Huszti István: Hőtechnikai tervezés

Az épületfizika térformáló szerepe.

A tervezőasztal mögött ülve sok arcot lát az ember, speciális nézőpont ez. A legmeglepőbb arckifejezést talán akkor lehet látni, mikor a megrendelő felteszi a kérdést - nem vállalja a tervezést? Igen, bár ritkán, de előfordul. Előfordult, nem is olyan régen.

A megrendelő arra a kérdésre várt pontos választ, hogy egy könnyűszerkezetes épületben a nyári kánikulában hány fok lesz, ha nem épít be klímát. Erre a kérdésre nem tudok pontos választ adni, ezzel a feltétellel elutasítottam a tervezési megbízást. Hogyan is van ez? A válaszom nyilván azt jelenti, hogy szerintem egy építész tervezői munkahely nem alkalmas arra, hogy ezt a látszólag egyszerű kérdést megválaszolja. Valóban így gondolom, és ezt az álláspontomat nem a pillanatnyi átgondolatlanság mondatja velem, hanem az, hogy előzőleg utánajártam.

Időnként nem árt tisztázni, hogy a tevékenységnek, amit végzünk, hol vannak a határai. Az én tervezői munkahelyem határait két alapvető elv szabályozza:

1. Tervezőasztalom nem tudományos, kísérleti munkahely, nincs jogom a megrendelő kockázatára olyan műszaki megoldást tervezni, aminek a működése, viselkedése pontosan nem ismert. (Kivéve, ha a megrendelő ez úton szeretné kipróbálni)
2. Csak olyan számítási eljárásokat alkalmazhatok, aminek az eredményei a valóságban kellő biztonsággal bekövetkeznek.

Ezen elvek figyelembevételével érdemes végignézni a hőtechnikai tervezés lehetőségeit, körülményeit, korlátait.

Egy kis történelem

Saját munkámban lassan 25 évre tudok visszatekinteni. A manapság kezembe kerülő tervek egy igen jelentős részénél erős "retro" érzésem támad. Ezért, bár bizonyára sokaknak egyértelmű, talán nem árt az ismereteket és a tervezési módszereket, előírásokat röviden az időben rendezni.
Az építészeti gyakorlatban használható épületfizikai ismeretek szerintem igen hasznos kézikönyve dr. Albert János - A hőszigetelés kézikönyve című munkája. Nekem egy 1962-es kiadás van meg, amit jelenleg is használok. Gondolom, ebből az időből ennek a könyvnek a tartalma jó kiindulási pont. Tartalmát összehasonlítva későbbi könyvekével - saját otthoni lehetőségem és kevés időmre való tekintettel ezt néhány este egy 1973-as Műszaki hőtan, egy 1978-s Fizika, egy 1979-es Hőátviteli vizsgálatok számítógéppel és Zöld András 1999-es Energiatudatos építészet című könyvével tudtam megtenni.

Számomra az derült ki, hogy épületfizikai elvi ismeretek tekintetében lényegi változás nem látható, de szemléletében az építészet számára az Energiatudatos építészet könyv minőségi változást jelent. Ez utóbbi a jövőt határozza meg, szerintem az építész tervező számára irányadó. Nyilván a minőségi ugrást az energiafelhasználással kapcsolatos új társadalmi igények indukálták. A könyv egyértelművé teszi, hogy az épületfizikai szempontok az épített tér formálásában elsődleges tényezőkké váltak.

A tervezési előírások változását jól tükrözi az MSZ változása is. Lényegi különbség mind szemléletében, mind tartalmában az 1986-ban hatályba lépett MSZ-04-140/2 és az 1992-től hatályos MSZ-04-140-2 között van. A korábbi fő jellemzője, hogy a számítások adott szerkesztési szabályok betartása mellett a határoló szerkezetek tulajdonságaira vonatkoznak, és az így kapott adatokat kell összehasonlítani a határértékekkel. Innen maradt az a téves alkalmazás, miszerint például a falra, vagy a födémre teljesülő "k" kisebb 0.7, vagy 0.,4 W/m2K érték teljesül, akkor a tervezett épület megfelelő. Ettől lehet bárkinek "retro" érzése, de még ez sem jogos, mert az ilyen szintű számítás és felfogás a korábbi szabvány szerint sem volt helytálló, a mai szerint pedig teljesen értelmetlen. A régi szabvány az egyes határoló szerkezetekre adott előírásokon kívül korlátozta az átlagos hőátbocsátási tényezőt és a határoló szerkezetek tulajdonságainak függvényében (nem csak "k" értékkel, hanem hőtehetetlenségi és hőfokcsillapítási tényezővel is), igaz, tájékoztató jelleggel, előírta a téli és nyári "hőfokmodulust", amit a hőstabilitás alapján számított. Úgy gondolom, nem túlzás kimondani azt, hogy a manapság - szerencsére tervekben egyre ritkábban - látható, csupán a "k" értékre vonatkozó összehasonlító adatok közlése és az ebből levont következtetések vagy tudatlanságot, vagy rosszul értelmezett reklámpolitikát takarnak, esetleg mind a kettőt.

