Milyen vastag legyen a hőszigetelés 2.0 – egy másik vélemény
A közelmúltban jelent meg az Építészfórumon Huszti István részletekbe menő tanulmánya Milyen vastag legyen a hőszigetelés? címmel. Megállapításai és sugallatai sokakban indítottak újabb gondolatsorokat, sőt, közülük olyan is akadt, aki időt s fáradságot nem kímélve járt utána a témának. A fontos kérdéskör elemzését Hegedűs Attila három különböző falszerkezeti megoldás és eltérő vastagságú EPS hőszigetelések ökológiai és anyagi hatásait viszgálva egészíti ki.
Nemrég olvastam egy cikket, ami a fenti problémára kereste a választ. Megállapításaival és sugallataival elindított bennem egy gondolatsort, és felpiszkált, hogy – passzívházakra, és ezen keresztül az energiaracionalizálási megoldásokra az átlagnál jobban rálátó tervezőként – járjak utána a témának. Ennek az eredménye ez a bejegyzés, illetve az alább részletezett számítás.
Mi a cél?
Építészként tapasztalatból tudom, hogy egy adott kérdésre, feladatra nincs egyértelmű, minden helyzetre alkalmazható válasz, nincs kész recept. Minden munka, probléma egyedi, és mindig a rendelkezésre álló lehetőségek, adottságok és információk alapján lehet megtalálni a helyes megoldást. Ugyanez a helyzet a cikk szűkebb témájával, a homlokzati falak hőszigetelésének kérdésével is. Itt is több, egymásnak akár ellent is mondó elvárásnak kell megfelelni.
Csak az egyértelműség kedvéért mik is lehetnek esetünkben a főbb elvárások?
– A beruházás legyen minél olcsóbb, de azért hatékonyan csökkentse az üzemeltetési költséget (fűtési veszteséget) is.
– Az alkalmazott megoldás legyen időtálló, de azért sem életében, sem életciklusa végén ne szennyezze túlságosan a környezetét.
Egy adott tervezési feladat során a kérdés nem is a címben feltett formában jelentkezik először, sokkal inkább a fal szerkezetének és a hőszigetelés anyagának milyenségeként. Ezáltal rögtön újabb elvárások megjelenésével számolhatunk, hiszen a teljes falszerkezettel szemben is sok egyéb követelmény megfelelését kívánjuk meg:
– A teljes falszerkezet helyigénye (vastagsága);
– Racionális építhetőség, hőtároló képesség, akusztikai viselkedés (kiselemes, vagy öntöttfalas? nehéz vagy könnyűszerkezet alkalmazása?);
– Teherbírás és a rögzíthetőség kérdése;
– Egyéb épületfizikai tulajdonságok, illetve a párával kapcsolatos viselkedés stb.;
– És a sor még biztosan hosszasan folytatható, persze számunkra most a legfontosabb, hogy az alkalmazott megoldás hőszigetelő „jósága" is érjen el egy adott (de milyen?) szintet.
Ekkor jogos a címben vázolt dilemma vizsgálata, amire – nem meglepő, de – nincs egyszavas válasz. Ezzel szemben vannak részválaszok, melyek épület-, tervező-, építtetőfüggő egyedi összessége adja ki az alkalmazandó optimumot.
Nagyon érdekes lehet a különböző hőszigetelő anyagok összehasonlítása azok hőszigetelési hatékonysága, ökológia lábnyoma, ára és egyéb paraméterek alapján. Az anyagválasztást valahol egy ilyen mérlegelésnek is meg kellene előznie . Ez az út a cikk kereteit jelentősen meghaladná, így itt most csak 3 különböző falszerkezeti megoldás és eltérő vastagságú polisztirol (EPS) hőszigetelések ökológiai és anyagi hatásait analizáljuk.
Gondolatmorzsák elöljáróban
– A tervezési folyamat során egyre inkább kulcskérdéssé válik az optimalizálás, amikor a költséghatékonyság és az energiaminimalizálás elvei mellett az alkalmazott megoldások ökológiai hatását, „lábnyomát" is igyekszünk figyelembe venni. A válasz keresése során én is erre a három fő szempontra helyeztem a hangsúlyt.
– A különböző mutatók optimumának egybeesése alaphelyzetben nem várható el, ám a számítások eredményei mégis azt támasztják alá, hogy a tendencia egységesen azonos irányba mutat.
