Magyar Tudomány • 2017 5 • Zöld

Fogalmi meghatározás

A szoláris termikus rendszerek három alapvető funkciója: az energia begyűjtése, tárolása és célba juttatása. A rendszer passzív, ha mindhárom funkciót maguk az épületek, azok szerkezetei látják el.

Alapesetben az energiagyűjtő elem az ablak, az energia felvételére, tárolására, leadására az épület külső és belső szerkezetei szolgálnak. A működés lényege az üvegházhatás: az ablak üvegezése (típustól függően) a napsugárzással érkező látható fény és rövidhullámú infravörös sugárzás 50–85%-át átengedi. Ugyanakkor a belső felületek által kibocsátott hosszúhullámú infravörös sugárzás tartományában áteresztőképessége zéró. Ilyen értelemben minden épület, amelynek van ablaka, passzív rendszer – a kérdés „csak” az, hogy mennyire jó. A szó „klasszikus” értelmében vett szoláris épületekre jó példák a Krisztus előtti évezredektől a mai napig találhatók.

Vannak speciális megoldások is: üvegházak, energiagyűjtő falak - a működés lényege minden esetben az üvegházhatás.

A szoláris energia minél jobb passzív hasznosítását célzó, a szó klasszikus értelmében vett szoláris épületek nem keverendők össze

• az olykor szolárisnak nevezett olyan épületekkel, amelyeknél a hasznosítás aktív (fotovillamos, termikus) gépészeti rendszerekkel történik;

• az ún. passzívházakkal: ezt az önként vállalható minősítést minden olyan épület megkaphatja, amely két energiafogyasztási és egy légtömörségi küszöbértéknek megfelel, a napenergia-hasznosítástól függetlenül.

A passzív szoláris rendszerek értelemszerűen az épületek fűtési energiaigénye egy részének fedezésére alkalmasak. Nem mellékesen alkalmasak az épületek természetes szellőzésének serkentésére is, aminek a nyári komfortviszonyok javítása, a gépi hűtés mellőzhetősége vagy energiaigényének csökkentése szempontjából van nagy jelentősége. Természetesen a passzív rendszerek nem alkalmasak a melegvízellátás energiaigényének fedezésére vagy elektromos energia termelésére.

Minden szoláris rendszer jó működésének feltétele az energiagyűjtő felületek (ablak, kollektor, napelem) jó benapozása, árnyékmentessége, különösen a téli hónapokban.

A passzív és aktív szoláris rendszerek
összehasonlítása

A passzív rendszerek talán legfontosabb sajátszerű-sége, hogy fizikai élettartamuk megegyezik az épület fizikai élettartamával, hiszen maga az épület a rendszer. Így csak az egyébként is szokásos épületfenntartási munkák igényével kell számolni. Az aktív rendszerek fizikai élettartama harmada-negyede az épületének; utóbbi fizikai élettartamán belül az aktív rendszerek többszöri cseréjére van szükség, ez természetesen a gyártás anyag- és energiaigényének, az ezzel járó kibocsátásnak többszörözését, valamint a bontás, újrahasznosítás, ártalmatlanítás környezeti gondjait is jelenti.

A passzív szoláris rendszerek nem igényelnek külső energiaforrást. Az aktív szoláris termikus rendszerek működéséhez (a szivattyúk hajtásához) elektromos energiára van szükség.

A passzív szoláris rendszerek külső hálózattól függetlenek. A fotovillamos rendszerek működése az országos hálózatra való csatlakozás műszaki, adminisztratív és pénzügyi feltételeitől függ.

A passzív hasznosítás potenciálja

Hazánkban a téli félévben egységnyi vízszintes felületre átlagosan 400 kWh/m² szoláris energia jut. Az épület egységnyi alapterületre jutó éves hőigénye meglévő régebbi épületekben 300–400 kWh/m², a jelenlegi követelményeknek megfelelő épületekben 50–100 kWh/m², azaz a „kínálat” eléri vagy meghaladja a „keresletet” – még akkor is, ha a nyereség nem hasznosul teljes egészében a hőtároló képesség korlátai miatt.

