Az evaporatív tetőhűtés

A lapos tetős csarnokok nyári túlmelegedésének jelensége és okai

Hazánkban a vízszintes felületre érkező sugárzási energiahozam a zavartalan napsütéses napokon április közepétől augusztus végéig a napi 6-8 kWh / m2 értékek között ingadozik. A lapostetők jellemző szigetelőanyagainak hőabszorbciós tényezője 0,8-0,9 (Várfalvi et al.), vagyis a napsugárzásból származó hőenergia 80-90 %-a elnyelődik a lapos tetők héjazatában, majd a tetőn át bejut a csarnok belterébe. Ez azt jelenti, hogy a gyakorlatban egy jól szigetelt tetőn át a napsugárzásból egy 10.000 m2-es csarnok esetén egy nap alatt a gyakorlatban mintegy 50.000 kWh = 50 MWh hőmennyiség jut be az épületbe. (Ez az érték tartós hőség idején, amikor a tetőszerkezet éjjel sem képes jelentős mértékben áthűlni, akár a 70-80 MWh / 10.000 m2 értéket is eléri!) Ezt nevezzük szoláris hőnyereségnek (hűtési szempontból pedig szoláris hőterhelésnek.) Ez a hatalmas energiamennyiség a tetőről átlagosan  6-800 Watt / m2 intenzitással jut a csarnok mennyezetére, és onnan a munkaterületekre. Ez egy padlófűtés értékének 6-8-szorosa.

Az elektromos gépekkel, meleg technológiákkal dolgozó gyárak csarnokaiban nem csak ez a sugárzó hőmennyiség adódik a kánikula hőhatásához. Még ennél is jelentősebb az ún. „hőcsapda hatás”. A naptól 65-70 fokig melegedő tetőfelszín felé ugyanis a gépeken termelődő, és onnan felfelé szálló hő nem tud távozni, hanem „felragad” a mennyezetre. Ehhez az óriási, gépeken termelt fűtési teljesítményhez adódik hozzá a maga 6-800  Watt / m2 intenzitásával a szoláris hőnyereség - és a két hőmennyiség együttesen, a fűtési szempontból legkárosabb módon, a dolgozók fejére irányuló sugárzó hőterhelésként jut vissza az üzembe. A dolgozók hőérzetét ez a kettős sugárzó hőterhelés nagyságrendileg károsabban befolyásolja, mint a léghőmérséklet növekedése. (Ezért írja elő a jogszabály ezeken a munkahelyeken a normál léghőmérsékletek helyett a Korrigált Effektív Hőmérsékleti értékek alkalmazását.)

A hőérzet szempontjából ugyanis a léghőmérsékletnél jóval nagyobb szerepe van a sugárzó felületek hőmérsékletének. Ezt használjuk ki az energiatakarékos felületfűtési rendszerek esetében, amikor padló- vagy falfűtést alkalmazunk, illetve 16-17 oC-os léghőmérsékletű csarnokokban alakítunk ki optimális, vagy ahhoz közeli hőérzetet, mennyezeti hősugárzók alkalmazásával. 

A tetőszerkezet hőszigetelésével a bejutó hő mennyiségét (a vízszintes felületet érő hosszú besugárzási periódusok miatt) csak minimális mértékben lehet csökkenteni. Az oldalfalak szigetelésével ellentétben a tetők szigetelése legfeljebb az épület hőtechnikai "lengését" növeli jelentős mértékben: a tetőn elnyelt hő ugyan később jelenik meg a beltérben, de mind a beérkezett, mind a csarnokban termelt hő távozása is lassabbá válik. A nagy belső hőfejlődéssel járó technológiák esetén a vastagabb tetőszigetelés kifejezetten növeli a hőcsapda jelenségét.

Egyértelműen kijelenthető, hogy a nagy alapterületű csarnokok belső terének egyik legkritikusabb hőtechnikai tényezője tehát maga a tetőszerkezet, amely a nyári időszak jelentős részében a beltér felé egyetlen összefüggő, hatalmas mennyezeti hősugárzóként funkcionál. 

tetohutes nelkulAz evaporatív tetőhűtés installálása előtt
- Opel (korábban GM) Szentgotthárd Ltd. által mért adatok (12 m belmagasságú csarnok!)
Hűteni - de hogyan?

A szellőztetés tűnik a legegyszerűbb, legolcsóbb és legkörnyezetkímélőbb megoldásnak. Elsősorban ennek a lehetőségeit kell kimeríteni. 

