Napenergia-hasznosítás és felújítási stratégiák

2012 októberében Energiatudatos épületek, települések címmel előadássorozat indult az Intelligent Energy Europe (IEE) Urban Planners with Renewable Energy Skills (UP-RES) projekt keretében, a budakalászi Faluházban. A november 27-i, utolsó előtti alkalom előadói prof. Zöld András, dr. Szalay Zsuzsa és Hrabovszky-Horváth Sára voltak, akik a városi napenergia-hasznosítás lehetőségeit és az épületfelújítás stratégiáit mutatták be.

A délelőtti előadást Zöld András professzor, az MTA doktora, a Debreceni Egyetem Műszaki Karának oktatója tartotta. Bevezetőjében ismertette a Magyar Mérnöki Kamarának a jelenlegi épületenergetikai irányelv tervezett változtatására készített javaslatát, amely a fajlagos primer energiafogyasztás követelményét családi házak esetén 70-75 kWh/m2év, többszintes lakóépületek esetén 50 kWh/m2év, irodaépületeknél 80 kWh/m2év, oktatási épületeknél (8 tanterem fölött) 20-30 50  kWh/m2év körüli értékben határozta meg. A számítások szerint ezen szint eléréséhez földszintes épületek esetében elegendő pellet- vagy faelgázosító kazán és hővisszanyerős gépi szellőzés beépítése. Kondenzációs kazán, hővisszanyerős szellőzés, napelemek és -kollektorok beépítésével földszintes épületeknél a fajlagos primer energiaigény 70 kWh/m2év-re, többszintes épületeknél 40-45 kWh/m2év körüli értékre csökkenthető. Hőszivattyú és hővisszanyerős szellőzés beépítésével földszintes épületeknél 60 kWh/m2év, többszintes épületeknél 40 kWh/m2év alatti érték érhető el.

A fő témát a napenergia-hasznosítás lehetőségei és nehézségei adták a sűrűn beépített városi környezetben. A szoláris elemek telepítésénél a legnagyobb problémát a tájolás mellett a környező épületek vetett árnyéka jelenti. Az épületeken elhelyezhető, 1 m2-re vetített energiagyűjtő felület nagysága a szintszám növekedésével fokozatosa csökken. Míg a kollektorok leárnyékolt részei nem termelnek energiát, addig a fotovillamos rendszerek (napelemek) esetében teljes benapozás szükséges, mert az árnyékos felületek ellenállást képeznek és a berendezés élettartamát is csökkentik. Utóbbi elkerülésére az azonos benapozottságú mezőket egy-egy önálló szabályozási körre kötni. Az előadó hangsúlyozta, hogy a biomassza alkalmazása városi környezetben nehézségekbe ütközhet, a földhő felhasználása – bár emberi léptékben kimeríthetetlennek tűnik – minden esetben megfontolást és alapos vizsgálatot igényel.

A hallgatóság megismerhette a benapozás alapfogalmait, valamint a különböző nappálya-diagramok és a vetett árnyékok szerkesztésének elméleti hátterét. A benapozás-vizsgálatok készítésekor a szokásos december 21-i déli időpont csupán egyetlen időpillanat állapotát rögzíti, ehelyett valójában egy nagyobb intervallum (például egy hónap minden napján belül egy több órás időtartam) elemzése szolgáltathat megbízható adatokat. Az energiagyűjtő felületek telepítéséhez általános ökölszabály, hogy az adott földrajzi szélességnek megfelelő dőlésszögben helyezkedjenek el, ám a vizsgálatok megmutatták, hogy kisebb dőlésszög (36-48°) esetén a hatékonyság csak kismértékben csökken; 30°-nál is csupán 5% csökkenés tapasztalható. Másrészt a kisebb hajlásszög (30°) csökkenti az egyes modulok közötti - a teljes benapozottsághoz szükséges - távolságot, így jelentősen növelhető az elhelyezhető energiagyűjtő felületek nagysága.