Érdemes még azt megemlíteni, hogy az 1986-os előírás használta a hőszigetelés optimális vastagságának fogalmát, és egyszerűbb esetekre számítási utasítást is adott. Ez a későbbi előírásból kimaradt, annak ellenére, hogy a szakmában egyre többet lehet hallani - teljesen jogosan - a teljes élettartamra tervezett energetikai jellemzőkről. A szabvány mellett e témában hozzá lehetett jutni segédanyagokhoz is. Megemlíteném pl. az MI-04-165-81 Irányelvek az épületek hővédelmének utólagos fokozására című anyagot, valamint a SZIKKTI Építési Osztályán 1984-ben készített, az Épületszerkezetek energiatartalmának számítása tanulmányát. Érdemes elgondolkozni azon, hogy miért lehet ellentétes irányultságot tapasztalni a szakmai irányelvek és a szabályozási irányelvek között az elmúlt 20 évben? A várható jövőbeli történések ennek tükrében talán plasztikusabban értelmezhetők, de ez már egy másik téma.

A jelenleg használatos (nem hatályos, de nem kivont és jogszabály hivatkozik rá, tehát alkalmazható) MSZ 04-140-2:1991 (1992-től hatályos) előírás az elődjétől alapvetően abban tér el, hogy nem a határoló felületekre, hanem a határolt tér jellemzőire ad meg értékeket és számítási módokat. Ez bizonyos határok között egyszerűbb algoritmusokat ad és a védendő tér szempontjából egységesebb megközelítésű.

Kísérlet a "hány fok lesz egy könnyűszerkezetes épületben a nyári kánikulában" kérdés megválaszolására

A helyiségek nyári hőmérsékletére az MSZ 04-140-2:1191. 4.3. pontja ad útbaigazítást. A fejezetet elolvasva rögtön kiderül, hogy a cím nem igazán stimmel, mert szó sincs a hőmérséklet meghatározásáról (később visszatérek rá, hogy nem is lehet). Nem vállalkozom most arra, hogy megpróbáljak új címet kitalálni, inkább a tartalmat a következő mondattal írom le. A 4.3. pont feljogosítja arra a tervezőt, hogy bizonyos feltételek teljesülése mellett - amit számítással kell igazolnia - kijelenthesse, hogy a tervezett épület belső tere/terei várhatóan nem melegszenek 26 fok fölé. (Ha a valóságban majd mégsem így történik, lehet más bűnöst keresni, mondjuk a légköri anomáliákat.) Jogosan meg lehetne kérdezni, hogy ez esetben mit lehet a várhatóan alatt érteni, de erre most nem térnék ki, mert megkértek, hogy próbáljak röviden írni, bár van véleményem. Mik a bizonyos feltételek? Az áttekinthetőség és a pontosság kedvéért pontokba szedem.

1. Az egységnyi helyiség-térfogatra jutó (időben tartós) belső hőterhelés legyen kisebb, mint 10W/m3.

Ez az a pont, amikor az építész tervező hivatalból sem tehet mást, mint hogy felkeresi a gépész tervezőt, és ezt az előírást ellenőrizteti vele. Azért hivatalból, mert a kérdés az MSZ 04-140/4 alapján válaszolható meg, aminek alkalmazására az építész tervezői jogosultság nem terjed ki, függetlenül attól, hogy az adott tervező meg tudja-e oldani a feladatot.

2 .Egy főre legalább 15 m3 helyiségtérfogat jut.

Na ezt azért még mi építészek is ki tudjuk számolni.