A magyarországi épületállomány energiaigénye az ország energiafogyasztásának közel 40%-át teszi ki. Miután az épületek túlnyomó részének vannak ablakai, valamilyen szinten hasznosítják is a passzív szoláris nyereséget. Ennek mértéke adatok hiányában nem számítható, jelentőségének megítélése végett ezért egy egyszerű családi ház nyolc változatára elvégzett részletes szimuláció eredményeit tekintjük át.

Egy példaépület

A példaépület alaprajzát az 1. ábra mutatja. Egyszerű családi házról van szó, amely nélkülöz minden építészeti különcködést, szerkezetei, anyagai a mindenkori piaci kínálatnak megfelelőek. Az épület egyetlen „szoláris” tulajdonsága, hogy ablakainak zöme a déli homlokzaton van – ha nincs egyéb kényszerítő körülmény, szoláris tudatosság nélkül is minden építész így tájolná az épületet.

1. ábra • A példaépület alaprajza

A változatok közül négy hagyományos, négy a mai követelményeknek megfelelően jól hőszigetelt. A hagyományos változat falai 40–50 évvel ezelőtti tégla és falazóblokk anyagúak, a jó hőszigetelésű változat falai gázbeton vagy porózus falazóblokkokból állnak, a külső oldalon elhelyezett hőszigetelő réteggel. A padló védő- és aljzatbeton közti hőszigetelésű, parketta és padlócsempe, illetve linóleumburkolattal. Az épület alápincézetlen. A födémszerkezet vasbeton, felül elhelyezett hőszigeteléssel. A padlás fűtetlen, a tető kelet-nyugati gerincű pikkelyfedésű nyeregtető. A belső falak válaszfallapokból készülnek, illetve szerelt kétrétegű gipszkarton szerkezetűek.

Mind a két kategóriában kis, illetve nagy üvegezési arányú (üvegfelület/homlokzatfelület) további változatokat elemeztünk. Az arányok nem extrémek. Az üvegezés a hagyományos változatokban kettős, a hőszigetelt változatban kétrétegű hőszigetelő üveg.

A hőtároló képesség befolyásolja a sugárzási nyereség hasznosulását. Minden eddig említett változatból két-két további alváltozatot vizsgáltunk, kisebb és nagyobb tömegű szerkezetekkel. Itt elsősorban a válaszfalak és a padlóburkolatok különbözőségének van szerepe, továbbá a könnyű külső falaknak, amelyek vázszerkezetre rögzített felületképző rétegek közötti hőszigetelésből állnak. Az egyes változatok szerkezeteit és hőtechnikai adataikat az 1. táblázatban foglaltuk össze.

A számítási eredményeket a 2. ábrán foglaltuk össze. Általánosságban megállapítható, hogy a hasznosított passzív szoláris nyereség a fűtési energiaigény jelentős hányadát fedezi. A hagyományos épületek esetében a százalékos arány szerénynek tűnik, de a rossz hőszigetelés miatt abszolút értékét tekintve ez tetemes tétel: összemérhető a jól hőszigetelt változatra kapott hasznosított nyereség értékével, ami a kisebb hőveszteség miatt százalékosan persze jelentősebb. Ez azért is hangsúlyozandó, mert a figyelem az egyre szigorúbb hőszigetelési követelményekre mint megoldásra összpontosult, annak „árnyékában” a passzív szoláris nyereség szerepe mintha mellékessé vált volna. Kétségtelen, hogy emögött szakmai érvek is voltak. Az egyik az, hogy a sugárzási energia kínálata többszörösen meghaladja a keresletet, vagyis az alacsony fűtési energiaigényt, a felesleg pedig nyilván nem hasznosul. A másik ok az, hogy a jó hőszigetelő képességű üvegezések sugárzásátbocsátási tényezője lényegesen kisebb, mint a hagyományos üvegezésé. E tényezők ellenére a hasznosított passzív sugárzási nyereség szerepe – mind az abszolút értéket, mind a százalékos arányt tekintve – jelentős.