Napkollektorok telepítésénél is lehetőség szerint törekedni kell a legjobb benapozottságú felület elérésére – magas épületek esetén elsősorban a lapostetőn található felépítmények vetett árnyéka jelenthet problémát. Magastetőknél a többféle tájolású, megfelelő meredekségű tetőidomok valamelyest megkönnyítik a helyzetet, itt a tetőablakok, kémények mellett főként a szomszédos épületek vetett árnyéka okozhat gondot. A nagyobb időtartamot átfogó benapozás-vizsgálat és az időben változó árnyékvetések meghatározásához az ingyenesen letölthető „Benapoz” szoftver nyújthat segítséget, amelynek használatához mindössze a különböző szögek megadása szükséges. Az év adott időszakában jellemző vetett árnyékok alapvetően befolyásolhatják az energiagyűjtő felületek elhelyezését. Erre példaként az előadó bemutatta két alapvető típusú paneles lakótömbön végzett számítás eredményét, amelynek során a lapostetőre telepíthető napkollektorok számát vizsgálták az épület tájolásának függvényében. Eszerint az I. típusú, 20x46 m befoglaló méretű épületre É-D-i tájolás esetén 55 sík- és 55 vákuumcsöves, K-Ny-i tájolásnál 25 sík- és 53 vákuumcsöves, míg a fő égtájaktól eltérő, ÉK-DNy-i elhelyezkedés esetén csupán 16 sík- és 16 vákuumcsöves kollektor helyezhető el. A II. típusú, kisebb alapterületű (11,82x38,65 m) épületnél tovább romlott a helyzet: É-D-i tájolásnál 15 sík- és 15 vákuumcsöves, K-Ny-i irány esetén 4 sík- és 8 vákuumcsöves, a „ferde” elhelyezkedésnél pedig már csak 4 sík- és 4 vákuumcsöves kollektor számára lehet megfelelően benapozott helyet biztosítani.

Zöld András professzor ezután a fotovillamos rendszerek (napelemek) szerkezeti felépítéséről, típusairól, tulajdonságairól és a beépítés lehetőségeiről beszélt, amelyhez megvalósult külföldi példákat villantott fel. A fotovoltaikus (PV) energiagyűjtő felületek hatékonysága napjainkban 10-20% - az elméleti határ 30% körül van -, ezek közül a monokristályos a legdrágább és a legjobb, míg az olcsóbb polikristályos típus többféle színárnyalatban játszó felülete révén különleges megjelenésű homlokzatburkolatként is kiválóan alkalmazható. A vékonyrétegű cellák hatásfoka a legalacsonyabb, viszont hajszálvékony keresztmetszeti méretük miatt többféle hordozórétegre (üveg, árnyékoló lamella) különböző mintázatokban hordható fel. Speciális modulokkal íves felületek is kialakíthatók, valamint léteznek tetőfedésbe integrálható, héjazatként működő elemek is. A PV-cellák telepítésénél az ideális dőlésszögtől való 30%-os eltérés is csupán 10-20%-os energiaveszteséget eredményez, míg lapostetőn történő vízszintes elhelyezésnél - az ideális döntött állapothoz képest - 90%-os, déli tájolású, függőleges homlokzaton 70%-os, kelet-nyugati homlokzaton döntött elhelyezésnél pedig 75%-os hatékonyság érhető el.

