Statikus hőtechnikai modellezés és szerkezeti tervezés szerepe az energiahatékony építésben

Bevezetés

Az épületek energiahatékonysága nemcsak gazdasági és technológiai, hanem környezeti és társadalmi szempontból is meghatározó. Ez azt jelenti, hogy az építészeti és épületgépészeti döntések hozzájárulhatnak az energiafogyasztás és az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentéséhez, miközben fenntarthatóbb életkörnyezetet biztosítanak a jelenlegi és jövőbeli generációk számára.

Az Európai Unió nagy hangsúlyt fektet az energiahatékonyság növelésére. Az épületek energiahatékonyságáról szóló irányelv (EPBD) célja, hogy az épületállomány 2050-re teljesen karbonsemleges legyen. Ez azért különösen fontos, mert az EU energiafogyasztásának 40%-a az épületekhez köthető, és az épületekből származó kibocsátás az üvegházhatású gázok egyharmadát teszi ki.

Az új szabályozás ((EU) 2024/1275) különösen a rossz energiahatékonyságú épületek felújítására és az új épületek fenntarthatóbbá tételére összpontosít. Az EPBD előírja, hogy 2028-tól minden új középület, 2030-tól pedig minden új épület nulla kibocsátású legyen, vagyis minimális energiát használjon, és azt elsősorban megújuló forrásokból nyerje.

Magyarországon a 9/2023. (V. 25.) ÉKM rendelet új alapokra helyezi az épületenergetikai szabályozást, felváltva a korábbi jogszabályokat. A rendelet előírja, hogy az épületek tervezése és energetikai számításai során a hőhidak hatását is figyelembe kell venni, mivel ezek jelentősen befolyásolják az energiafelhasználást és a komfortérzetet. A hőhidak jelentős mértékben befolyásolják az épületek energiahatékonyságát, különösen a jól szigetelt szerkezetek esetében. Ahogy a szigetelés vastagsága növekszik, a hőhidak relatív hatása is fokozódik. Kutatások szerint a hőhidak megfelelő kezelése akár 20%-kal csökkentheti a teljes hőveszteséget a magas hatékonyságú épületeknél (Levinskytė, 2016).

Statikus termikus modellezés alapjai

A statikus termikus modellezés az épületek és szerkezeti elemeik hőtechnikai viselkedésének elemzésére szolgál, állandó (időben nem változó) hőmérsékleti viszonyok között. Ez az egyik legfontosabb módszer az épületek energiahatékonyságának optimalizálásában, különösen a hőhidak, hőveszteségek és páralecsapódás vizsgálatában.

A modellezés célja, hogy előre jelezze az épület és annak szerkezeti elemei által biztosított hőszigetelő teljesítményt. A következő kérdésekre válaszol:

• Milyen hőveszteség lép fel az épületszerkezetekben?
• Hol találhatók a kritikus hőhidak és milyen hatásuk van?
• Milyen a hőmérséklet-eloszlás az épületelemekben?
• Mekkora a páralecsapódás kockázata?
• Milyen vastagságú és típusú szigetelés szükséges az optimális teljesítmény eléréséhez?

Egy kutatás szerint a legnagyobb hőveszteséget a falak és ablakok csatlakozásánál fellépő hőhidak okozzák (13,55 W/K specifikus hőveszteség). A második legnagyobb veszteséget a falak és padló csatlakozásai jelentik (11,88 W/K specifikus hőveszteség) (Levinskytė, 2016).

A statikus termikus modellezés a hőátadás három fő formáját vizsgálja:

1. Hővezetés: Az anyagon belüli hőátadás, amely az anyag hővezetési tényezőjét (λ-érték) használja.

2. Hőáramlás: A beltéri és kültéri levegő hatására bekövetkező hőcsere a felületeken.

3. Hősugárzás: Az épületelemek és a környezet közötti hősugárzásból származó hőátadás.

A modellezés során az egyes szerkezeti elemeknél állandósult állapotú hőáramlási számításokat végeznek, azzal a feltételezéssel, hogy a külső és belső hőmérséklet nem változik az időben.

Fizikai jellemzők és mérőszámok

A statikus termikus modellek különböző fizikai jellemzőket és mérőszámokat alkalmaznak az épületek és azok szerkezeteinek elemzésére.

Hővezetési tényező (λ-érték): Megmutatja, hogy egy adott anyag milyen jól vezeti a hőt. Mértékegysége: W/(m·K).

Hőátbocsátási tényező (U-érték): Egy szerkezeti elem hőszigetelő képességét méri, vagyis mennyi hő távozik rajta keresztül. Mértékegysége: W/(m²·K).

Hőellenállás (R-érték): Az anyag vagy szerkezeti réteg hőszigetelő képessége. Mértékegysége: (m²·K)/W.

