belépés / regisztráció
2019. május 20. hétfő
Aktuális lapszám

Fűtött üvegszerkezetek szerepe a belső tér hőérzeti és energetikai viszonyainak alakításában

A felületfűtések alkalmazásának számos oka lehet a konkrét műszaki-gazdasági indokoktól kezdve egészen a divatig. Napjainkban, amikor a versenyhelyzet egyik meghatározó eleme a pénz, a gazdaságossági szempontok mindig előtérbe kerülnek. Többször is előfordul, hogy bár gazdaságossági vonatkozásban „bejönnek” a számítások, általában a fűtéssel is „minden rendben van”, azonban egy-egy elejtett mondat arra utal, hogy a fűtött tér egyes helyein mégis mutatkoznak kisebb hőérzeti problémák.

 

Például egy tetőtéri lakás ferde szerkezeti része falfűtéssel van ellátva (1. és 2. ábra), amely tetőhéjalásba egy ablakszerkezet is be van építve. A lakó szerint „húz” az ablak, azaz légzárási elégedetlenségét fogalmazza meg. Az ablak légzárásának ellenőrzése során nem állapítható meg olyan jelentős légáteresztés, amely a belső térben „huzatot” eredményezne.

A 3. ábrán látható térrészben padlófűtés készült (4. ábra). Az üvegszerkezetek mellett konvektív hőleadókkal kiegészítve (5. ábra), ülő foglalkozás mellett mégis hőérzeti elégtelenség tapasztalható. Előfordulhat mennyezetfűtésnél, például irodában az üvegfal mellett és a tér belsejében ülők vitája arról, hogy mennyire van a fűtés jól beállítva. Megtörténhet, hogy az ilyen viták csak a fűtési idény végén szűnnek meg jelezvén, hogy a „helyzet” tartós megoldása nincs a rendszerbe beépítve.

Rövid elemzés

Az említett esetekben jelentős szerepet játszanak a felületek különböző hőmérsékleti viszonyaiból adódó sugárzási aszimmetriák. Ezen aszimmetriák kialakításában nyilvánvalóan az üvegszerkezetek játszanak jelentős szerepet, amelyek hőmérsékletviszonyai lényegesen kedvezőtlenebbek, mint a tömör határolószerkezetek felületi hőmérséklete. Megjegyzendő azonban, hogy lehetnek egyéb tényezők is, pl. egy intenzívebb konvekciós áramkép megjelenése a vizsgált zónában, amely az egyéb tényezők hatását felerősíti.

A hőérzeti viszonyok javításában alapvetően két stratégiai elemet helyezhetünk az előtérbe:

1. a tér fűtési jellemzőinek változtatását,
2. a szerkezet – esetünkben az üvegszerkezet – hőtechnikai jellemzőinek változtatását.

A tér fűtési jellemzőinek változtatásán az alábbi elemek kerülhetnek az előtérbe:

  • a belső léghőmérséklet növelése,
  • a fűtési hőbevitel hőérzeti szempontból történő korrekciója.

A belső hőmérséklet növelése, amely az alábbi problémákat veti fel:

  • a magasabb hőmérsékleti üzem miatt akár 15-25%-os fűtési energianövekedés,
  • a túlfűtés következtében a tér egyes tartózkodási zónájában már kedvezőtlen hőérzet alakulhat ki, ezért a hőérzeti problémát még a fűtési energia növelése árán sem lehet tartósan megoldani.

A fűtési hőbevitel hőérzeti szempontból történő korrekciójával, mint megoldással, – a fentiekben említett lehetőségek közül –, az első két esetben hatásos beavatkozási lehetőséggel gyakorlatilag nem számolhatunk. Mind a padlófűtés, mind a falfűtés ugyanis egy kötött hőbevitelt jelent, amelyen üzembe helyezés után már nem egyszerű változtatni.