– Az idő dimenzió (élettartam, időtáv) a fenti elvek értékelése során nem megkerülhető. Alkalmazása dinamikus változóként a jó megoldás, szemben egy ad hoc, fix időtáv figyelembevételével.
– Egy falszerkezet választásának sok összetevője van, és ezek közül csak egy – bár fontos – szempont a most vizsgált kérdéskör. Például a vasbeton alkalmazása a legritkább esetben hőtechnikai vagy energetikai megfontolásból, sokkal inkább általában tartószerkezeti okból merül fel. Ebből a megközelítésből látható, hogy óvatosan kell eljárni, amikor a különböző szerkezeti megoldásokat kontextusukból kiragadva, önmagukban vizsgálunk.
– A számítási modellek pontosságának és újraellenőrizhetőségének kérdése alapvető. A legjobb kontroll a megépült épület vagy szerkezet valós működésének vizsgálata, a mért és kalkulált adatok összehasonlítása. A passzívház követelményrendszer ebből a szempontból (is) jól áll. Az alacsony energiafelhasználású épületekre kidolgozott méretező metódus (PHPP) által számított és a megépült épületek mért adatai nagy mennyiségben rendelkezésre állnak, és magas korrelációban fedik egymást.
Az elemzés alapjai, irányai
Három különböző falszerkezet (15 cm vasbeton, 30 cm vázkerámia és 20 cm mészhomok tégla) és eltérő hőszigetelési vastagságok vonatkozásában két alapvető – illetve azokon belül több al- – viszonyrendszer elemzését tartom fontosnak.
1. Ökológia szempontok
1.1 Végenergia felhasználás szempontjából
A – A falszerkezetbe beépített és az üzemeltetés során – a transzmissziós hőveszteség pótlására a fűtési rendszer által – elhasznált összes primerenergia (PE) minimumának keresése.
B – A hőszigetelés anyagába beépített primerenergia (PE) „megtérülési" ideje az üres falhoz képest a hőszigetelés által megspórolt energiamennyiség alapján.
C – Az adott falszerkezeti vastagsághoz tartozó utolsó pár centiméternyi hőszigetelés energetikai megtérülésének ideje.
1.2 Üvegházhatást okozó – CO2 egyenértékre átszámított – gázkibocsátás szempontjából
A – A falszerkezetbe beépített és az üzemeltetés során keletkező CO2 kibocsátás minimumának keresése. Kiinduló adat a GWP (Global Warming Index), az üvegházhatást okozó gázkibocsátás értéke.
B – A falszerkezetbe beépített CO2 gázkibocsátás értékének "megtérülése" az üres falhoz képest a hőszigetelés által megspórolt mennyiség alapján.
C – Az adott falszerkezeti vastagsághoz tartozó utolsó pár centiméternyi hőszigetelés CO2 kibocsátási megtérülésének ideje.
2. Gazdaságossági szempontok - költségoptimalizálás
2.1 A beépített hőszigetelés és a hőveszteség pótlására bejuttatott energia összköltségi minimumának meghatározása.
2.2 A hőszigetelés által megspórolt energia árának a kérdése. Más szóval a hőszigetelés alkalmazása adott időtáv mellett milyen energiaár felett tekinthető megtérülő beruházásnak.
2.3 Az adott falszerkezeti vastagsághoz tartozó utolsó pár centiméternyi hőszigetelés anyagi megtérülésének ideje.
A számítás
Kiinduló alapadatok
Tekintettel arra, hogy a témában a saját információgyűjtésem során nem találtam magyarországi, publikusan rendezett adatsorokat, ezért az esetek jó részében külföldi szakpublikációkban elfogadott számértékeket használtam. Természetesen, ahol csak lehetett és rendelkezésre állt, az itthon elérhető termékek ide vonatkozó értékeit vettem figyelembe.
Forrás:
- Gyártók adatai: austrotherm.hu, porotherm.hu, kalksandstein.de
- IBO - A Catalogue of Ecologically Rated Constructions’ Springer Wien New York, 3rd edition
- Vb, EPS és kerámia téglára vonatkozó adatokat (testsűrűség, hővezetési tényező, GWP – Global Warming Index, beépített CO2 ekvivalens üvegházhatást okozó kibocsátás, PEI – nem megújuló primerenergia tartalom) az idézett kiadványnak az építőanyagok karakterisztikus értékeit tartalmazó függelékéből származnak.