Vonalmenti hőhíd hővesztesége (Ψ-érték)

• A vonalmenti hőhidak esetén a hőveszteséget az ún. psi-érték (Ψ-érték) adja meg.
• Mértékegysége: W/(m·K)
• A hőhíd hatásának kiszámítása: Q=ψ×L×ΔT
  • Q = hőveszteség (W)
  • Ψ = vonalmenti hőhíd átbocsátási tényezője (W/(m·K))
  • L = hőhíd hossza (m)
  • ΔT = hőmérsékletkülönbség (K)

Pontszerű hőhíd hővesztesége (χ-érték)

• A pontszerű hőhidak esetén a chi-érték (χ-érték) adja meg a hőveszteséget.
• Mértékegysége: W/K
• Hőveszteség számítása: Q=χ×N×ΔT
  • χ = pontszerű hőhíd átbocsátási tényezője (W/K)
  • N = hőhidak száma
  • ΔT = hőmérsékletkülönbség (K)

Felületi hőmérsékleti tényező (fRsi-érték)

• A belső felület és a külső hőmérséklet viszonyát mutatja meg.
• Minél alacsonyabb az érték, annál nagyobb a páralecsapódás veszélye.
• Az EPBD és az ÉKM rendelet előírja, hogy a szerkezetek fRsi értékét ellenőrizni kell a penészedés és nedvesség elkerülése érdekében.
• Számítási képlete: fRSI= (Tsi-Te)/(Ti-Te)
  • Tsi = belső felületi hőmérséklet (°C)
  • Te = külső hőmérséklet (°C)
  • Ti = belső levegő hőmérséklete (°C)

Harmatponti hőmérséklet (Td)

Az a hőmérséklet, amelynél a levegőben lévő pára kicsapódik a hideg felületekre, növelve a penészedés kockázatát.

• A harmatpont (Td) a levegő hőmérsékletétől (T) és relatív páratartalmától (RH%) függ.
• Az alábbi közelítő képlet segít meghatározni a harmatponti hőmérsékletet: Td=T-((100-RH)/5)
  • Td = harmatponti hőmérséklet (°C)
  • T = levegő hőmérséklete (°C)
  • RH = relatív páratartalom (%)

Szoftverek és eszközök a dinamikus termikus modellezéshez

Az épületenergetikai modellezéshez különféle szimulációs eszközök állnak rendelkezésre, amelyek képesek hőhidak, hőveszteségek, energiafelhasználás és komfortparaméterek modellezésére.

EnergyPlus – Az egyik legfejlettebb és legszélesebb körben alkalmazott energia-szimulációs szoftver, amely az épületek energiafelhasználását, hőterhelését, világítását és HVAC-rendszereit elemzi.

1. TRNSYS – Moduláris szimulációs szoftver, amely lehetővé teszi az épületek és az energiarendszerek részletes vizsgálatát, különösen megújuló energiaforrások integrációjánál.
2. DesignBuilder – Felhasználóbarát grafikus felülettel rendelkező épületenergetikai szimulációs szoftver, amely az EnergyPlus motorját használja.
3. IDA ICE – Fejlett komfortanalízist és energiahatékonysági vizsgálatokat végző szoftver, amely az épülethasználók viselkedését is figyelembe veszi.
4. IES VE (Integrated Environmental Solutions Virtual Environment) – Átfogó szimulációs eszköz, amely támogatja az épületenergetikai, termikus, világítási és szellőzési modellezéseket.
5. THERM – Kifejezetten hőhidak és hőveszteségek vizsgálatára fejlesztették ki.
6. Flixo – Részletes hőhídmodellezés és hőáramlás-vizsgálat.
7. HEAT2 és HEAT3 – 2D és 3D hőtechnikai számításokat végző szoftverek.

A Building Information Modeling (BIM) és az épületenergetikai szimulációk egyre nagyobb szerepet kapnak az építészeti tervezés és kivitelezés során. Az integrált digitális eszközök lehetővé teszik a hőhidak automatikus modellezését és az energiafogyasztási elemzések pontosítását.

1. Revit – Az egyik legnépszerűbb BIM-platform, amely épületenergetikai modulokkal is rendelkezik, és képes az energiahatékonysági számítások előkészítésére.
2. OpenStudio – Nyílt forráskódú szoftver, amely lehetővé teszi az EnergyPlus-alapú szimulációk és a BIM-adatokközötti integrációt.
3. IFC (Industry Foundation Classes) – Szabványos adatcsere-formátum a BIM-modellek és az energiahatékonysági szimulációk közötti kompatibilitás biztosítására.
4. Dynamo for Revit – Parametrikus tervezési eszköz, amely lehetővé teszi az energiafogyasztás és a hőhidak automatikus optimalizálását.