Termikus szoláris rendszerek (napkollektorok) esetén a méretezéshez családi házak esetén 0,6-1,0 m2 kollektor felület/fő és 40-60 l tároló kapacitás/fő átlagos értékkel lehet számolni; a tapasztalatok alapján éves szinten a használati melegvíz-igény 50-60%-át lehet ezzel fedezni (nyári időszakban akár 100%-ot, télen jóval kevesebbet, időjárástól függően 10-20%-ot). A kollektorok felületét és a tároló méretét az átlagos éves fogyasztás 70%-nál nagyobb értékre nem érdemes növelni, mert nem javítja tovább jelentősen a hatékonyságot. A teljes szoláris hozam 85-90%-a jut el a kollektorok alumínium elnyelő lemezéig (ezt nevezzük optikai hatásfoknak), majd a szerkezeti felépítésből adódó különböző veszteségek miatt a napenergiának általában 55%-a hasznosul (ez a kollektor hőtechnikai hatásfoka), ezután a csővezetéki, tárolási és HMV-köri veszteségek után a rendszer teljes hatásfoka 30-40% körül alakul. A különböző típusok közül a vákuumcsöves kollektornak romlik legkisebb mértékben a hatásfoka a külső hőmérséklet változása esetén, ráadásul teljesítménye a tájolástól független, míg a síkkollektor erre és az elhelyezés dőlésszögére is igen „érzékeny”. Az előadó részletesen ismertette a különböző típusok felépítését tulajdonságait és az olyan speciális fejlesztéseket, mint a csak ferde, min. 25°-os dőlésszögben elhelyezhető, a gőzfejlődésen alapuló hőcsöves kollektorokat (heat-pipe), valamint a parabola vezérgörbéjű üvegcsővel rendelkezőket, amelynek elnyelő felülete a fókuszpontban helyezkedik el – így minden irányból könnyen felmelegíthető a benne lévő folyadék.

Zöld András előadásának utolsó nagy témája a szoláris rendszerrel támogatott távhőellátás volt, amelyhez példaként a németországi Friedrichshafen-projektet mutatta be. A lakóegyüttesen összesen 5.600 m2 napkollektort helyeztek el, a 12.000 m3-es, félig földbe süllyesztett, félig mesterséges dombként kialakított tartály pedig több hónapra, szezonálisan képes tárolni a használati melegvizet. A többlakásos épületekhez saját kisebb tárolók, hőközpontok tartoznak. Létezik ehhez hasonló léptékű, ám kevésbé ismert hazai kísérlet is: az 1970-es évek végén a Debrecen-Tócóskertben található fűtőmű támogatására 5.000 m2-nyi felületű kollektort építettek be, itt azonban csak néhány napos tárolásra volt lehetőség. A rendszer negyedszázad alatt korszerűtlenné vált, elhanyagolták, majd teljesen tönkrement. A távhővel legjobban ellátott ország Dánia, ahol tengerparti szélturbina-farmok tisztán megújuló forrásból szolgáltatják a fűtőművek üzemeléséhez szükséges energiát. Ebben az országban olyan rendeletet hoztak a közelmúltban, hogy 2019-től tilos lesz kazánt elhelyezni azokban az épületekben, amelyek fajlagos primer energiaigénye 20 kWh/m2év alatt van, mivel a távhőellátás sokkal gazdaságosabb. Magyarország ettől még messze van, de az előadó szerint hazánkban is ki lehet alakítani kisebb léptékben jól működő, szoláris  épületet, vagy kisebb-nagyobb épületcsoportot látnak el. A működés feltétele elsősorban az átlátható, tisztázott tulajdonviszonyok megteremtése, amely elsősorban jogi szabályozás kérdése.

A délutánt dr. Szalay Zsuzsa, a BME Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék oktatójának előadása nyitotta meg, aki a komplex épületfelújítás stratégiáiról beszélt, elsősorban épületszerkezeti szempontból. Az energetikai korszerűsítés koncepciójának a „trias energetica” elvet kell alkalmazni, amely a helyes sorrendet rögzíti: első lépés az energiahatékonyság növelése - vagyis az energiaigény csökkentése -, ezt követheti a megújuló energiaforrások alkalmazása, majd az esetlegesen hiányzó adagot nem megújuló forrásokból lehet pótolni. A megfelelő beavatkozások elvégzéséhez elengedhetetlen a részletes épületfelmérés és diagnosztika, a problémák feltárása, valamint kiindulási információként szolgálhatnak az energiafogyasztási adatok. Hazánkban még kevésbé elterjedt, de a döntések előkészítését segítheti az életciklus-elemzés, amelynél a tapasztalatok alapján 15-30 éves időtartamon belül mindenképpen a felújítás gazdaságosabb, hosszabb távon már érdemes elgondolkodni az új építésen is, amely a korszerűbb szerkezetek és energetikai rendszerek miatt összességében alacsonyabb energiabefektetéssel járhat.

