BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA Dr. Harmathy Norbert, PhD BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Építészmérnöki Kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Dr. Harmathy Norbert, PhD
BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEMÉpítészmérnöki Kar, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék
Tematika
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Bevezetés az épületfizikába.
Épületfizikai alapfogalmak, szerepe, jelentősége és alkalmazása a tervezésben. Épületfizika témakörei.
A hőátviteli folyamatok ismertetése. Hőátbocsátás.
A hővezetés, hőáramlás és a hősugárzás jelenségeinek ismertetése, alapösszefüggések. A rétegrendi
hőátbocsátási tényező levezetése. Időben állandósult egydimenziós hőáram. Hőátbocsátási tényező
számítása többrétegű szerkezetekben. A hőátbocsátási tényező számítása különböző többrétegű
szerkezetekben, hőszigetelés méretezése és alkalmazási lehetőségek bemutatása példákon keresztül.
A hőhidak hőtechnikai kialakulásának ismertetése.
A hőhidak szerkezeti megjelenésének formái. A hőhidak alapvető épületfizikai jellemzői. A hőátbocsátási
tényező, a vonalmenti hőátbocsátási tényező, a sajátléptékben mért hőmérséklet. Hőhidak hőtechnikai
méretezése és számítási módszere. Eredő hőátbocsátási tényező kiszámítása példán keresztül. A
hőhidak hőtechnikai szerepének bemutatása példákon keresztül. Kritikai értékelő képesség fejlesztése
és építészmérnöki hibák észrevétele esettanulmányokon keresztül.
Hőtechnikai számtani példák.
Feladatok: Időben állandósult egydimenziós hőáram, hőáramsűrűség számítás. Hőmérsékleteloszlás
többrétegű falszerkezetben.
Ablakszerkezetek hőtechnikai viszonyai.
A transzmissziós áramok meghatározása. A hőszigetelő üvegezés javításának épületfizikai tényezői. A
gáztöltés és a LOW-e bevonat épületfizikai működése. A szoláris hőterhelés megjelenése
ablakszerkezetek esetén, annak számszerűsítése. A hővédelem kialakítása bevonatrendszerekkel.
1. zárthelyi dolgozat: Elmélet és számtani feladat, (2019.10.31. 15.15h K250)
Tematika
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Méretezési elvek az épületfizikában
A hőtechnikai minimum méretezési elv levezetése. A hőtechnikai optimum elv ismertetése, az optimális
tényezők bemutatása, az optimum keresése.
Az „egyenlő térbe, egyenlő energia”
Méretezési elv levezetése, kapcsolata napjaink energiaszabályozásával. Az európai energiaszabályozás
főbb elemei.
Páradiffúzió jelenségének ismertetése.
Páravezetési tényező, diffúziós ellenállás, gőzáram sűrűség. A stacioner páradiffúzió alapösszefüggései. A
páradiffúzió megjelenítése Ps-t diagramban. A kondenzációs zóna meghatározása. A kondenzáció
megszüntetésének eszközei. A rétegcsere szerepe a kondenzáció megszüntetésében. A párafékezés helye, a párafékező fólia ellenállásának meghatározása.
Ablakszerkezetek légáteresztése
2. zárthelyi dolgozat: Elmélet és számtani feladat, 2019.12.05, 15.15h K250
Pótlási hét
1. Pótzárthelyi (kedd) 12.17. 12.15h, K250
2. Pótzárthelyi (csütörtök, térítésköteles) 12.19. 10.15h, K250
Épületfizika = tudomány?
Az Épületfizika (Building Physics, US Eng. Building Science)
tudományos ismeretek és tapasztalatok gyűjteménye, amely
összpontosít az építészetet érintő fizikai jelenségek vizsgálatára.
Európában az épületfizika és az alkalmazott fizika (Applied
Building Physics) olyan fogalak, amelyek egy tudományterülethez
kapcsolódnak.