A jobb hőtároló képesség a várakozásnak megfelelően a hasznosítást javítja. Meglepőnek tűnhet, hogy a nagyobb üvegezési arány – ami az épület egészének rosszabb hőszigetelő képességével jár – a fűtési energiafogyasztás csökkenését eredményezi.

Fogyasztás vagy teljesítmény?

Az üvegezés hőátbocsátási tényezője lényegesen magasabb, mint a falaké, első pillanatban tehát olybá tűnik, hogy az üvegezési arány növelése a fűtési energiaigényt növeli. Az érem másik oldala azonban az, hogy az üvegezésen át jelentős sugárzási nyereség jut az épületbe: ennek hatását a 2. ábra egyértelműen mutatja. A hatást vizsgálandó finomabb „felbontásban” is elemeztük az egyik, jó hőszigetelésű helyiség éves fűtési energiaigényét az üvegezési arány függvényében. Az eredmények azt sugallják, hogy egy bizonyos határig (a vizsgált esetben ez 40% körül van, a határ a helyiség számos paraméterétől függ) az üvegezési arány növelése érdemben csökkenti az éves fűtési energiaigényt.

Ez a tapasztalat egy tervezési és szabályozási alapkérdést is felvet. A szabályozások (nemzeti és uniós szinten) az épület elemeire vonatkozóan olyan követelményeket tartalmaznak, amelyek a hőveszteség (s ezzel a fűtési rendszer csúcsteljesítményének) minimalizálását célozzák. Ugyanakkor a követelményrendszer csúcsán a fajlagos éves primer energiafogyasztás van – ami a klímavédelem, az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése szempontjából teljesen érthető. Ebből következően a kisebb fogyasztás „ára” a nagyobb teljesítmény, amelynek kihasználására viszont évente csak néhány napig van szükség.

A szoláris épület látható jegyei

Számos építészeti lehetőség kínálkozik a passzív sugárzási nyereség jó hasznosítására. A 3. ábrán bemutatott példa a déli homlokzat elé helyezett üvegházzal és az arra nagy ablakokkal, franciaerkélyekkel nyíló lakószobákkal hangsúlyosan hirdeti a „szolárház” jelleget.

3. ábra • „Hangsúlyosan szoláris” családi ház (DOMUS-terv)

A „szoláris” jelleg talán kevésbé kézenfekvő a 4. ábrán bemutatott példa esetében. A lakószobák ablakai és üvegezett loggiái a – törött vonal alaprajzú – déli homlokzaton vannak. Az északi homlokzaton csak az „alárendelt” helyiségek (konyha, fürdő, közlekedő) kisszámú és kisméretű ablakai vannak, a keleti és nyugati homlokzat ablaktalan. A törött vonalú alaprajz okán a déli homlokzat hosszabb (ezáltal nagyobb felületű), mint az északi.

4. ábra • Ikerház Rottweilben: a szoláris tervezési filozófiáról a déli és az északi homlokzat

üvegezési aránya árulkodik.

Számos olyan részlet van, amelyek – noha első látásra nem tűnnek túl jelentősnek – lényegesen befolyásolják a passzív szoláris nyereséget. Ennek egyik példája a külső fal vastagsága és az abban elhelyezett ablak kávájának mérete.

A probléma lényegét az 5. ábra illusztrálja. A jelölt folt példaként azt mutatja, hogy a fal belső síkján mekkora felületen lép be a direkt sugárnyaláb a helyiségbe – a falvastagság 25, illetve 50 cm. Az előző csak könnyűszerkezetes épületek esetében reális méret, míg az 50–60 cm vastagság egy teherhordó réteg és a mai követelményeknek megfelelő hőszigetelés esetében jellemző.