A modern épületenergetikai modellezés egyre inkább valós idejű adatokra épül, amelyeket különféle szenzorok és IoT-alapú rendszerek biztosítanak. Az adatgyűjtéshez különféle érzékelőket használnak:

1. Hőmérséklet- és páratartalom-érzékelők – Segítenek az épületben kialakuló hőhidak és páralecsapódási problémák azonosításában.
2. Hőáramlás-mérők – Meghatározzák a szerkezeti elemek hőveszteségét és az épületek energiahatékonyságát.
3. CO₂-érzékelők és beltéri levegőminőség-mérők – A komfortszint és a megfelelő szellőzés biztosítása érdekében.
4. Okos mérőórák (Smart Meters) – Valós idejű energiafogyasztási adatok gyűjtése és visszacsatolása a szimulációs modellekhez.
5. Termikus kamerák – Az épületburkolat és szerkezeti csatlakozások hőszigetelési hibáinak azonosítására.

Előnyök/Hátrányok

Előnyök

• Pontosabb tervezés és előrejelzés
  • A szimulációk segítségével az épületek hőtechnikai viselkedése realisztikusabban vizsgálható, ami csökkenti a tervezési hibák kockázatát.
  • A modellek figyelembe veszik a külső és belső hőterheléseket, így lehetőség van különböző időszakokban történő elemzésre.
• Integráció a megújuló energiákkal
  • A szimulációk lehetővé teszik a napenergia, geotermikus rendszerek és egyéb megújuló technológiák hatékonyságának vizsgálatát, ezáltal optimalizálva az energiafelhasználást.
• Költségmegtakarítás és fenntarthatóság
  • Az energiatakarékos épülettervezés csökkenti az üzemeltetési költségeket, miközben javítja az épület fenntarthatóságát.

Hátrányok

• Adatok és számítási kapacitás igénye
  • A modellek pontos működéséhez nagy mennyiségű adat szükséges, és a mesterséges intelligencia alapú analízisek is egyre nagyobb szerepet kapnak.
• Éghajlatváltozás és adaptív épületgépészet
  • A klímaváltozás hatásainak modellezése és a szélsőséges időjárási körülmények figyelembevétele egyre nagyobb kihívást jelent az épületgépészetben.
• Interdiszciplináris megközelítés
  • Az optimális eredmények elérése érdekében építészek, gépészmérnökök és szoftverfejlesztők összehangolt együttműködésére van szükség.

A modellezési eredmények felhasználása a tervezésben

A szimulációs eredmények segítenek a döntéshozatalban és az épület hőtechnikai optimalizálásában.

Anyagválasztás és szerkezeti kialakítás optimalizálása

• A modellek segítenek kiválasztani a legjobb szigetelőanyagokat és szerkezeti elemeket.
• A hőhidak csökkentése érdekében a folyamatos szigetelés és hőhíd-megszakítók alkalmazása válik szükségessé.

Megfelelő szellőztetési és HVAC-rendszerek kiválasztása

• Az energiafelhasználási modellek támogatják az optimális fűtési, hűtési és szellőztetési rendszerek tervezését.
• A természetes szellőzés és hővisszanyerő rendszerek hatékonyságát a szimulációk segítségével lehet javítani.

Megújuló energiaforrások integrálása

• A modellek megmutatják, hogy mennyi napenergia, geotermikus hő vagy egyéb megújuló forrás használható fel az épület működtetésére.
• A napenergia-hasznosítás optimalizálására az épület tájolásának és árnyékolásának vizsgálata is történhet.

Energiahatékonysági előírásoknak való megfelelés

• Az eredmények segítenek biztosítani, hogy az épület megfeleljen a 9/2023. (V. 25.) ÉKM rendelet és az EPBD előírásainak.
• A statikus termikus modellezés segít az épületenergetikai tanúsítványokhoz szükséges adatok kiszámításában.

Ajánlás

Az Equinox Iroda a termikus modellezés legmodernebb módszereit alkalmazza az épületek energiahatékonyságának növelése érdekében. Szakértő csapatunk fejlett hőtechnikai szimulációkat és precíz hőhíd-elemzéseket végez, hogy ügyfeleink számára energiahatékony, fenntartható és komfortos épületeket tervezzünk. Ha Ön olyan épületet szeretne, amely minimális hőveszteséggel, optimalizált hőszigeteléssel és hatékony energiafelhasználással működik, az Equinox Iroda a tökéletes választás!

Miért érdemes a termikus modellezést választani?

• Hőhidak minimalizálása
• Energiatakarékos tervezés
• Komfort és páralecsapódás elleni védelem –megelőzve a penészedést és a túlzott páraképződést.
• Megfelelés a szabályozásoknak – Az energiahatékonysági követelmények, például a 9/2023. (V. 25.) ÉKM rendelet és az EPBD előírásai, pontosan teljesíthetők a modellezési eredmények alapján
• Megújuló energiaforrások integrációja – A termikus modellezés támogatja a napenergia-hasznosítás, hőszivattyús rendszerek és passzívház technológiák optimális beépítését Lépjen kapcsolatba velünk!