3. A tájolás és a szellőzési mód függvényében a fajlagos hőtároló tömeg ne legyen kisebb adott értékeknél.

Elérkeztünk ahhoz a fázishoz, ahol a szellőzés kapcsán elkezdődik a dolgok maszatolása. A tervező választani kényszerül, de a választás nem igazán műszaki, hanem az, hogy vagy a megrendelő szempontjából komolytalanra vesszük a dolgot, vagy a lehető legkedvezőtlenebb állapotot tételezzük fel, vagy az egész problémát átengedjük a gépész kollégának. Itt idézem a szabvány pontos szövegét:
"A helyiség intenzíven szellőztetett, ha rendeltetése és használati módja szerint ablakának huzamos (az éjszakai és kora reggeli órákra is kiterjedő) nyitva tartása (az ablak működési módja, a vagyonbiztonság, a környezeti szennyeződés és zaj szempontjából) lehetséges vagy a helyiség n>3 légcsereszáma éjszaka és hajnalban egyéb úton biztosítható."
Ha valaki ebben nem talál lehetőséget a komolytalanságra, akkor próbálja meg meggyőzni a leendő háztulajdonost, hogy nyáron csak akkor lesz elviselhető a belső hőmérséklet, ha ablak-ajtó tárva-nyitva.

Miután az építész és a gépésztervező közös munkájukkal eljutott idáig, akkor két lehetőség van. Szerencsés esetben a felsorolt pontok a legkedvezőtlenebb eset feltételezésével is teljesülnek, kevésbé szerencsés esetben lehet a tervet módosítani, vagy a fejezet 4.3.2. pontja szerint eljárni. Nyugodtan ki merem jelenteni, hogy könnyűszerkezetes épület esetében a nem szerencsés eset fog bekövetkezni.

A tervmódosítás megjegyzésre bizonyára többen felkapják a fejüket, mondván a fene fogja pont a végén módosítani a tervet! Igen, valóban az a gyakorlat - tisztelet a kivételnek -, hogy ez az egész hőtechnikai tortúra akkor készül, mikor a tervet építészetileg már késznek tekintik. Pedig ideális esetben ezeket az ellenőrzéseket a vázlatterv fázisában kellene végezni és az alternatívákat ebből a szempontból is összehasonlítani. Energiatudatosságról és gazdaságosságról csak ekkor lehet beszélni, nem is szólva arról, hogy ha az építész nem így jár el a téralkotás folyamatában, könnyen a technológiák kiszolgálója és nem alkalmazója lesz. Erről a záró részben szeretnék mondani néhány gondolatot, de most visszatérek a 4.3.2. ponthoz. Megint az a legegyszerűbb, ha szó szerint idézek:
"Ha a felsorolt feltételek valamelyike nem teljesül, a hőérzeti feltételek teljesítése részletes méretezéssel igazolandó, vagy épületgépészeti berendezés betervezésével biztosítandó."

Nézzük meg a részletes méretezést, mielőtt a gépész kolléga klímát tervez! E mondatom és az előző között eltelt néhány nap, amit részben arra szántam, hogy átnézzem a részletes méretezés lehetőségeit. Kénytelen vagyok ismét egy idézettel folytatni, dokumentálandó azt, hogy gondolatmenetem szigorúan a szabvány pontjait követi, és nem a saját önkényes kijelölésem. A szabvány M.2.4. pontja határozza meg a nyári hőérzeti ellenőrzés algoritmusára vonatkozó követelményeket. Ez részleteiben így szól:
"A nyári hőérzeti ellenőrzés algoritmusa többféle módszeren (véges differencia, végeselem, analitikus összefüggések) alapulhat. Az eljárással legalább a periodikus hőhatások esetére vonatkozó napi hőmérleget kell megoldani és annak alapján a várható belső hőmérséklet óraértékeit meghatározni."

Be kell vallanom, hogy az említett véges differenciamódszerek, végeselemmódszerek, analitikus módszerek ismeretanyagával utoljára az egyetem alatt foglalkoztam (némi vizsgakényszer miatt), és jórészt azt sem az építészmérnöki képzés, hanem más karokon letett vizsgák során. Bár szellemi tornának jó volt, de az anyagba való visszatekintés csak megerősítette számomra azt a szerintem mindenki számára elfogadható tényt, hogy a témához kapcsolódó differenciálegyenletek megoldása, a véges differencia módszerek konvergenciájának explicit, vagy implicit módon történő megközelítése nem tekinthető az általános építészeti tervezői gyakorlat eszközének. Meg merem kockáztatni, hogy más mérnöki tervezési feladatok eszközének sem tekinthető, hacsak nem kutató, fejlesztő helyről van szó, ahol a számítási módszerek, azok peremfeltételei mérésekkel ellenőrizhetők.