- Vázkerámia esetében a hővezetési tényező vonatkozásában az itthoni gyakorlatban alkalmazott 30 N+F λ=0.17-es értékével számoltam.
- Mészhomok téglára vonatkozó adatok az idézett német oldalról származnak.
- A számítások visszaellenőrizhetőségét fontosnak tartom, ezért a mai itthoni gyakorlatban alkalmazott módon és a járatos képletek felhasználásával jártam el, egyedi csökkentő tényezők figyelembevétele nélkül.
- U-érték számítására Rsi=0,13, Rsa=0,04 és az alábbi adatok alkalmazásával került sor: belső vakolat λ=0.87; EPS alatti tapaszolás λ=0.8;
- Az U-értékekből fajlagos transzmissziós hőveszteség meghatározása a budapesti klímaadathoz tartozó 72 kKh éves hőfokhíd érték és 1 m2-nyi fajlagos felület alapul vételével történt.
- Hőveszteségből elhasznált végenergiát (PE) gáztüzelés és 10%-os veszteségtényező figyelembevételével kaptam.
Számítás menete
– A rendelkezésre álló adatokból az alkalmazott anyagok egységnyi felületéhez, majd táblázatosan a különböző hőszigetelési vastagságokhoz tartozó PE és CO2 tartalmát határoztam meg. Ezek összegzésével létrejött a falszerkezet (fal+hőszigetelő anyag) összes beépített PE és CO2 tartalma. Az adott falszerkezethez tartozó transzmissziós hőveszteség értékből meghatároztam az éves primerenergia veszteséget („rezsi" rubrika), illetve ebből az üzemeltetési CO2 kibocsátást. Innentől kezdve a beépített és az üzemeltetési értékeket összegeztem a vizsgált időtáv függvényében.
– A PE és a CO2 megtérülési idejét a beépített tartalom és az alkalmazott vastagság által az üres falszerkezethez képest évente megtakarított értékek hányadosaként kaptam.
– A „gazdaságossági" optimum vizsgálata esetén a hőszigetelés anyagköltségével és az üzemeltetési veszteség PE költségeivel számoltam, az alábbiak figyelembevételével:
1. Nemzetközi energetikai tanulmányok feltételezési alapján az energia ára távlatilag a 10 Eurocent/kWh értékben maximalizálódik. Ezen szint felett a megújuló energiaforrások is kifizetődővé válhatnak így visszakorrigálva az árakat. Jelenlegi ár ennek kb. 50%-a (15 Ft=5 Eurocent/kWh). Tekintettel arra, hogy az elmúlt időszakban 12 év alatt duplázódott meg az energia ára, hasonló áremelkedési ütemmel számolva évi kb. 6%-os áremelkedés adódik a távlatilag feltételezett ár eléréséig
2. EPS ára 15.000 Ft = 50 Euro/m3
3. Az összköltség alakulásának vizsgálata során (2.1 szempont – 04.ábra) az energiaár jövőbeli alakulásában lévő jelentős bizonytalansági tényezők mellett az inflációs és kamattényezők, valamint a jelenértékek figyelembevételét mellőztem. Ez a számítási egyszerűsítés – a biztonság javára és a vastagabb hőszigetelések által elérhető megtakarítás kárára történik így – a végeredmény hitelességét nem csökkenti.
4. A megspórolt energia árának keresése során (2.2 szempont – 05.ábra) 3 %-os reálkamatot feltételeztem a teljes figyelembevett időtávra.
Számítási eredmények
A kapott értékek táblázatos ábrázolása során – az összehasonlíthatóság érdekében – kék színnel az 7/2006 TNM rendeletben meghatározott U=0,45 W/m2K minimum értéket – elvi követelmény szint - piros színnel az U=0,15 W/m2K elvi passzívház falszerkezethez tartozó értékeket emeltem ki. Színes háttérrel jelöltem az adott viszonyítási metódushoz és figyelembe vett időtávhoz tartozó optimális (legalacsonyabb) eredményeket.