Vegye fel velünk a kapcsolatot, és tudja meg, hogyan segíthetünk Önnek az épület hőtechnikai teljesítményének maximalizálásában és az üzemeltetési költségek minimalizálásában!

Akár új építésről, akár meglévő épület felújításáról és hőtechnikai elemzéséről van szó, csapatunk segít megtalálni a legjobb megoldásokat az Ön projektjéhez.

Ajánlatkéréshez szükséges információk

Ahhoz, hogy a lehető legpontosabb ajánlatot készíthessük az Ön projektjére, kérjük, adja meg az alábbi adatokat:

• Az épület típusa (lakóépület, iroda, ipari létesítmény stb.)
• A vizsgálandó szerkezeti elemek (pl. homlokzat, födém, nyílászárók)
• Kívánt energiahatékonysági szint vagy tanúsítási követelmény (pl. passzívház, közel nulla energiaigény)
• Speciális elvárások (hőhíd-elemzés, megújuló energiaforrások integrációja)

Lépjen velünk kapcsolatba még ma, és tervezzünk együtt energiahatékonyabb jövőt!

Hivatkozott és további szakirodalom

Könyvek

• Kus, H., & Krajčík, M. (2020). Building Physics: Heat, Air and Moisture. Springer.
• DeWitt, D. P., & Incropera, F. P. (2013). Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Wiley.
• Erhorn-Kluttig, H., & Erhorn, H. (2010). Thermal Bridges in Building Envelopes. Fraunhofer IRB Verlag.
• Clarke, J. A. (2001). Energy Simulation in Building Design. Routledge.
• Hensen, J. L. M., & Lamberts, R. (2011). Building Performance Simulation for Design and Operation. Routledge.
• Szokolay, S. V. (2008). Introduction to Architectural Science: The Basis of Sustainable Design. Routledge.
• Straube, J. (2012). High-Performance Enclosures: Design Guide for Passive Houses, Low-Energy Buildings, and Zero-Energy Homes. Building Science Press.

Tudományos cikkek

• Levinskytė, A., Banionis, K., & Geležiūnas, V. (2016). The Influence of Thermal Bridges for Buildings Energy Consumption of “A“ Energy Efficiency Class. Journal of Sustainable Architecture and Civil Engineering, 15, 47-58.
• McGowan, J.G. & Desjarlais, A.O. (1997). Thermal Bridging in High-Performance Building Envelopes. Journal of Building Physics, 21(3), 243-260.
• Erhorn, H. Erhorn-Kluttig, K. E. Thomsen, J. Rose, and S. Aggerholm, An effective Handling of Thermal Bridges in the EPBD Context: Final report of the IEE ASIEPI work on thermal bridges. ASIEPI, 2010.
• S. Roels, M. Deurinck, M. Delghust, A. Janssens, and D. Orshoven, “A pragmatic approach to incorporate the effect of thermal bridging within the EPBD-regulation,” in 9Th Nordic Symposium on Building Physics-Nsb 2011, 2011, p. C02_5:1009-C02_5:1016.
• Janssens, E. van Londersele, B. Vandermarcke, S. Roels, P. Standaert, and P. Wouters, “Development of limits for the linear thermal transmittance of thermal bridges in buildings,” Therm. Perform. Exter. Envel. Whole Build., 2007.
• M. Bucevac, U. Pont, S. Swoboda, and A. Mahdavi, “Data transfer from bim to building performance simulation tools: A case study,” Build. Simul. Appl., vol. 2017-February, pp. 359–366, 2017.
• Andriamamonjy, D. Saelens, and R. Klein, “An automated IFC-based workflow for building energy performance simulation with Modelica,” Autom. Constr., 2018, doi: 10.1016/j.autcon.2018.03.019.

Szabályozások

• Európai Unió (2024). Directive (EU) 2024/1275 on the energy performance of buildings (recast). Elérhető: EUR-Lex
• Európai Bizottság (2023). Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) Overview. Elérhető: European Commission
• International Energy Agency (2024). Building Energy Efficiency Policies and Regulations. Elérhető: IEA
• Magyarország Kormánya (2023). 9/2023. (V. 25.) ÉKM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról. Elérhető: NJt.hu
• Tek (2020). Thermal Bridging in Construction: Understanding the Impact and Solutions. Technical Report, 06-13B.
• ISO 13789:2017. Thermal performance of buildings – Transmission and ventilation heat transfer coefficients – Calculation method.
• ASHRAE Handbook – Fundamentals (2021). Building Envelope Heat Transfer and Thermal Bridging. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.