A mennyezetfűtés esetén elméletileg lehetőség van a fűtési hőbevitel módjának bizonyos változtatására (ha ezt a lehetőséget technikailag a rendszerbe beépítették), ami azt jelenti, hogy a mennyezeti felület egyes zónáin különböző hőmérsékleteket hozunk létre a hőmérsékleti aszimmetria csökkentésére.

A fentiekben említett esetekkel kapcsolatosan megjegyzendő még, hogy hazai vonatkozásban a belső terek hőtechnikai viszonyainak kialakításánál inkább dominálnak az energetikai szempontrendszerek (a hőmérleg központú méretezés), és csak ritkán jellemzi a tervezési folyamatot a hőérzeti viszonyok ellenőrzése függetlenül attól, hogy a térképzés célja éppen a megfelelő hőérzet kialakítása lenne.

A fentiekben összefoglalt rövid elemzésünk során a tér fűtési jellemzőinek szerepére egyszerű értékelést végeztük el. Megállapítható (főleg elkészült rendszerek esetén), hogy nincs garancia arra, hogy szabályozástechnikai beavatkozással hőérzeti szempontból mindig megnyugtató megoldás születik, ha viszont igen, annak többletenergetikai vonzata van.

Célszerű tehát az előzőekben említett, a hőérzeti javítással összefüggésbe hozható 2. elemet, azaz az üvegszerkezet hőtechnikai javítását megvizsgálni.

Az üvegszerkezet hőtechnikai jellemzőinek javítása

Néhány sajátosság kiemelése

Az üvegszerkezet hőtechnikai szerepe (kedvezőtlen szerepe) szakemberek számára általánosan ismert, azonban néhány jellemzőt célszerű előzetesen kiemelni.

A hőszigetelő üvegezés teljesítménye

A hagyományos (Low-e és nemesgáz nélküli) hőszigetelő üvegezések hőátbocsátási tényezője 3W/m2K érték közelében alakul ki. Ez az érték még a 70-es években gyártott B30-as blokknál, illetve a kisméretű téglából készült 38-as falszerkezetnél is kétszer nagyobb (tehát rosszabb) hőszigetelési teljesítménnyel rendelkezik. A napjainkban korszerű kétrétegű üvegezések hőátbocsátási teljesítménye 1-1,1 W/m2K értékkel jellemezhető, amely bár lényegesen jobb a hagyományos hőszigetelő üvegezéseknél, de még mindig több mint kétszerese a falszerkezetek hőátbocsátási tényezőjére megadott követelményértékeknek.

Megállapítható, hogy bár az üvegezések hőszigetelési teljesítménye az épületfizikai fejlesztések során nagymértékű javuláson ment keresztül, a tömör határolószerkezetekhez képest még mindig „nem eléggé hőszigetelőek”.

(Megjegyzés: vannak a fenti értékeknél lényegesen nagyobb teljesítményű üvegszerkezetek is, de azok nem kétrétegűek, vagy nem nevezhetők általánosan elterjedtnek.)

A kis fajlagos tömegből adódódó sajátosságok

Az üvegszerkezetek gyakorlatilag a legkisebb fajlagos tömegű alrendszerei az épületnek. Ebből következik, hogy a külső téri lehűlésekre gyorsabban és kisebb csillapítással reagálnak, azaz a belső felületi hőmérsékletükkel jól lekövetik a külső téri lehűléseket. Ennek következtében tovább nőhet a lehűlési periódusban a hőmérsékleti aszimmetria.