A külső határoló szerkezetek felújításánál a cél a hőhidak mérséklése, a légzárás javítása és a páratechnikai működés ellenőrzése, javítása. Rekonstrukció esetén a tökéletes légzáróság általában nem érhető el - de nem is szükséges -, emellett kiemelt fontosságú a páralecsapódások felderítése és kiküszöbölése, a szerkezeti károsodások elkerülése céljából. A 2019-ben érvénybe lépő hőtechnikai követelmények a fal hőátbocsátási tényezőjét 0,2, a lapostetőét és a padlásfödémét 0,14, a nyílászárókét pedig 1,0 W/m2K értékben határozzák meg. A külső hőszigetelés vastagsága elsősorban energetikai és költséghatékonysági elemzés tárgya, de alapesetben minimálisan 8-10 cm- javasolnak a szakemberek. Az előadó a vastag hőszigetelés építészeti értéket is növelő példájaként említette a közelmúltban megújult bolzanói főposta épületét, ahol a szabályos lyukarchitektúrát véletlenszerűen elrendezett, lőrésszerűen kifelé bővülő nyíláskiképzéssel oldották fel. Az 1954-ből származó épületet 35 cm expandált polisztirolhabbal burkolták be és Olaszország első passzív középületeként tarják számon.

Védett történeti emlékek esetében sokszor elkerülhetetlen a belső oldali hőszigetelés alkalmazása, amely bár olcsóbb, de hatékonysága kisebb és számos hátránnyal rendelkezik (helyigény, hőtároló tömeg elvesztése, páralecsapódás lehetősége a falszerkezetben). Hazánkban még újdonságnak számítanak a vékony rétegű, kalcium-szilikát anyagú, jó páraáteresztő képességű belső oldali hőszigetelések (λ=0,065 W/mK), amelyek nagy kapilláris szívóhatásuknak és lúgos kémhatásuknak köszönhetően a penészedés kezelésére is alkalmasak.

A manapság divatos ablakcsere-dömping közepette érdemes odafigyelni a régi, jó anyagú történeti szerkezetekre: a kapcsolt gerébtokos ablakok állapota sok esetben javulhat csiszolás, beállítás vagy újrafestés után. A két üvegréteg közötti nagy távolság (10-15 cm) miatt viszonylag jó a hangszigetelő képességük, légzárásuk pedig akrilpasztával, tömítőprofillal javítható. Ha az egyik szárnyban keménybevonatos low-e üvegezést alkalmazunk, az eredeti 2,2-2,5 W/m2K U-érték 1,7-1,9 W/m2K-re módosulhat, speciális vékony légrétegű (4-6-10 mm) hőszigetelő üveg (Histoglas) alkalmazása esetén pedig akár 1,1-1,2 W/m2K-re is javulhat.

Dr. Szalay Zsuzsa több külföldi példát is bemutatott történeti épületek átfogó energetikai rekonstrukciójára. A Graz melletti Zanklhof területén az egykori festékgyár műemlékileg nem védett épületcsoportja lakóegyüttesként született újjá. Az I. ütem 2004-re készült el, ekkor az épületek fajlagos primer energiaigénye 180-ról 80 kWh/m2év értékre csökkent. A II. ütem építése 2009-ben fejeződött be, amelynek során a kevésbé értékes építményeket lebontották, a megmaradók közül kettőt passzívház-szinten újítottak fel, kortárs formavilággal párosítva. A jobb állapotú, míves téglaarchitektúrás épületeket belülről 8 cm EPS hőszigeteléssel látták el, a nyílások egy része elé kis erkélyeket építettek. Négy épület alacsonyenergiás házként készült el, az eredeti 180-200 helyett 40 kWh/m2év fajlagos primer energiaigénnyel. A zöldtetők mellett 50 m2 napkollektort is elhelyeztek, a fűtést és a használati melegvíz döntő részét pedig távhőellátással biztosítják.