De a szellőztetésnek számos akadálya, korlátja lehet:

  • a csarnokok mérete (az oldalfalakon lévő ablakok távolsága a belső munkaterületektől)
  • a külső léghőmérséklet éppen a kritikus időszakokban magasabb a beltéri levegő hőmérsékleténél  
  • a munkaterületek tagoltsága, a légmozgást akadályozó tárgyak, gépek, technológiai elemek
  • az oldalablakok magassága és a tető magassága közti különbség (minél mélyebben vannak az ablakok illetve szellőzők, annál nehezebb a felfelé áramló meleg levegőt a mennyezet helyett feléjük terelni) 
  • a nyitott tetőablakokon keresztül közvetlen napsugárzás, por, csapadék, sőt, rovarok és madarak is bejuthatnak 
  • a gyártási folyamatok sok esetben érzékenyek a porra, illetve a légmozgás (és ezzel a hőmérséklet) egyenletességére 

Ezek miatt a gyakorlatban a szigetszerű, tetőre kivezetett szellőztető kémények, illetve speciális szellőztetési és légtechnikai megoldások vannak terjedőben.

Az árnyékolás a tetőfelületek mérete és szélnek való kitettsége miatt a lapos tetőkön ritkán alkalmazható.

A klimatizálás a legismertebb, de beruházási és fenntartási költségeit tekintve is a legdrágább, legnagyobb energiafogyasztással járó megoldás. Az elmúlt években az európai országokban nőtt a légkondicionáló rendszerek száma. Ez a csúcsterhelési időszakokban jelentős problémákat okoz, növelve a villamosenergia-költségeket és felborítva az energiaegyensúlyt ezekben az országokban. AZ EURÓPAI PARLAMENT ÉS A TANÁCS Az épületek energiahatékonyságáról szóló 2010/31/EU  IRÁNYELVE (2010. május 19.) ezért kimondja:

"Elsőbbséget kell biztosítani azoknak a stratégiáknak, amelyek a nyári időszakban fokozzák az épületek hőszabályozó teljesítményét. E célból előtérbe kell helyezni a túlmelegedést megelőző intézkedéseket, például az árnyékolást és az épületszerkezet szükséges hőkapacitásának biztosítását, valamint a passzív – elsősorban a beltéri klimatikus körülményeket és az épület körüli mikroklímát javító – hűtési technológiák további fejlesztését és alkalmazását." (bevezető indoklás 25. bek.)

Nem szoktuk végiggondolni, de a lapos tetős csarnokok klimatizálása terén - a hatalmas légtéren kívül - a legtöbb problémát és költséget éppen a tető külső felszínének, és a felette lévő légrétegnek (az ún. "hőpaplannak") a felmelegedése okozza:

  • a klímáknak a más épületekre is jellemző nyári hőterhelésen kívül nem csak a gépeken termelődő hőmennyiséget, hanem a napsugárzásból a tetőn keresztül bejutó szoláris hőterhelést - négyzetméterenként napi 5-7 kWh többlet hőenergiát - is el kell távolítani a csarnokokból 
  • a csarnokok mérete miatt a klimatizált levegőt nem lehet az oldalfalakról gazdaságosan bevezetni a a csarnok belsejébe, ezért a HVAC berendezések többségét kénytelenek a célterülethez közelebb, a tetőn elhelyezni
  • a napsütéses napokon nem csak a tető felszíne, hanem a felette lévő 1,5-2,5 m magas légréteg is felmelegszik (ún. "hőpaplan" jön létre)
  • tavasszal és ősszel az 55-60 oC-os tető  felett  a hőpaplan 45 oC körüli hőmérsékletű
  • a zavartalan napsütéses nyári napokon azonban a 70-75 fokos tetőfelszín felett a hőpaplan akár 50 fok fölé is melegszik, és magassága szélcsendes időben akár a 3-3,5 métert is eléri.
  • A tetőn elhelyezett HVAC berendezések túlnyomó többsége tehát éppen a működése szempontjából legkritikusabb napokon egy 45-50 oC-os légtömegben helyezkedik el 
  • ilyen magas hőmérsékletű tér felé a klímaberendezések jelentős része nem is képes működni, automatikusan leállnak, vagy áramfelvételük és karbantartási szükségletük kritikus mértékben (akár 80 %-kal!) megnő 

A klimatizálás tehát mind beruházási igényét, mind üzemeltetési költségeit, mind üzembiztonságát tekintve jelentősen olcsóbbá és biztonságosabbá tehető a kültéri HVAC berendezések környezetének hűtésével, illetve a szoláris hőterhelés csökkentésével, megszüntetésével.

Az Öntözés.hu Kft. innovációja: a valóban evaporatív tetőhűtés - "Water-Film Technology"

A tetőhűtő evaporatív öntözés hatása nem pusztán a szoláris nyereség megszüntetése.

teohutes utan

  Evaporatív tetőhűtés alkalmazásával folyamatosan fenntartott állapot 
- Opel (korábban GM) Szentgotthárd Ltd. által mért adatok (12 m belmagasságú csarnok!)