Véleményem szerint a lényeg pont abban van, hogy a feladat kellő pontossággal modellkísérletek során végzett mérések nélkül nem megoldható. (Ha ezt a kis írást hozzáértő épületfizikus olvassa, és úgy gondolja, hogy az én véleményem cáfolható, és tud olyan módszert, ami egy építész tervező részére a feladatot kellő biztonsággal megoldhatóvá teszi, tisztelettel kérem, hogy tegye közzé, sokunk számára nagyon hasznos lenne.) A teljesség kedvéért utánanéztem, hogy van-e valamilyen számítógépes program a kérdésre. Én egyetlenegy olyat találtam, ami foglakozik a feladattal, ez a PHYSIBEL VOLTRA. A demo változathoz jutottam hozzá, amiből nem kaptam teljes képet. Ez egy lehetséges eszköznek tűnik, de erről még keveset tudok, jó volna, ha esetleg aki ismeri, írna róla.

Az egész téma apropója egy könnyűszerkezetes ház volt. Ezért - bár nem nagy reménnyel - megkérdeztem ilyen házat forgalmazó céget, hogy a házaik nyári viselkedését hogyan igazolják, esetleg van-e valamilyen mérési adatuk. Először a kérdést provokációnak tekintették, de miután tisztáztuk, hogy nem a könnyűszerkezetes házzal van bajom, csak mint tervező szeretnék felelősen eljárni, akkor nyíltak meg. Meg is kaptam a választ, sehogy, sőt magyarázattal is szolgáltak. Ők a forgalmazott rendszerre rendelkeznek ÉME bizonyítvánnyal. Az, hogy a rendszerből a tervező milyen házat tervez, az már nem az ő dolguk, vigye el a balhét a tervező.

A kísérletnek, a kérdés megválaszolására itt lényegében vége is van, de a történetnek nem. Ugyanis ezek után a megrendelőnek valóban nem lehet mást mondani, minthogy a kívánt könnyűszerkezetes ház nyári felmelegedésének korlátozása teljes biztonsággal csak épületgépészeti berendezés betervezésével oldható meg. Ez eddigiekkel kapcsolatban azonban számos kérdést lehet feltenni. Néhány szerintem fontos.

Ha nem tudjuk biztonsággal kiszámítani a nyári viselkedést, és ezért feltétlenül klímát terveztetünk be, akkor eleget teszünk a gazdaságossági elvárásoknak?
Hát nem. Ezt akár egy laikus építtető is könnyen bebizonyíthatja, mert lehet mutatni pl. olyan könnyűszerkezetes házat, ami a legnagyobb kánikulában is kellemes belső klímájú, minden gépészet nélkül. Az építtető jogosan kérdezheti, hogy az mitől működik, és ő miért vegyen és üzemeltessen drága klímát, ha lehet nélküle is?

Hogyan lehetne olyan helyzetet teremteni, hogy a tervező ilyen épületek esetében is el tudja dönteni, hogy szükséges-e gépészeti berendezés tervezése, vagy a feladat megoldható építészeti eszközökkel is? Kézenfekvőnek tűnik az a megoldás, hogy a rendszerforgalmazók végeztessék el a szükséges vizsgálatokat, ami abból a szempontból is jogos lenne, hogy a kockázat ott jelenjen meg, ahol a nyereség, de ez hamar az épületek tipizálásához vezetne. A tipizálás nem kerülhető el, de adódik a következő kérdés, hogy az épületeket kell-e tipizálni vagy az egyes szerkezeti egységeket, amik egyben téralkotó elemek is? Ez az a kérdés, aminek megválaszolása leginkább érinti az építészeket.

Az épületfizika térformáló szerepe

Folytatva az előzőeket, látszólag eljutottunk a hőtechnikai feladat révén ahhoz a régi problémához, hogy a tipizálás mennyire korlátozza az építészt a téralkotásban? Azért írom, hogy látszólag, mert a kérdés alapvetően nem ez, hanem az, hogy milyen felelőssége van az építésznek a tipizálás mértékének kialakításában és ez hogyan kapcsolódik az épületfizikához?

