több időt igényel, mint az egyszerűsített számítási eljárás. Ennek ellenére a számítógépek és szoftverek fejlődésével az általános tanúsítási feladatra is alkalmazhatóvá válhat.
A dinamikus hőtechnikai vizsgálatot hosszabb futási ideje miatt jelenleg csak kutatási célra javasolt alkalmazni.
Köszönetnyilvánítás
Ez a kutatás kapcsolódik az „Épületek és épületszerkezetek életciklus- és épületfizikai szemléletű optimalizációja komplex numerikus modellezéssel” című, FK 128663 számú kutatási projekthez, mely a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból biztosított támogatással, az FK_18 pályázati program finanszírozásában valósult meg.
Irodalomjegyzék:
[1] MSZ EN ISO 10211:2017 Hőhidak az épületszerkezetekben. Hőáramok és felületi hőmérsékletek. Részletes számítások
[2] Hua Ge, Fuad Baba: Effect of dynamic modelling of thermal bridges on the energy performance of residential buildings with high thermal mass for cold climates [Sustainable Cities and Society, October 2017, Volume 34, Pages 250-263 (2017)]
[3] Kalle Kuusk, Jarek Kurnitski, Targo Kalamees: Calculation and compliance procedures of thermal bridges in energy calculations in various European countries [Energy Procedia, October 2017, Volume 132, Pages 27-32 (2017)]
[4] 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról
[5] MSZ EN ISO 14683:2017 Hőhidak az épületszerkezetekben. Vonal menti hőátbocsátási tényező. Egyszerűsített módszerek és kiinduló értékek
[6] MSZ EN ISO 13370:2017 Épületek hőtechnikai viselkedése. Hőátvitel a talajban. Számítási módszerek
[7] Nagy Balázs (2017): Talajjal érintkező szerkezetek épületfizikája 3. rész, Megtérülő Épületenergetika IV. évf. 2. szám, 35-40. oldal
[8] Nagy Balázs: Nemzeti Hőhídkatalógus, 2020
[9] MSZ EN ISO 6946:2017 Épületszerkezetek és épületelemek. Hővezetési ellenállás és hőátbocsátás. Számítási módszerek
[10] Nagy Balázs: Hygrothermal Behavior of Modern Masonry Building Constructions [Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola, Stocker György. A disszertáció benyújtásának éve 2019, a védés éve 2019, a fokozatszerzés éve: 2019]
[11] WUFI PRO 6.0 szoftver anyagadatbázisa, 2018
[12] MSZ EN ISO 10456:2008 Építési anyagok és termékek. Hő- és nedvességtechnikai tulajdonságok. Táblázatos tervezési értékek, illetve eljárások a közölt és tervezési hőtechnikai értékek meghatározására.
Forrás: Magyar Épületgépészet