Az épületfizika a természetben előforduló fizikai jelenségeket
alkalmazva elősegíti az építészmérnöki és műszaki megoldások
vizsgálatát.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Épületfizika területei
Épületfizika
Építészmérnöki tervezés
Épületenergetika és épületgépészet
Építőmérnöki tervezés
Anyagtudományok
Számítástechnika
Energetikai tanúsítás
Energiatudatos épületminősítés
Számítógépes szimulációs technológiák
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Épületfizika témakörei
HŐVÉDELEM
PÁRAVÉDELEM
TERMÉSZETES VILÁGÍTÁS
ÉPÜLETENERGETIKA
LEVEGŐFORGALOM
AKUSZTIKA
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Hővédelem
Határolószerkezetek energiamérlege
Hőátviteli folyamatok (hőtranszport)
Időben állandósult egydimenziós energiaáram
Felületi hőátadási tényező
Hőátbocsátás
Hőhidak
Egyidejű hő- és légáteresztés
Talajra fektetett szerkezetek
Sugárzást átbocsátó szerkezetek
Hőátbocsátás
Sugárzási energiamérleg
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Páravédelem
Párafizikai alapok
Párás levegő, nedves anyag
Párafizikai jelenségek
Nedvesség az épületszerkezetekben
Folyékony állapotú nedvesség
Gőzállapotú nedvesség
Párajelenség hőtechnikai vonatkozása
Páraterhelés számítás és befolyása
Párakeletkezés okai
Páraterhelés csökkentése
Páradiffúzió
Számítási eljárások
Páradiffúzió számítási eljárása és méretezés
Kondenzáció a szerkezetben
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Természetes világítás
Világítástechnikai alapfogalmak
A fény
Világítástechnikai mennyiségek
Természetes fény mint fényforrás
Természetes fényforrás jellemzése
Természetes fény hasznosítása
Környezeti adottságok hatása
Építészeti kialakítással összefüggő tényezők
Természetes fénymodellezés és szimuláció
Síkra vetített fényszórás és fényerősség
Térben modellezett fényszórás és fényerősség
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Épületenergetika
Épületburkolat energetika
Határolószerkezetek energetikai jellemzői
Homlokzati falak, födémek, padlószerkezetek
Üvegszerkezetek energetikai jellemzői
Többrétegű üvegszerkezetek, szigetelések és bevonatok
Helyiségek energiamérlege
Egyensúlyi állapot és állandósult állapot egyenletrendszere
Épületfizikai és energetikai számítások
Fajlagos hőveszteség számítás
Hőszükséglet számítás
Helyiség hőszükséglet számítása
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Épületfizikai hatások
Hőmérsékleti hatások
Szél hatás
Hősugárzás
Csapadék
Nedvesség hatások
Hó és fagy hatások
Egyéb hatások:
zaj, rezgés …
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
http://images.adsttc.com/media/images/50f6/2cb7/b3fc/4b
26/2a00/02b6/large_jpg/section.jpg?1413936961
te
Talajvíz
Talajnedvesség
ti
Épületfizika szerepe
Épületfizikai tervezésnek három fő elemre épülő célrendszere van:
1. A megfelelő belső komfort biztosítása
2. A megfelelő állagvédelmi viszonyok biztosítása
3. Megfelelő energetikai viszonyok kialakítása
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
HATÁSOK
Épület geometria és
szerkezetek
Épületgépészet
rendszerei
ÉPÜLETFIZIKA ÉPÜLETFIZIKA
ÉPÜLETFIZIKA
Dr. Várfalvi János, Épületfizika, előadás
Fogalmak, elméleti alapok
Éghajlat
Környezet
Hőmérséklet
A napsugárzás spektruma
Direkt napsugárzás
Napsugárzás intenzitása
Csapadék
A levegő nedvességtartalma, állapotjellemzők
Árnyékolóhatás
Mikroklíma
Hőérzet és mérőszámai
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Éghajlat
Az építés egyik célja olyan komfortos terek létrehozása, amelyekben a külső környezettől eltérő állapotokat kell biztosítani.
A tervezői feladat szakszerű megoldásához nélkülözhetetlen az épületet érő környezeti hatások ismerete.
Az éghajlatból meghatározó természetes környezeti hatások köre tág. Ide értjük a következőket:
• Földrajzi hely
• Domborzati-vízrajzi jellemzők
• Szűkebb környezet éghajlati jellemzői
• Növényzet
• Időjárási elemek
Az éghajlat az időjárási elemek időbeli összegeződéséből tevődik össze és a különböző időszakokra vonatkozó statisztikai adatokkal jellemezzük.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Éghajlat
A Föld éghajlati övei Léghőmérséklet átlagértékek
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
http://www.met.hu/eghajlat/fold_eghajlata/jelenlegi_eghajlat/images/abra2.jpghttps://hu.wikipedia.org/wiki/R%C3%A1kt%C3%A9r%C3%ADt%C5%91#/media/File:Earth_zones.png
Éghajlat
Legösszetettebb építési követelményekkel a mérsékelt éghajlati övezetben találkozunk. Jellemzők:
1. Téli hideg
2. Nyári túlmelegedés
3. Nappálya
4. Különböző formájú csapadék
Klímatudatos és környezettudatos tervezésnél az éghajlati adottságokhoz ajánlott illeszteni a jellemző formákat és szerkezetek termikus karakterisztikáit.