A sugárzástechnikai sajátosságok az infra tartományban

Az üvegszerkezetek hőtechnikai sajátossága az infra tartományba eső sugárzástechnikai tulajdonságokból is adódhat. Az üveg infra tartományba eső relatív emissziós tényezője 0,9-0,95 értékeket is elérheti. Ebből az alábbiak következnek:

  • A belső térben
    A nagy emissziós tényezőjéből következően, nagy az abszorpciós tényezője is (lsd. a Kirchhoff törvényt), amelyből következik, hogy irányába a testek nagy intenzitású sugárzást adnak le, amely még tovább fokozhatja a sugárzási aszimmetriát. Ez a hatás különösen akkor mutatkozhat meg, ha a belső tér egyéb felületeinek az emissziós tényezője az üveg emissziós tényezőjénél alacsonyabb.
  • A külső térben
     nagy emissziós tényezőjéből következően, az égbolt irányában az üveg felülete jelentős sugárzási teljesítményt adhat le. Amennyiben a külső égbolt viszonylag jól látja az üvegfelületet, illetve a külső környezetből intenzív sugárzási energia az üvegszerkezetre nem érkezik, annak felületi hőmérséklete több K-el is a külső levegő alá hűlhet, jellemzően az esti, éjszakai órákban. (Ilyen esetekben az αe=24W/m2K külső oldali hőátadási tényező pontatlan.)

A hőtechnikai javítás eszközei

A hőtechnikai javítás esetünkben azt jelenti, hogy növeljük az üvegszerkezetek belső felületi hőmérsékletét.

A felületi hőmérséklet növelése transzmissziós tulajdonságok változtatásával: az üvegfelület belső felületi hőmérséklete /tüb/ az alábbi, ismert összefüggéssel számítható stacioner hőtechnikai állapotban.

(képlet) /1./

ahol:

ti belső hőmérséklet
te külső hőmérséklet
αi belső oldali hőátadási tényező
Uü az üvegezés hőátbocsátási tényezője

Az /1/ összefüggés mutatja, hogy az üveg belső felületi túlhőmérséklete (ti- tüb) a hőátbocsátási tényezővel egyenesen arányos. Kétrétegű üvegezések esetén, a jelenlegi üvegszerkezeteket szem előtt tartva, az 1- 1,1W/m2K értéknél lényegesen alacsonyabb értékek nem várhatók. A hőátbocsátási tényező jelentős csökkenésével az ún. vákuum üvegszerkezetek, illetve háromrétegű üvegezések esetén lehet számolni. Az ilyen szerkezetek hőátbocsátási tényezője 0,5W/m2K érték közelében várható.

A felületi hőmérséklet növelése az üveglap fűtésével: az üvegszerkezet üveglapjának (belső üveglap) fűtésével elérhető, hogy a hőmérséklete téli viszonyok között növekedjen.

Ezen elgondolás alapján alapvetően kétféle üzemmódot célszerű megkülönböztetni:

  1. Az üveg „hőérzeti üzemmódban”, amely azt jelenti, hogy a belső felületen kialakítandó hőmérséklet alacsonyabb, vagy legfeljebb egyenlő a belső hőmérséklettel.
  2. Az üveg „fűtési üzemmódban”, amely azt jelenti, hogy a belső felületén kialakítandó hőmérséklet magasabb a belső hőmérsékletnél.

Mindkét eset vonatkozásában számos épületfizikai gazdaságossági és funkcionális elemzést kellene lefolytatni ahhoz, hogy az alkalmazandó rendszerre számszerűsített megoldásokhoz, tervezési adatbázishoz jussunk.

A következőkben az 1. pontban említett „hőérzeti üzemmódra” mutatunk rá egyszerű eszközökkel.

Írjuk fel a belső, fűtött üveglap hőmérlegét (6. ábra).

(képlet) /2./

ahol:

q az üveg fűtési hőárama
qKI az üvegszerkezetből kilépő hőáram
qBF az üveg belső felületére lépő hőáram

A /2/ összefüggés az alábbiak szerint is részletezhető:

(képlet) /3./

ahol még ismeretlen jellemzők:

ai belső oldali hőátadási tényező a levegő és az üveglap között
tI belső léghőmérséklet
tüf az üveg belső, fűtött felületi hőmérséklete
te külső léghőmérséklet
UBF a belső felület és a külső tér között számítható hőátbocsátási tényező

A következőkben vizsgáljunk meg három kérdést a fentiekben ismertetett egyszerű megközelítési rendszerben!