5. ábra • Az ablakkáva mélységétől függ,

hogy mekkora felületen jut a direkt sugárnyaláb

a helyiségbe. (A felületet a belső falsíkon mérjük,

a falvastagságok 25 és 50 cm, az ablak mérete 150×150 cm.)

A belépő keresztmetszet természetesen változik a Nap magassági és azimutszögének függvényében. A belépő keresztmetszet és a külső síkon mért ablaknyílás aránya e szögek függvényében számítható. Az arányt ábrázoló görbesereget a hengeres nappálya-diagrammal fedésbe hozva a dátum és a helyi zónaidő függvényében megállapítható, hogy mikor milyen arányban csökken a belépő keresztmetszet (6. ábra).

Hasonló kérdés merül fel a felső féltérből (az égboltról) érkező diffúz sugárzással kapcsolatban is. A nyílás belső falsíkon felvett középpontjából kitekintve az ablakkáva az égbolt bizonyos térszög tartományait kitakarja, ezekből nem jut diffúz sugárzás a helyiségbe.

A passzív szoláris nyereség hasznosítása nyáron

A passzív sugárzási nyereség nemcsak fedezi a fűtési energiaigény egy részét, de a nyári komfortfeltételek javítására is hasznosítható a természetes szellőzés serkentésével, elkerülhetővé téve a gépi hűtés alkalmazását vagy legalábbis jelentősen csökkentve energiaigényét.

A sugárzási energia elnyelése ebben az esetben az ún. napkéményben (solar chimney) történik. Ez egy kürtőszerű tér, az emberek tartózkodási zónáján kívül, amely a nyereség következtében felmelegszik. A magas hőmérséklet és a geodetikus magasságkülönbség jelentős felhajtóerőt eredményez, amelynek következtében az épületből a környezetbe jelentős légáram távozik – helyére az ablakokon, szellőzőnyílásokon át friss levegő jut az épületbe (7–8. ábra). (Megjegyzendő, hogy solar chimney megnevezést használnak olyan nagyméretű, toronyszerű önálló építményekre is, amelyekben a felszálló meleg levegő függőleges tengelyű szélturbinát és azzal hajtott generátort forgat.)

Az uniós és a nemzeti szabályozás

A klímavédelem érdekében az Európai Bizottság célul tűzte ki, sőt 2020-tól kötelezővé tette a „közel nulla energiaigényű” épületek létesítését. A kérdést két uniós irányelv érinti. A követelményrendszerek koncepcióját megfogalmazó irányelv (EPDB Recast, 2010) egyik ellentmondását már említettük: noha a legfontosabb előírás az éves fajlagos primer energiaigény korlátozása, az egyes szerkezeti elemekre vonatkozó követelmények nem a fogyasztás, hanem a teljesítmény mérséklését célozzák. Egy másik komoly ellentmondás az, hogy – teljesen feleslegesen – a fajlagos éves primer energiaigény korlátozásának módját is előírja: az energiaigény „jelentős hányadát” megújuló energiával kell fedezni. Ezek között azonban a passzív sugárzási nyereség hasznosítása nem szerepel. Ez a helyzet a másik irányelv (Renewable Energy Directive, 2009) megfogalmazása miatt alakult ki, amely szerint a hasznosított sugárzási nyereség nem a fogyasztás egy részét fedező, hanem az igényeket csökkentő tétel, és mint ilyen, nem számolható el kétszer. Az uniós irányelvek ellentmondásai az alakulóban lévő és erősen vitatott nemzeti szabályozásokra is rányomják bélyegüket.

Kulcsszavak: passzív szoláris nyereség, benapozás, üvegarány, épületenergetikai szabályozás

HIVATKOZÁSOK

EPBD recast (2010): Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the Energy Performance of Buildings (recast). Official Journal of the European Union • WEBCÍM

Renewable Energy Directive (2009): Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the Promotion of the Use of Energy from Renewable Sources and Amending and Subsequently Repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC. • WEBCÍM