Elkerülhetetlen a meteorológiai állomásokon begyűjtött éghajlati adatok ismerete és vizsgálata ahhoz, hogy a tervező megfelelő és hatékony módon alakítsa ki az épület épületfizikai és energetikai jellemzőit.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Környezet – hőmérséklet
A hőmérsékletet statisztikai adatokkal jellemzik:
• Éves középhőmérséklet
• Havi középhőmérsékletek
• Hőmérsékletlengések
• Szélsőséges (extrém) értékek
• Tervezési értékek (extrém értékeknél enyhébbek, elfogadható kockázat mellett)
• Fűtési hőfokhíd (a fűtési energiaigény egyik meghatározója az, hogy az idény folyamán a helyiség és a környezet közötti hőmérsékletkülönbség mekkora és milyen hosszú időtartamú)
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
http://metcenter.uw.hu/pic/budapest_2009.jpg
Környezet – a napsugárzás spektruma
A bejövő napsugárzás és a kimenő földsugárzás Planck függvényei, azaz a Nap és a Föld által kibocsátott sugárzási energia spektrális eloszlásának összehasonlítása (Forrás: T. L. McKnight, 1990)
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/MeteorologiaAlapismeretek/images/6cfd955d.jpg
Környezet – a napsugárzás spektruma
A felhőrétegen visszaverődött, elnyelt ésáteresztett (transzmittált) napsugárzás százalékos
arányai a felhővastagság függvényében (%)
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/MeteorologiaAla
pismeretek/images/117a509f.jpg
Különböző mélységű talajrétegek éves átlagos hőmérsékleti menete.
A méréseket a talaj felszínén, illetve 3 cm, 31 cm, 63 cm, 125 cm, 251 cm, 502 cm és 753 cm-es talajrétegekben végezték, Königsberg (Kalinyingrád) körzetében (Geiger, 1965 nyomán).
http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/Meteor
ologiaAlapismeretek/images/m18763b03.jpg
Környezet – direkt napsugárzás
Általános jellemzők:
• Terjedéshez nincs szükség közvetítő közegre.
• Hőenergiává alakul anyagi részecskék jelenlétében pl. a légkörön keresztül
haladva.
• Időben viszonylag állandó: a napenergia állandó értéke kb. 1368 W/m2. A
Napból a légkör felső határára ennyi energia érkezik.
• A Napból érkező, hullámok formájában terjedő elektromágneses energiának
sajátos hullámhossz szerinti eloszlása van – spektrális eloszlás.
• A légkörön áthaladva a sugárzás szóródik, elnyelődik, illetve visszaverődik.
A felszínre érkező sugárzás veszteséget szenved, gyengül, változik a
spektrális összetétele.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: http://www2.sci.u-szeged.hu/eghajlattan/pdf/moeghajl02.pdf
Környezet – direkt napsugárzás
A sugárzás erőssége és mérése
• A sugárzás erőssége jellemezhető azzal a hőmennyiséggel, amely akkor
keletkezik, ha a sugárzást egy tökéletesen elnyelő testtel elnyelhetjük.
• Mértékegysége: W/m2
• Másik fontos sugárzási jellemző a napfénytartam, ami a 120 W/m2 feletti
sugárzás időtartama (óra/év).
• 1965 óta a sugárzásmérés központi obszervatóriuma Pestlőrinc.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: http://www2.sci.u-szeged.hu/eghajlattan/pdf/moeghajl02.pdf
Campbell-Stokes-féle napfénytartam mérő
Környezet – napsugárzás intenzitása
Napsugárzás intenzitásának a mérése
Direkt sugárzás - Pirheliométer
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Abbot-féle Pirheliométer felül nyitott
fémhenger, belső fala feketére van festve,
- Ebben diafragmák (1-6) – csak a direkt
sugárzást engedik be,
- A henger falán spirál alakban, ismert
sebességgel víz áramlik, ez
felmelegszik, hőmérsékletét a henger
falával való érintkezés előtt (A), majd a
falától való távozáskor mérik (A’),
- A víz mennyisége és fajhője ismert, a
felmelegedésből számítható a sugárzás
hőegyenértéke
Forrás: http://meteor.geo.klte.hu/hu/doc/06napsugarzas.pdf
Környezet – napsugárzás intenzitása
Globális sugárzás - Pyranométer
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: http://meteor.geo.klte.hu/hu/doc/06napsugarzas.pdf
Globál sugárzás mérésére szolgálnak, azaz a Nap
és az égbolt együttes sugárzását mérik:
• érzékelőjük vízszintes, az érzékelő felületét a
teljes félgömbi tartományból érkező sugárzás
szabadon éri
• az érzékelő két koncentrikus ezüstgyűrűből áll, a
belső feketére, a külső fehérre van festve
• a két gyűrű hőmérsékletkülönbségét egy ún.
termooszlop méri
• kialakult termofeszültség arányos a beérkező
rövidhullámú globál sugárzással.