Abban az esetben, ha az épületfizikai számításokat utólagosan elvégzendő számítási eljárásnak tekintjük, és negatív eredmény esetén továbbpasszoljuk a labdát mondjuk az épületgépésznek, akkor azt a környezet előbb-utóbb típusházakkal reagálja le. Ekkor az építész óhatatlanul adaptálóvá válik. Ennek a hozzáállásnak a másik, és már sajnos látható eredménye, mikor a házra utólag szervetlenül különböző berendezések aggatódnak -klíma egységek, napkollektorok, tartályok, stb. Bizonyára mindenki látott már magazin címoldalán neobarokk házat napkollektorral, klímával, amihez már csak a napelemes kertitörpe hiányzik.

A másik - meggyőződésem szerint minden építész számára kötelező - út, hogy az épületfizikai követelményeket úgy igyekszik optimálisan kielégíteni, hogy azokat már a tervezés kezdetén, a térszerkezet kialakításánál figyelembe veszi, és a továbbiakban folyamatosan kontrolálja. Ehhez viszont a mai gyakorlattól eltérő kommunikáció szükséges a szakmai szereplők között. Például az elvi optimum kérdése szinte értelmetlenné válik, ha a telekkialakítás és az épület-elhelyezési előírások miatt eleve nem lehet jól tájolni; ha az újonnan kijelölt építési terület a környezet szélcsatornájában van; a kívánatos árnyékolás szerint kiszerkesztett homlokzati elem építését a szabályzat nem engedi, és folytathatnám a sort, amit bizonyára a gyakorló kollégák is tapasztalnak.

Természetesen nem kerülhető el a tipizálás. Fenntartva az építészet azon igényét, hogy a téralkotás vezető szereplője legyen, talán nem házakat kellene tipizálni, hanem szerkezeti egységek modelljeit. Ezek az építész számára nem csak a valós fizikai elemeket, anyagokat és összeállításuk leírását, hanem a szükséges méretezési eljárásokat, kapcsolódási peremfeltételeket és épületfizikai jellemzőket is megadnák. Bárki vegyen kézbe egy könnyűszerkezetes rendszer ÉME engedélyt, láthatja, erről szó sincs. Ilyen típus modellek létrehozásához nagyon fontos lenne, hogy az egyetemi és intézeti kutatóhelyeken felhalmozott ismeretek, az ott működő vizsgálati módszerek a rendszerforgalmazók finanszírozásával nagyobb teret kapjanak. (Zárójelben megjegyezném, hogy Magyarországon a kísérleti építés lényegében a '80-as években megszűnt. Milyen kár, nem csak a szép mérnöki feladatok miatt, hanem azért, mert gazdagodna tőle az ország, így kulloghatunk a nagy eszünkkel mások után (ja, ha az építőanyag gyártást külföldi tulajdonba adtuk)).

Az építésznek az ilyen jellegű téralkotásban kettős szerep jut. A típusmodellek kialakításánál formatervezői, a modellek alkalmazásánál a klasszikus téralkotási szerep. Mindkettő ellátásához viszont a szükséges kommunikáció miatt más jellegű épületfizikai, sőt más jellegű matematikai, természettudományi ismeretekre van szüksége az építésznek, mint az a mai gyakorlatban látható.

Úgy látom, és nem tartom túlzó megállapításnak, hogy rövidesen olyan világba találjuk magunkat, ahol a környezeti hatások, energetikai, gazdasági problémák az épített környezet kialakításainak teljesen új, az anyagtulajdonságokig visszanyúló megoldásait kényszerítik ki. Remélhetőleg ennek frissítő hatása lesz, és végre el lehet felejteni "neo" korunkat (neoavantgárd, neoeklektika, neo-neobarokk, meg minden más neozavarodottság) és az építészetben ismét érvényesülni fognak (én már látok jó példákat itthon is) az eredendően meglévő formaalkotó természeti törvények.

Az egyik könyv elején, amit e témában elővettem, van egy idézet:
"Nincs természetes bor. A kenyér és a bor az ember leleménye" (Jaures)
Az épület is az ember leleménye és a bor, a kenyér és az épület is akkor jó, ha természet szerinti. Elég sok műbort csináltunk, ideje valódit készíteni.

Huszti István
építészmérnök