A színes kiemelések jól mutatják az optimum alakulását a figyelembevett életciklus időtávok függvényében. Megállapítható, hogy a számítás fenti menete és az alkalmazott – a végeredményt, annak tendenciáját érdemben nem befolyásoló – egyszerűsítései mellett az U=0,15 kWh/m2év szintű falszerkezet kb. 15 év távlatában mindenfajta viszonyítás esetében optimálissá válnak.
Értékelés, összegzés
A PE és CO2 kibocsátás táblázatain (lásd: 02. ábra és 03. ábra) jól látható, hogy az összességében legalacsonyabb értékek a vizsgálati időtáv kitolásával változnak, vagyis minél nagyobb élettartamot veszünk alapul, annál inkább a vastagabb hőszigetelés (az alacsonyabb U-érték) irányába tolódik el az optimum szintje. Az is jól látható, hogy 15 éves távlatban már minden szerkezeti megoldás alkalmazása esetében (az egyenértékű CO2 kibocsátásnál már inkább kb. 10 év magasságában) a maximum U=0,15 W/m2K értékkel bíró falszerkezet lesz a legkedvezőbb. Fontos kiemelni, hogy a falszerkezeteket, sőt a hőszigeteléseket sem 15, sokkal inkább 25 évre vagy még hosszabb távlatra tervezzük.
A PE / CO2 megtérülés idejénél (lásd: 02. ábra és 03. ábra) jól látszódik, hogy ilyenkor elsősorban nem a hőszigetelés vastagsága, sokkal inkább a választott falszerkezet milyensége határozza meg a megtérülés időtávját. Míg vasbeton és mészhomok tégla esetén (a szigeteletlen fal gyenge hőszigetelési értéke miatt) gyakorlatilag minden hőszigetelési vastagság energetikai megtérülése 1 év körül alakul, addig az önmagában is jól szigetelő vázkerámia esetében lényegesen hosszabb idővel kell számolni. A 9 év alatti „optimum" a kalkuláció szerint az U=0,175-0,145 W/m2K (15-20 cm hőszigetelés) környékén adódik.
Beruházási és üzemeltetési összköltség vonatkozásában (2.1 viszony, 04.ábra) is igaz, hogy az időtáv kitolódásával mindinkább olcsóbbá válnak a jól hőszigetelt megoldások. Itt is kb. 15 év az a határ ahol már az U=0,15 W/m2K vagy esetleg még alacsonyabb értékkel bíró falszerkezetek lesznek a „nyerők".
A megtakarított energia ára (2.2 viszony, 05.ábra) esetében is látható ugyan az a tendencia - ami már a PE és a CO2 megtérülésnél is megfigyelhető volt – hogy a fő eltérés a választott falszerkezettől függ. Az önmagában gyenge hőszigetelési értékkel bíró falak (vasbeton, mészhomok) esetében lényegesen olcsóbb (hatékonyabb) a hőszigetelés, mint az önmagában is viszonylag jól teljesítő vázkerámia fal estében. De még ekkor is igaz az, hogy értelmes időtáv (minimum 10 év) figyelembe vétele esetén gyakorlatilag minden hőszigetelési vastagság olcsóbb, mint az általa megtakarított energia ára, még akkor is, ha a jelenlegi árszintet (15 Ft=5 Eurocent/kWh) vesszük alapul. Ebben az esetben, a táblázatban ferde sraffozást kaptak a jelenlegi árnál magasabb értékel bíró hőszigetelések adatait.
Talán mindenki számára egyértelmű, hogy a hőszigetelés vastagságának növelésével nem egyenes arányban csökken a hőveszteség. Vagyis arányaiban mindig az első cm hőszigeteléssel „spórolhatjuk" meg a legtöbb energiát, utána ez a hatékonyság a következő centimétereken fokozatosan csökken. Ebből a megközelítésből az összhőszigetelés ilyen "szeleteit" szétbontva is lehet vizsgálódni, hogy például érdemes-e 25 vagy 30 cm helyett annál +5 cm-rel vastagabb hőszigetelést feltenni. Esetünkben ennek a +5 cm-nek a megtérülése hogyan alakul? (lásd 03.ábra)
Szerencsére a táblázat sok adatából ez is könnyedén meghatározható. Ennek tanúsága szerint még a 30 helyett alkalmazott 35 cm-es hőszigetelés esetében is max. 24 éves megtérülésről beszélhetünk. Ez az érték a vázkerámia falazat primerenergiára vonatkozó megtérülése esetében áll elő. Azonban itt is igaz a korábbi táblázatokból leolvasott helyzet, miszerint a vasbeton és a mészhomok falazat, illetve a CO2 viszony hamarabbi megtérülést hoz.