Jelenleg is folyik a világörökségi helyszínen, Graz belvárosában található ferences kolostor több szakaszból álló rekonstrukciója. A Naphimnusz soraira hivatkozó barátok által kidolgozott koncepció végső célja egy szoláris energiát hasznosító nullenergiás épület létrehozása. Az első lépésben felújították a történeti nyílászárókat és lehetőség szerint hőszigetelték a házat (a padlóba például cementkötésű EPS-granulátum került) – ezzel az energiafogyasztást máris 30%-kal sikerült csökkenteni. A második fázis az energetikai korszerűsítés, ettől további 20%-os energiaigény-csökkenést várnak. A harmadik lépés a hőszivattyú beépítése lesz, az utolsó fázis pedig az elektromos áramtermelő rendszerek elhelyezése – ezeknek csupán az eredeti energiaigény 8%-kát kell majd kielégíteniük. A szerzetesek és a tervezők, a HOG Architecture iroda építészei kemény csatákat vívtak az örökségvédelemmel, többek között a napelemek telepítése és a homlokzatok árnyékolása ügyében.

A nap utolsó előadását Hrabovszky-Horváth Sára építész, a BME Épületszerkezettani Tanszék egyetemi tanársegédje tartotta, aki az „Épületfelújítási stratégiák és klímaváltozás” doktori kutatásának eddigi eredményeiről számolt be. Egyre többen elismerik, hogy az éghajlat jelenleg tapasztalható, jelentős mértékű változásában az utóbbi évszázadok emberi tevékenységének meghatározó szerepe van. Az Országos Meteorológiai Szolgálat által végzett számítások alapján- az 1960-as és 1990-es évek közötti időszakot alapul véve - 2025-re kb. 1,5-1,8 °C, 2085-re 4,0-5,4 C° nyári átlaghőmérséklet-emelkedés várható. A nyári hővédelem passzív eszközei közé tartozik a hőterhelés csökkentése (árnyékolás) és eltávolítása (szellőztetés). A napsugarak eltérő beesési szöge miatt a déli oldalon vízszintes lamellákból, a keleti-nyugati oldalon függőleges lamellákból álló (mozgatható) árnyékoló szerkezet alkalmazása javasolt, a hőmérséklet-ingadozást pedig a hőtároló tömeg fokozásával lehet csillapítani. A belső terek túlmelegedése ellen a hatékony, külső árnyékolás mellett az éjszakai átszellőztetés is kiemelt fontosságú. Ismert továbbá, hogy a zöld- és vízfelületeknek - a környezetből történő hőelvonás és párologtatás révén – szintén óriási jelentőségük van az épület körüli kedvező mikroklíma kialakításában.

Az előrejelzések szerint a jövőben a téli időszakban is melegedés várható, több esővel: az átlaghőmérséklet 2025-re 1,2-1,4 °C-kal, 2085-re 3,1-4,1 °C-kal emelkedhet. Ez a fűtési energiaigény és a fagyási ciklusok csökkenését eredményezi. A téli hővédelem és energiatakarékosság érdekében az intenzív hőszigetelés és légzárás mellett a hatékony szellőztetés megoldása is kiemelt fontosságú. A dunaújvárosi Solanova panelfelújítási projektnél lakásonként telepítették a hővisszanyerős szellőztető rendszert, amelynek következtében a homlokzatokon megjelentek a vezetékpárok, csökkent a nyílászárók felülete és az álmennyezet beépítése miatt a közlekedőterek belmagassága. Egy másik ismertetett dán példa esetében pedig a külső falszerkezetre helyezték el a szellőző berendezéseket és utólagosan épített üveg homlokzatburkolat mögé. A  napsugárzás energiájának hasznosításának az üvegházak vagy ún. napterek mellett egyik korszerű formája a kéthéjú üveg (klíma)homlokzat, amely a szerkezetet átöblítő levegő áramlási irányától függően többféleképpen működhet, de kiemelt figyelmet kell fordítani a megfelelő árnyékolására

A nyári hőfelesleg időszakos tárolására megoldást jelenthetnek külső hőszigetelő üvegezéssel kiegészített, sóhidrát tartalmú panelekből álló fázisváltó üvegezések (az anyag a halmazállapotának változásával tárolja vagy adja le a hőt a környezetének), valamint a megfelelően árnyékolt transzparens hőszigetelésű felületek.