Környezet – napsugárzás intenzitása
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: Országos meteorológiai szolgálat, http://www.met.hu/
Környezet – napsugárzás intenzitása
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: http://www.naplopo.hu/tudastar/napsugarzasi-adatok/263-napsugarzasi-adatok-2013
Napsugárzási adatok, 2013.
• Éves sugárzásösszeg: 1368,6 kWh/m2
• Átalagos napi sugárzás: 3750 Wh/m2
• A legmagasabb napi sugárzásjövedelem június 29-én: 7586 Wh/m2
• A legalacsonyabb napi sugárzásjövedelem január 17-én: 70 Wh/m2
2013. évi napsugárzás havi bontásban ábrázolva
Környezet – csapadék
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: Országos meteorológiai szolgálat, http://www.met.hu/
Mikroklíma
A mikroklíma mindazoknak a tér aránylag kicsiny részére vonatkozó és egymással kölcsönhatásban is levő elemeknek, tényezőknek összegzése, amelyek az e térben (térrészben, helyiségben) levő élettelen tárgyak és élő szervezetek hő- és anyagcsere folyamatait befolyásolják.
Az élő szervezet hőérzetét a szervezet és a környezet közötti hő- és anyagtranszport határozza meg.
A mikroklíma és az ember
A kellemes hőérzeti állapot feltétele az, hogy az emberi test biológiai hőtermelése a kellemes bőrfelületi hőmérséklet mellett jusson a környezetbe.
Az emberi szervezet hőtermelése az anyagcsere folyamatokhoz kötődik. A hőátszármaztatási folyamat négy legfontosabb tényezője:
• a száraz hőleadás a környező levegőbe,
• a sugárzásos hőleadás,
• a légzés útján történő hőleadás,
• a párolgás útján történő hőleadás.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: Dr. Fekete Iván, Épületfizika kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985
Mikroklíma
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Az emberi szervezet hőleadása:
1. Összes hőleadás
2. Száraz (konvekciós+sugárzásos)
hőleadás
3. Sugárzásos hőleadás
4. Konvekciós hőleadás
5. Nedves (párolgás + légzés)
hőleadás
6. Párolgásos hőleadás
Forrás: Dr. Fekete Iván, Épületfizika kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985
Mikroklíma – hőérzet és mérőszámai
A kellemes hőérzet az általánosan elfogadott meghatározás szerint az a tudatos állapot, amely a termikus környezettel kapcsolatos elégedettséget fejezi ki.
A belső mikroklímára ható legfontosabb műszaki paraméterek:
- levegő hőmérséklete
- a környező felületek hőmérséklete
- a sugárzás mértéke
- a levegő nedvességtartalma
- a levegő sebessége
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: Dr. Fekete Iván, Épületfizika kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985
https://www.ecophon.com/en/about-ecophon/functional-demands/thermal-comfort/
Állagvédelem
A belső felületek állagvédelmi ellenőrzése
A lehetséges állagkárosodások:
• Felületi kondenzáció
Ha a felülettel érintkező, azzal azonos hőmérsékletű határrétegben a relatív nedvességtartalom eléri a 100 %-ot
• Kapilláris kondenzáció
Ha a felülettel érintkező, azzal azonos hőmérsékletű határrétegben a relatív nedvességtartalom eléri a 75 %-ot.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: http://www.sze.hu/~tothp/Epuletfizika_2009.tavasz/Penesz%20,%E1llagv%E9delem.pdf
J. Guillot, 2017, Développement de faisceaux radioactifs :
Influence de la microstructure d’une cible d’UCx sur les
propriétés de relâchement des produits de fission
Állagvédelem
A nedvesség jelenléte a gombásodás szükséges feltétele!
Szaporodásra képes penészgomba spórák mindig vannak a levegőben.
A többezer faj között mindig találhatók olyanok, amelyek számára az adott hőmérséklet-és fényviszonyok megfelelőek.
Penészképződés szempontjából a kritikus részek a határolószerkezetek belső felületének legalacsonyabb hőmérsékletű felületei, vagyis a csatlakozási élek, sarkok, hőhidak.
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
Forrás: http://www.sze.hu/~tothp/Epuletfizika_2009.tavasz/Penesz%20,%E1llagv%E9delem.pdf
http://m.cdn.blog.hu/fu/furdancs/image/gyokosi2/p%C3%A1ra5.jpg https://insofast.com/explore/insofast-vs-traditional-fiberglass/
Penészes fal Nedves hőszigetelés
Solar Decathlon 2019Nemzetközi házépítő verseny
BME ÉPÜLETENERGETIKAI ÉS ÉPÜLETGÉPÉSZETI TANSZÉK
BEVEZETÉS AZ ÉPÜLETFIZIKÁBA
http://www.sde2019.hu