Ugyanezt a vizsgálati módszert elvégezve az anyagi megtérülés (2.3 viszony, 05.ábra) vonatkozásában a 30 helyett 35 cm hőszigetelés alkalmazása esetén (árkülönbség a megtakarított energia ára alapján) kerámia esetében kb. 24, míg vb és mészhomok esetében kb. 17 év adódik. (Ugye itt továbbra is bizonytalansági tényezőt jelent mind az energia, mint a kamatkörnyezet jövőbeni árának alakulása!)
És végezetül itt, ebben a számításban található meg az az ok, hogy miért is nem lehet cél sem az időtáv kitolásának, sem a hőszigetelés vastagságának minden határon túl történő növelése, hiszen az energiaigény túlzott csökkentése esetén már aránytalanul megnő az ehhez szükséges többletberuházás értéke.
Végezetül szakadjunk el a centiméterektől és a fal összhőszigetelési értékét, a hőátbocsátási tényezőt vizsgáljuk. Ha a kb. azonos U-értékekhez tartozó megtérüléseket nézzük, akkor azt láthatjuk, hogy – gyakorlatilag falszerkezettől függetlenül – a megtérülési értékek nagyon hasonlóan alakulnak. Az elvi passzívház szinthez – a táblázatban piros színnel jelölve – tartozó utolsó pár cm anyagi megtérülése egységesen nagyjából 10 esztendőre adódik. (A távlatilag feltételezett energiaár esetében, míg a jelenlegi ár figyelembevételével max. 20 év jön ki. A reális időtáv valahol a két érték között kereshető.) Ez az érték csak az utolsó „szelet" megtérülését mutatja, a teljes hőszigetelés átlagában természetesen ennél sokkal rövidebb időtávról van szó.
Konklúzió
Látható, hogy a hőszigetelés, sőt a mai gyakorlathoz képest a vastag hőszigetelés alkalmazása egyáltalán em ördögtől való, sőt. Az is jól látható, hogy mennél nagyobb időtávot vizsgálunk, annál inkább kisebb a beépített energia és CO2 tartalomnak a szerepe a fűtési energiáéhoz képest. Ez nagyon jól látszódik a grafikonokon (01, 02, 03, 04, 05, 06 grafikon), hiszen míg kevés hőszigetelés és rövid időtáv esetén nagyobb a különbség az egyes megoldásokban, addig a hőszigetelési érték növelésével és az idő előrehaladtával ez a különbség folyamatosan csökken, gyakorlatilag meg is szűnik. Ez a következtetés az alkalmazott falszerkezeti megoldás energetikai szerepének túlértékelése helyett a hosszabb távon is optimális hőszigetelési érték (vastagság) választására kell, hogy ösztönözzön. (Lásd az összhőszigetelés és az utolsó pár centiméternyi hőszigetelés megtérülésével foglalkozó 07, 11 és 12 grafikonokat!)
Minden épület esetében jogos az energetikai és gazdaságossági megtérülés vizsgálata. A passzívház idea optimumjellege jól leolvasható módon visszaköszön az adatokból, ami nem is meglepő, hiszen a követelményszint meghatározása során is ezen elvek tudatos figyelembevétele adta az egyik peremfeltételt.
„…aki nem szigetel eleget: bolond, vagy túl sok a pénze."
Triviális, de végezetül újból fontos megjegyezni, hogy bár a bejegyzés a falak hőszigetelési kérdését járja körül, egy jó épület vagy akár egy jó passzívház sem (csak) erről szól. Ez egy nagyon durva, a saját kontextusából kiragadott fontos, ámde csak részprobléma. Egy jó épületnek, de akár egy jól megválasztott szerkezetnek is sok egyéb műszaki és építészeti kívánalomnak kell megfelelnie.
Köszönettel tartozom a cikk megírásában nyújtott segítségért és korrekcióért Sariri-Baffia Enikőnek.
Hegedűs Attila
Kapcsolódó oldal:
Milyen vastag legyen a hőszigetelés?