A számítások szerint a jövőben hazánk területén egész éves átlagot tekintve jelentősen nem változik a csapadékmennyiség azonban nyáron csökkenésre, míg télen csapadék mennyiség növekedésre számítunk  ráadásul szélsőséges eloszlásban, egyre gyakoribb özönvízszerű esőzések formájában. Nyáron (az 1960-90-es időszakhoz képest) 2025-re  7,5-8,9%-kal 2085-re pedig 19,5-26,0% csökkenést prognosztizáltak míg télen a lehullott csapadék mennyisége 2025-re 8,2-9,7% és 2085-re , 21,4-28,6%-kal emelkedhet. Mindez azt jelenti, hogy a hazai szabványokban szereplő „mértékadó csapadék” (Budapesten 274 l/s.ha, az ország más vidékein 159-250 l/s.ha) értékének felülvizsgálatára lesz szükség. A záporcsillapítás, vízvisszatartás, -tárolás és hasznosítás kiváló eszközei lehetnek a zöldtetők, zöld homlokzatok és ciszternák.

A klímaváltozási modellek szerint 2085-re a 12-14 m/s-ot meghaladó sebességű maximális szélsebesség gyakorisága növekedni fog; ez az épületek tekintetében a statikai méretezés és a különböző szerkezetek (tetőfedés, homlokzatburkolat, árnyékolás) szélszívás elleni rögzítésének szigorítását, valamint a vízküszöb mértékének emelését vonhatja magával. A Bulgária, Magyarország és Románia részvételével zajlott Clavier-projekt során különböző épülettípusok időjárással szembeni kitettségét, szélérzékenységét, valamint a benne élők, dolgozók és a tulajdonosok alkalmazkodóképességét súlyozva határozták meg az ún. sérülékenységet. Az összesítésben a legnagyobb értéket a „szocreál blokkház”, a hagyományos középületek és a magas műemlékek (templomok) érték el. A Tatabánya területére végzett vizsgálat például azt mutatta ki, hogy a város lakosságának 25%-a él vagy dolgozik a szél szempontjából leginkább sérülékeny épülettípusokban.

Az előadó egy budapest-kelenföldi panelépület példáján mutatta be, hogyan járulhat hozzá az életciklus-elemzés és a költség-optimalizálás a valódi fenntartható felújítás elvégzéséhez, amely definíció szerint az energetikai korszerűsítésen túl az erkölcsi avultságot is felszámolja. A 360 lakást tartalmazó, 25.140 m2 összterületű mintaépület 1968-ban épült, legutóbbi felújítása 2007-ben történt meg – ezzel a fajlagos primer energiaigény az eredeti 206,6 kWh/m2év-ről („G”) 102,2 kWh/m2év értékre csökkent („D” energiaosztály). A kutatás során feltételeztük, hogy a felújítás eredményeként  az épület - szakirodalom szerint feltételezett - élettartama a hozzávetőlegesen 20 évvel meghosszabbodik, ugyanis a külső hőszigetelés hatására a külső panelkéreg hőmozgása csökkent, a hézagok lezáródtak, a rögzítő elemek korróziója megállt vagy lelassult és a hőhíd hatás csökkent. További, fokozott hőszigeteléssel (és nyílászáró cserével) a fajlagos energiaigény 92,0  kWh/m2év értékre („C”), gépészeti korszerűsítéssel kiegészítve 65,4 kWh/m2év („A”), napkollektorok telepítésével pedig 38,9 kWh/m2év („A+”) energiafelhasználás érhető el. A meglévő épület lebontásával és az eredetivel megegyező méretű, új, korszerű ház építésével 49,4 kWh/m2év („A”) várható, ez napkollektorok telepítésével 20,0  kWh/m2év értékre (A++) csökkenthető. Az életciklus-elemzés egymásra vetített görbéi szerint - a vizsgált meglévő panelház esetében - a mostantól számított 60 éves időtartamig a legmagasabb szintű felújítás okozza a legalacsonyabb környezetterhelést több hatáskategóriában is (pl. globális felmelegedés, savasodás stb.).

Garai Péter