  1. Milyen fűtési teljesítmény rendelhető ahhoz az állapothoz, amelynél az üveg hőmérséklete megegyezik a környező falszerkezet hőmérsékletével. (Az üvegszerkezet hőtechnikailag „bele van olvasztva” a környezetébe.)
  2. Hogyan alakul ebben az esetben a fűtetlen üvegszerkezethez képest kialakuló többlet energiaforgalom.
  3. Hogyan alakul a fűtetlen üvegszerkezethez képest a kialakuló energiaforgalom abban az esetben, ha az üvegszerkezetet a belső levegő hőmérsékletére fűtjük. (Az üvegszerkezetet hőtechnikailag egy belső határolószerkezetté „alakítjuk át”.)

Amennyiben azt tartjuk szem előtt, hogy a fűtött üvegezésű üvegszerkezetünket éppen olyan hőmérsékletre fűtjük, mint a külső falszerkezetünket, akkor a /3/ összefüggésünket az alábbi formába alakíthatjuk át.

(képlet) /4./

ahol még ismeretlen jellemzők:

UFAL a falszerkezet hőátbocsátási tényezője

Amennyiben nem lenne fűtés az üvegen, a kialakuló energiaforgalom (1m2-re számítva), az alábbi összefüggéssel határozható meg:

(képlet) /5./

ahol még ismeretlen jellemzők:

UÜ0 az üvegszerkezet hőátbocsátási tényezője
qKI0 kilépő hőáram fűtés nélküli üvegen

A 2. kérdésre /4/ és az /5/ összefüggések arányával válaszolhatunk.

(képlet) /6./

A 3. kérdésre a /6/ összefüggés felhasználásával válaszolhatunk. A belső határolószerkezetek hőtechnikailag úgy is felfoghatók, mint végtelen jó hőszigeteléssel rendelkező külső határolószerkezetek. A /6/ összefüggésben ez azt jelenti, hogy az UFAL=0. Az összefüggés az alábbi egyszerű alakot veszi fel.

(képlet) /7./

Az UBF az alábbiak szerint számítható:

(képlet) /8./

A /8/ összefüggést a /7 /-be helyettesítve kapjuk:

(képlet) /9./

A nevező éppen az üvegezés saját léptékben mért belső felületi hőmérséklete: (QÜ)

(képlet) /10./

Amennyiben pl. az üvegszerkezet hőátbocsátási tényezőjét UÜ=1W/m2K értékkel, a belső oldali hőátadási tényezőt αi=8W/m2K értékkel szerepeltetjük, a qki/qkiü arány 1,14 lesz.

Ez azt jelenti, hogy a hőérzetjavító intézkedés az üvegszerkezeten kialakuló energiaforgalom 14%-os növekedésébe kerül, amely az összes fűtési energiának kisebb, mint 14%-a, mivel az egyéb szerkezeti részeken is van hőáramlás. Ha pl. azt tételezzük fel, hogy az összes hőveszteségnek az üvegszerkezetekre éppen a fele jut, ez a beavatkozás az egész térre vonatkozóan 7%-os növekedést jelent.

Amennyiben a belső tér hőmérsékletének növelésével kívánnánk az aszimmetria hatását csökkenteni, 15- 20%-os energetikai növekedésre is kellene számítani. Amennyiben figyelembe vesszük, hogy az üveg fűtése pontosabban szabályozható, illetve illeszthető az igényekhez, a fenti különbség a fűtött üveg javára tovább javul.

A fűtött üvegezés egyik lehetséges változata

A fűtött üvegezés egyik kísérleti változata látható a 7. ábrán, amelyet a Rákosy Glass Kft. készített.

Az ábrán látható mintával kapcsolatosan két megjegyzés:

Az üvegezés közepén látható világos színű, négyzetes eszköz egy hőárammérő lap, amely nem tartozik az üvegezéshez.