   1. Az Öntözés.hu Kft. által, a BME Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék Hőfizikai Laboratóriumával együttműködésben kidolgozott „Water-Film Technology” a világon az első valóban evaporatív  tetőhűtés. Az Öntözés.hu Kft. rendszere, a világon egyedüliként, képes folyamatosan és pontosan alkalmazkodni az adott tetőn, az adott pillanatban kialakuló párolgási feltételekhez. Ezért tudunk pontosan annyi vizet kijuttatni, amennyi ténylegesen elpárolog az adott pillanatban, az adott tetőfelületről.  Így jelentősen kevesebb víz felhasználásával, sokkal jobb hatásfokot tudtunk elérni: a teljes szoláris hőterhelés elvonásán felül aktívan segíteni tudjuk a beltérből a tető felé újra meginduló hő távozását is. (Az ASHRAE a világ legnagyobb mérnök-szakmai szervezete. Az általuk a lapos tetők hűtésében a leghatásosabb és leggazdaságosabb módszerek közé sorolt amerikai és ázsiai "tetőhűtő permetező öntözőrendszerek" - saját vizsgálati eredményeik szerint - a szoláris nyereség felét-kétharmadát képesek megszüntetni.)

A jelenség fizikai magyarázata egyszerűen a víz párolgáshője és fajhője közti különbség: 1 liter 100 0C-os víz elpárolgása (maga a halmazállapot-változás) 5,4-szer annyi energiát von el a környezetéből, mint ugyanennek a vízmennyiségnek a 0-ról 100 0C-ra felfűtése. Ezért egy valóban evaporatív rendszer sokkal nagyobb hőelvonást eredményez, mint az egyszerű „tetőhűtő permetező öntözés".

    2. A tető külső felületét 28-32 fokra vagyunk képesek lehűteni. Ezáltal elérjük, hogy a spontán hőleadás ismét lehetővé válik a tető irányába. Így a hűtés nélkül 60-80 fokos tetőfelszín alatt 45-60 oC-ra melegedő csarnok-mennyezet ismét 30-35 fok körüli hőmérsékletre tud hűlni. A munkahelyi hővédelemben pedig sokkal nagyobb a szerepe a sugárzó felületek hűtésének, mint a léghőmérsékletnek. A mennyezetről a dolgozók fejére sugárzó hő a hőérzet legnagyobb hatású eleme – ezt használjuk ki fűtési célból, amikor fűtésre mennyezeti hősugárzókat alkalmazunk.

    3. A belső léghőmérsékletet fejmagasságban kb. 3-12 fokkal (28-30 fokról csak 2-3 fokkal, 35-40 fokról viszont jellemzően 25-28 fokra) csökkentjük. Ezért a tetőhűtés többnyire önmagában is elegendő a költséges munkavédelmi leállások elkerüléséhez.

    4. A teljes szoláris hőnyereséget meghaladó mértékben csökken az a hőmennyiség, amelyet a klímáknak, illetve egyéb aktív hűtési technológiáknak kell elvonniuk a csarnokból. Emiatt a klímák üzemideje jelentősen csökken. 

    5. A tetőn elhelyezett HVAC berendezések környezeti hőmérséklete a 60-80 fokos tető felett kialakuló 45-55 fokról 28-38 fokra hűl vissza, így a klímák fajlagos (időegységre eső) áramfelvétele is (a hőlépcső csökkenése miatt) akár 60-80 (!!!) százalékkal visszaesik (a normál tavaszi-őszi értékre), darabszámuk is csökkenthető, élettartamuk és üzembiztonságuk megnő.

    6. A tetőbevonat hődilatációját megszüntetjük, illetve minimálisra csökkentjük. A hűtés nélküli tetők minden nap 65-70 fokra melegszenek, majd minden este 10 fok köré hűlnek vissza, sőt, hűtetlen tetőrészeken sokszor mértünk nyári záporok esetén 1-2 percen (!!!) belül 65-70 fokról 0 fok alá eső hőmérsékletet. Ez a lapos tetők beázásának elsődleges oka. A dilatáció minimalizálásával a gyakorlatban megszűnnek a héjazat szakadásai és a beázások.

    7. A "Water-Film Technology" megfelel a legszigorúbb környezetvédelmi és fenntarthatósági kritériumoknak: nem használ és nem termel környezetkárosító vagy üvegház-hatású anyagokat, ipari (ivóvíz célokra nem alkalmazható, talajvízből, esővízből gyűjtött vagy újrahasznosított) vizet fogyaszt, energiafogyasztása minimális, az épület belső körülményeit nem az épület körüli mikroklíma kárára, hanem kifejezetten a környezet mikroklímájával EGYÜTT javítja.

Az Öntözés.hu Kft. által fejlesztett és kiépített innováció, a "Water-film Technology" tehát pontosan azokat a célokat valósítja meg, amelyeket AZ EURÓPAI PARLAMENT ÉS A TANÁCS az épületek energiahatékonyságáról szóló 2010/31/EU IRÁNYELVE a tagállamok feladatául kitűzött: 

"E célból előtérbe kell helyezni a túlmelegedést megelőző intézkedéseket, például az árnyékolást és az épületszerkezet szükséges hőkapacitásának biztosítását, valamint a passzív – elsősorban a beltéri klimatikus körülményeket és az épület körüli mikroklímát javító – hűtési technológiák további fejlesztését és alkalmazását."