Az üvegezésről készült felvételen nem látszanak a fűtőszálak. Ez a valóságban is így van. Az üvegszerkezetről szemrevételezéssel nem érzékelhetők a fűtőszálak.

A 8. ábrán az üvegszerkezet termovíziós képe „fűtési üzemmódban”, azaz maximális beépített teljesítménynyel üzemeltetve. Az ábra alapján megállapítható, hogy közelítéssel az üvegfelület átlagos hőmérséklete 80-82 °C hőmérsékletek közelében alakul ki, laboratóriumi körülmények között.

A 9. ábrán az üvegszerkezet termovíziós képe fűtési üzemmódban a fűtetlen oldalon. A hőmérsékleti adatok azt mutatják, hogy az átlagos hőmérséklet 41-42 °C értékekkel jellemezhető, laboratóriumi körülmények között.

A fűtött üvegezés radiátor funkcióban

A fűtött üvegezésből radiátor is készíthető, mégpedig egy igazi sugárzó, amely nagy emissziós tényezője miatt „fekete testként” működik. A radiátor „szabadabb” felhasználását segítheti az, hogy a fűtőszálak fizikailag rejtve vannak, amely lehetővé teszi, hogy a belső tér építészeti megjelenéséhez illeszkedő sugárzóelem kerüljön kialakításra.

Ezeket a megállapításokat a fentiekben már megemlített Rákosy Glass Kft. kísérleti termékei is jól illusztrálják. A 10. ábrán egy olyan fűtőelem látható, amelynél a rétegek között víztiszta fóliát helyeztek el. A 11. ábrán látható megoldásnál az üvegrétegek közé helyezett színes fólia olyan megjelenést kölcsönöz a radiátornak, amelynek segítségével az harmonizál a belső teret díszítő képekkel, berendezésekkel.

Összefoglalásként megállapítható, hogy a belső komfort viszonyok javítása az üvegfelületek hőmérsékletének emelésével javítható. Az előzőekben lefolytatott egyszerű számítások azt sugallják, hogy az alkalmazásában van energetikai tartalék. Azzal kapcsolatosan, hogy ebből a tartalékból a fűtött üveg kiépítése hogyan valósítható meg, mind az épületfizikai, mind az építési, illetve üzemelési költségek vonatkozásában további vizsgálatokat kell végezni.

Felhasznált irodalom:
[1] ifj. Várfalvi János: Kellemes hőérzet és energiamegtakarítás korszerű üvegszerkezetekkel. Magyar Épületgépészet LV évfolyam, 2. szám
[2] MSZ EN ISO 7730 számú szabvány
[3] MSZ CR 1752 számú szabvány Dr. Várfalvi János PhD egyetemi docens BME Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék Ifj. Várfalvi János okl. gépészmérnök BME Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

***

1. ábra. Tetőtéri ablak a ferde héjazatban
2. ábra. A ferde héjazat hőmérséklete falfűtés esetén
3. ábra. A padlófűtött tér
4. ábra. Hőmérsékletviszonyok a padló felületén
5. ábra. Hőleadók az üvegszerkezetnél
6. ábra. A belső üveglap hőmérlege
7. ábra. A fűtött üvegezés egy kísérleti mintája
8. ábra. A fűtött termovíziós képe a fűtött oldalon
9. ábra. A fűtött termovíziós képe a fűtetlen
10. ábra. A fűthető üveg, a rétegek között víztiszta fóliával laminálva
11. ábra. A fűthető üveg, a rétegek között színes fóliával laminálva

 

Dr. Várfalvi János PhD
BME, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

Ifj. Várfalvi János
okl. gépészmérnök
BME Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

A szerzõ egyéb cikkei:

  Szimulációk az optimális szerkezetépítés tükrében
  Gondolatok az épületfizikai minõségről
  Depóniahő közvetlen hasznosítása II.
  Depóniahő közvetlen hasznosítása I.

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam