Hőszigetelő anyagok - 35. oldal

A hőszigetelő anyag fogalma

Az előző fejezetekben láthattuk, hogy minden anyagnak van hővezetési ellenállása, a hővezetési tényezőjétől és vastagságától függően. Minden anyagnak van hőszigetelő képessége, ezáltal akár az összes anyagot hőszigetelő anyagnak is tekinthetnénk.

Forrás: Hőszigetelő festék – http://protektor-festek.hu/

Az építőiparban általánosan elfogadott definíció szerint azonban a hőszigetelő anyagok általában valamilyen természetes vagy mesterségesen előállított alapanyagból készült, porózus vagy üreges szerkezetű, kis testsűrűségű termékek, amelyek hővezetési tényezője 10 °C középhőmérsékleten mérve nem haladja meg a 0,15 W/m-K értéket. A hőszigetelő anyagok szilárd alkotórészekből álló vázból, valamint levegővel vagy más gázokkal telt pórusokból, kapillárisokból épülnek fel. Mivel az álló levegő jó hőszigetelő, így a hőszigetelő anyagok pórusaiban jelen lévő levegő jó hőszigetelést biztosít.

A napjainkban használt építőanyagaink jelentős része, amelyek nem tartoznak a klasszikus értelemben vett hőszigetelő anyagok körébe (pl. a nagy hőszigetelő értékű falazóelemek), ennél kisebb hővezetési tényezővel rendelkeznek, ezért bevezethető a hatékony hőszigetelő anyag fogalma, ez alatt a 10 °C középhőmérsékleten mért 0,06 W/m-K értéknél kisebb hővezetési tényezőjű anyagokat értjük.

A hőszigetelő anyagok csoportosítása

Számtalan hőszigetelő anyag létezik, amelyeket elsősorban előállítás és kémiai összetétel szerint csoportosíthatunk.

Előállítás szerint beszélhetünk:

• természetes hőszigetelő anyagokról és
• mesterséges hőszigetelő anyagokról

A természetes hőszigetelő anyagokat általában tovább már nem csoportosítjuk. A legfontosabb természetes eredetű hőszigetelő anyagok a parafa, a fagyapot, a farostlemez, a faforgács lap, a cellulózszigetelés, a nádlemez, a szalmabála, a kukoricablokk, a lenrost, a kenderrost, a pamut, a gyapjú és az egyéb különleges anyagok (pl. kókuszszál, szárított tengeri fű stb.).

A mesterséges hőszigetelő anyagokat azonban tovább csoportosíthatjuk:

• szálas hőszigetelő anyagokra,
• habosított hőszigetelő anyagokra,
• ömlesztett hőszigetelő anyagokra,
• hőszigetelő falazóelemekre és
• nanotechnológiás hőszigetelő anyagokra.

A szálas hőszigetelő anyagok közé tartozik az azbeszt, a kőzetgyapot és az üveggyapot. A habosított hőszigetelő anyagok közé soroljuk a különféle műanyaghabokat, mint pl. az expandált polisztirolhabot, az extrudált polisztirolhabot, a poliuretánhabot, a fenolhabot, a karbamid-formaldehidhabot, a bakelithabot és a melaminhabot, de idetartozik a habüveg is.

Ömlesztett hőszigetelő anyagok közé tartozik a duzzasztott agyagkavics, a duzzasztott perlit, a duzzasztott verkimulit, a duzzasztott üvegkavics (tkp. habüveg-granulátum), valamint történelmi okok miatt ide kell sorolnunk az egyéb szervetlen feltöltéseket és könnyű adalékanyagokat, mint a kohósalak, a vulkáni tufa és horzsakő, a porszén hamukavics, a kazánsalak és a kohó habsalak.

Utóbbiakkal együtt korunk fogalmai szerint már szintén nem tekinthetjük hőszigetelő anyagnak, de a történetiség ismeretében a mesterséges anyagok között meg kell említenünk a hőszigetelő falazóelemeket, ezen belül is a kerámiaanyagú, az agyagkötésű porszénhamu, a kovaföldalapú és a magnézium-karbonát-alapú gyártmányokat, valamint a pórusbeton termékeket.

A hőszigetelő anyagok csoportosíthatók kémiai összetétel szerint szerves (pl. természetes anyagok, műanyaghabok) és szervetlen eredetű (pl. szálas hőszigetelő anyagok, üveghab, duzzasztott agyagkavics, duzzasztott perlit, vákuumpanel hőszigetelés, aerogél, nanokerámiás hőszigetelő festékek) anyagokra is. Ezenkívül az építési hőszigetelő anyagokat csoportosíthatjuk épületszerkezeti helyük szerint is.

Ily módon megkülönböztethetünk:

• pincefal-hőszigeteléseket,
• lábazati hőszigeteléseket,
• homlokzati hőszigeteléseket,
• talajon fekvő padló hőszigeteléseket,
• padlásfödém-hőszigeteléseket,
• lapostető-hőszigeteléseket,
• magastető hőszigeteléseket,
• hőhidak (koszorúk, áthidalók, épületszerkezeti csatlakozások stb.) hőszigeteléseit és
• épületgépészeti szerkezetek hőszigeteléseit.

A hőszigetelő anyagokkal szembeni követelmények

A hőszigetelő anyagoknak, sok más építőanyagokhoz hasonlóan is számos követelménynek kell megfelelniük. Az egyes termékek anyagtulajdonságaira vonatkozó követelményértékek és határértékek a műszaki előírásokat tartalmazó szabványokban találhatók.

Ezek közül a legfontosabbak:

• a megfelelően kis hővezetési tényező,
• a mechanikai hatásokkal szembeni ellenálló képesség,
• a térfogat- és mérettartás,
• a fizikai és kémiai stabilitás,
• a tűz-, hő- és fagyállóság,
• a kártevőkkel szembeni ellenálló képesség,
• a higroszkóposság hiánya,
• a fagyhatással szembeni ellenállás és
• a páraáteresztő képesség.

A 19. század közepétől ugyanis az emberiség a szokványos, a természetben megtalálható anyagok helyett- állati bőrök, növényi rostok, földborítás – olyan különleges, sokszor szintén a természetben előforduló anyagokat fedeztek fel, amelyek ugyancsak alkalmasak voltak különféle hőszigetelési célokra. Ekkor jelentek meg az első hőszigetelő termékek is, amik kezdetben valamilyen természetes anyagból készült gyártmányok voltak (parafa, hamuval töltött tégla, nádpalló).

Amennyiben az energiatudatos építészet fejlődéstörténetén végigpillantunk, majd megvizsgáljuk, hogy az alkalmazott hőszigetelő anyagok hogyan követték a változásokat, megállapíthatjuk, hogy a hőszigetelő anyagok fejlődéstörténete öt nagy korszakra osztható. Az egyes korszakok közti határ azonban nem minden esetben valamely történelmi eseményhez köthető -ahogy azt a történelmi korok elhatárolásánál már megszokhattuk -, hanem az emberiség, az építészet fejlődésének valamely fordulópontja, valamint a gazdaság és az ipar fejlődésének valamely mérföldköve jelenti.

Ezek az események és folyamatok nagyban hatottak az építési tevékenységre, az építészet fejlődésére és egyben a hőszigetelő anyagok világára is. Eredményük általában valamely új hőszigetelő anyag megjelenése, ill. más, régebbi hőszigetelő anyag eltűnése, alkalmazásának visszaszorulása volt.

Az első fejlődéstörténeti korszak

Első korszak kezdetének nagyjából azt a 2,5 millió évvel ezelőtti időpontot tekinthetjük, amikor elődeink elsőként végeztek építési tevékenységet, míg lezárását Kr. e. 7000 körül a letelepült életmód megjelenése jelentette. Ebben az időszakban az ember kevéssé tartós, elsősorban ruházkodásra használt növényi és állati eredetű anyagokból (növényi rostok, állati szőrök és bőrök) készített ideiglenes hajlékot magának.

A második fejlődéstörténeti korszak

A letelepült életmód azonban meghozta a tartós építőanyagok iránti igényt. Ebben az ipari forradalom kezdetéig terjedő időszakban már jobbára végleges megtelepedést szolgáló épületek épültek, azonban még – néhány kivételtől eltekintve – mindig nem beszélhetünk kizárólag hőszigetelő funkciója miatt használt építőanyagokról.

A gyakran 60-80 cm vastag régi kő- és téglaanyagú falszerkezetek a kor hőszigetelési igényeit kielégítették, így azokra külön hőszigetelő réteg nem került. Nem kellett számolni sem az energiahordozók kimerülésével, sem pedig az energiahordozók árának gyors növekedésével.

Egyedül a tetőszinti födémek hőszigetelésére fordítottak némi gondot, bár még a 19. században is a legfelső lakószint felett csupán egy agyagréteggel szigetelték. E réteg agyagból, sárból vagy ezek keverékéből állhatott, olykor náddal, pelyvával keverve, vastagsága tipikusan 10-20 cm között változott. Ahol a födém bírta, ott e réteget keményre döngölték. Ez az agyagozás egyúttal némileg tűzgátló hatású is volt.

A tetőhéjazatok közül a fazsindelynek csekély, a nádazásnak jobb, ám vastagságától függő mértékű hőszigetelő képessége volt. Ezek azonban tűzveszélyes anyagok voltak. Az olcsó nádazás alá ezért gyakran illesztettek agyagzsindely táblákat. Ezek a pelyvával kevert agyagból készült táblák hőszigetelő és egyben tűzgátló elemek is voltak. Használatuk kedvező tapasztalatai nyomán néha hőszigetelő elemként egyéb, nem gyúlékony fedések alá is betették. Anyaga azonban porladt, idővel rovarok is beleköltözhettek, nem volt időálló, ezért már a 19. században felhagytak a használatával.

A harmadik fejlődéstörténeti korszak

Az első, kimondottan hőszigetelési célra használt építőanyagok a harmadik korszak kezdetén, vagyis az ipari forradalom második szakaszában – nagyjából a 19. század második felétől – jelentek meg. Kezdetben valamely természetes építőanyag feldolgozásával nyerték őket. Számos különféle növényi rost feldolgozásával olyan hőszigetelő termékek kerültek forgalomba, mint a szárított tengeri fűből, a préselt cukornádból, lenből és kenderből, vagy agyaggal és vízzel kevert parafaőrleményből, különféle mezőgazdasági és faipari melléktermékekből (faforgács lap, fagyapot, farostlemez) és újrahasznosított újságpapírból készült szigetelőanyagok.

Az 1870-es és 1880-as években megkezdődött a falazó elemek reformja is, ami a falazóelemek súlyának csökkenését és hőszigetelő képességük javítását célozta. Számos kísérlet fulladt kudarcba, ugyanis az így létrejött falazóelemek tartóssága és teherbírása meglehetősen kritikus volt. Nem csoda, ha a falazóelemek korszerűsítése mellett egyre több, kimondottan hőszigetelési célzattal készült építőipari termék jelent meg a piacon.

A 19. század második felében és a 20. század első évtizedeiben megjelentek a természetes alapú hőszigetelő anyagok mellett az első mesterséges hőszigetelő anyagok is, mint pl. a kőzetgyapot, a salakgyapot, az üveggyapot és a habüveg, de elterjedésük a modern építészet térhódításáig nem volt számottevő. Csupán az 1920-as és 1930-as években kezdtek terjedni, de használatuk nem volt általános. Jellemző a korszakra, hogy számos új, rövid életű, kísérleti anyag is megjelent, amelyekről hol gyorsan, hol kicsit lassabban olyan hátrányos tulajdonságok derültek ki, hogy gyártásukkal hamar felhagytak.

A negyedik fejlődéstörténeti korszak

A következő nagy korszakváltást a műanyaghabok (extrudált polisztirolhab, expandált polisztirolhab, poliuretánhab) megjelenése hozta. Ugyan már az átmeneti időszaknak tekinthető 1930-as és 1940-es években megindult a műanyagok tömeggyártása, de az igazi változást a hőszigetelő anyagok világában csak a második világháború utáni robbanásszerű elterjedésük hozott.

Az első extrudált polisztirolhab termék 1943-ban, az első expandált polisztirolhab termék 1951-ben, az első poliuretánhab termék 1954-ben került kereskedelmi forgalomba. Ezek a gyártmányok rohamosan fejlődtek, egyre jobb minőségben és nagyobb mennyiségben álltak rendelkezésre. Az 1950-es évektől kezdődően a műanyaghabok elárasztották az építőipart, ráadásul a már korábban megjelent és időközben minőségileg továbbfejlesztett mesterséges anyagok (kőzetgyapot, üveggyapot, habüveg) is egyre intenzívebben szorították ki a természetes anyagú hőszigeteléseket. A természetes anyagú hőszigetelések tömeggyártása nehézkesebb is volt, és nem bizonyultak kellően tartósnak sem.

Az ötödik fejlődéstörténeti korszak

A 20. század végére azonban újabb korszakváltás következett be, ugyanis a környezetszennyezés és a globális klímaváltozás olyan mértéket öltött, hogy az építészetben egyre inkább előtérbe került a környezet és energiatudatos gondolkodásmód. Az épületfizika immáron az épülettervezés szerves részévé vált, és felértékelődött az épületgépészet szerepe is. Az épületfizikai vizsgálatok során a teljes épületet egy komplett rendszerként kell figyelembe venni, s ez a forradalmi változás az oka, hogy manapság épületfizika helyett inkább épületenergetikáról kell, hogy beszéljünk.

Azzal együtt, hogy az épületenergetikai számítások elvégzése elengedhetetlenné vált az építészek számára, számos új és jobbnál jobb minőségű termék öntötte el a hőszigetelő anyagok piacát. A tradicionális hőszigetelő anyagokat gyártó cégek folyamatosan fejlesztik termékeiket, hogy termékeik alkalmazhatósága egyre szélesebb körű legyen, és újabb piaci területeket hódíthassanak meg. Szükséges továbbá, hogy lépést tudjanak tartani a konkurenciával és a szinte minden nap a piacra betörő új termékekkel. Ennek köszönhetően a tradicionális hőszigetelő anyagok hatalmas minőségi változáson mentek keresztül az elmúlt évtizedben, s ez a változás napjainkban is zajlik.

Mindezen túl eddig ismeretlen vagy sokáig más célra használt újfajta, nagy teljesítményű hőszigetelő anyagok (pl. nanotechnológiás hőszigetelő anyagok) jelentek meg a hőszigetelő anyagok piacán, újra felfedezték a különféle természetes hőszigetelő anyagokat (pl. szalmabála, kukoricablokk), és megtapasztalhatjuk a földépítészet reneszánszát is.

A bioépítészet születése

A 20. század közepétől azonban az energiaválság az előző fejezetekben taglaltakon kívül más problémákat is felvetett, nevezetesen, hogy a mesterséges hőszigetelő anyagok előállítása meglehetősen nagy mennyiségű fosszilis energiahordozó felhasználását igényli, ráadásul a növekvő energiaárak előállítási költségeiket is megnövelik.

Mindezek mellett egyre inkább előtérbe került a különféle hulladékok újrahasznosításának szükségessége, ami az építőipari hulladékok, azon belül is a bontás vagy felújítás során elhasználódott hőszigetelő anyagok feldolgozását is jelenti. Ez számos esetben szinte megoldhatatlan problémát jelent, hiszen egyes hőszigetelő anyagok természetes körülmények között csak nagyon lassan (pl. műanyagok) vagy egyáltalán nem (pl. kőzetgyapot) bomlanak el. Ráadásul elbomlásuk során alapanyagukból vagy kötőanyagukból (pl. ragasztóanyag) különféle mérgező anyagok juthatnak a környezetbe.

A jelenlegi helyzetet figyelembe véve hosszú távon újabb radikális változás várható a hőszigetelő anyagok világában, hiszen a fenntartható fejlődés csupán mesterséges anyagok segítségével valószínűsíthetően nem biztosítható.

5.1. ábra. A hőszigetelő anyagok piaci összetétele Németországban 1994-2014 között

[table id=376 /]

Ha szemügyre vesszük németországi hőszigetelőanyag-piac összetételét (Magyarországon és Ausztriában is hasonló a helyzet), láthatjuk, hogy a mesterséges anyagok képviselik a hőszigetelő anyagok jelentős hányadát. Az ásványgyapotok jelentik a teljes szigetelőanyag-termelés 50%-át, míg a különféle műanyaghabok nagyjából 38%-ot tesznek ki. A természetes hőszigetelő anyagok piaci részesedése a 11%-os értékével szintén számottevőnek tűnik.

Azonban érdemes odafigyelnünk a hőszigetelő anyagok piacának időbeli alakulására, melyre jó példának szintén a németországi helyzet tűnik. A mesterséges anyagok (szálas hőszigetelések, műanyaghabok) aránya kicsivel ugyan, de nagyjából az ezredforduló környékén csökkenni kezdett. Ezzel egy időben a természetes anyagok részesedése az 1%-ról 2004-ben 6%-ra, 2014-ben pedig már 11%-ra növekedett.

Látható, hogy a természetes hőszigetelő anyagok közül 32%-ot a cellulózszigetelés, 28%-ot a farostlemez, 20%-ot a fagyapot, 9%-ot a len- és kenderszál, 4%-ot a gyapjú és 7%-ot az egyéb természetes anyagok (parafa, szalma stb.) tesznek ki.

5.3. ábra. A természetes hőszigetelő anyagok megoszlása a német piacon

5.4. ábra. Frank Lloyd Wright által tervezett Vízesésház

Ennek a jelenségnek az a magyarázata, hogy napjainkban egyre növekvő igény tapasztalható a természetes hőszigetelő anyagok alkalmazása iránt. Ez pedig a környezettudatos építészeti gondolkodás terjedéséből adódik. A természetes hőszigetelő anyagok alapanyaga olyan szerves anyag, ami nagy mennyiségben tartalmaz a levegőből kivont, megkötött szén-dioxidot. Ha ezeket az anyagokat elégetés helyett – ami köztudottan C0₂ -kibocsátással jár – beépítik, jelentős mértékben növelhető a beépített C0₂ mennyisége, azaz ugyanekkora mennyiség kivonható a légkörből, vagyis csökkenthető a levegőben lévő üvegházhatású gáz koncentrációja.

Mindezen túl azt is figyelembe kell vennünk, hogy a természetes hőszigetelő anyagok előállításához sokkal kevesebb fosszilis energiahordozó elégetésére van szükség, ezáltal gyártási költségeik – a mai tendenciákat figyelembe véve – nagyságrendekkel alacsonyabbakká válhatnak a mesterséges anyagokéval szemben.

A vázolt folyamat azonban nem csupán a szigetelőanyagok világára, hanem az egész építészetre is hatással volt. A környezettudatosság és az energiahatékonyság fő tervezési szempontként való megjelenése egy új építészeti irányzat, a bioépítészet felé mozdult el.

A bioépítészet fogalma azonban túlmutat a természetes szigetelőanyagok, de még a természetes építőanyagok használatán is. Egyszerre törekszik ugyanis a környezet- és energiatudatosság gondolatát mind az építészeti tervezésbe (elhelyezés, kialakítás, anyagválasztás), mind az épületek üzemeltetésébe bevonni. A bioépítészet tehát egyszerre jelenti a természetes építőanyagok alkalmazását, az épületek környezet tudatos kialakítását (környezetbe illeszkedés, minél több zöldfelület kialakítása) és azok energiatudatos üzemeltetését, vagyis a fosszilis energiahordozók helyett a megújuló energiaforrások hasznosítását.

A földépítészet

A bioépítészet egyik jellegzetes megjelenési formája az a földépítészetnek nevezett irányzat, amely egyszerre képes megoldani az esztétikus és környezettudatos tájba illeszkedést, a gazdaságos energiafelhasználást és az egészséges élettér biztosítását használói számára.

A korábbi fejezetekben láthattuk, hogy az épületek földfelszín alatti kialakítása vagy földdel való borítása nem új keletű, hiszen már évezredekkel ezelőtt is léteztek földbe süllyesztett vagy földbe ágyazott lakó épületek. Ezeknek a történelem során három jellegzetes típusa alakult ki, a barlangház, a dombház és az átriumház.

5.6. ábra. Peter Vetseh földházai

A bioépítészet egyik jellegzetes megjelenési formája az a földépítészetnek nevezett irányzat, amely egyszerre képes megoldani az esztétikus és környezettudatos tájba illeszkedést, a gazdaságos energiafelhasználást és az egészséges élettér biztosítását használói számára.

A korábbi fejezetekben láthattuk, hogy az épületek földfelszín alatti kialakítása vagy földdel való borítása nem új keletű, hiszen már évezredekkel ezelőtt is léteztek földbe süllyesztett vagy földbe ágyazott lakó épületek. Ezeknek a történelem során három jellegzetes típusa alakult ki, a barlangház, a dombház és az átriumház.

Ezek az épületek számos vidék népi építészetében jelen voltak és vannak mind a mai napig, azonban az évszázadok folyamán lassacskán a szegényebb néptömegek hajlékává váltak, és a 20. század elejétől kezdve – többek között a bennük uralkodó egészségtelen életkörülmények miatt — hatóságilag is igyekeztek felszámolni őket.

A 20. század második felében azonban az építészetben megjelenő környezettudatos gondolkodásmódnak köszönhetően újból előtérbe kerültek a földbe süllyesztett épületek előnyös tulajdonságai, s ezt kihasználva a fejlett országokban megvetette a lábát és napjainkra egyre szélesebb körben terjed a modern értelemben vett földépítészet.

5.7. ábra. Hegedűs Zsolt dombháza

5.2. táblázat. A hőszigetelő anyagok fejlődésének korszakai

[table id=377 /]

„Az épület lábakon álljon, hogy ne vegyen el helyet a természetből, és alattuk növényzet lehessen. A tetők legyenek laposak, rajtuk növényzetet kell telepíteni”.

Ugyancsak a földépítészet előfutárának tekinthetjük az amerikai Frank Lloyd Wrightot, s egyik leghíresebb munkáját, az 1934-1937 között Edgar Kaufmann számára Bear Run-ban (Pennsylvania, USA) épült Vízesésházat. Az építésznek az volt a célja, hogy az épületet és a terepet, valamint az embert és a természetet a lehető legközelebb hozza egymáshoz, ami a terepviszonyok mesteri kihasználásával és az épületen átvezetett patak segítségével szépen meg is valósult.

Azonban az építészet ezen két kimagasló alakjának munkái csupán előhírnökei voltak annak a mozgalomnak, amit mai értelemben vett földépítészetnek nevezünk. Az alapgondolat az Egyesült Államokban született az 1960-as években. Az első ilyen lakóépületet a földépítészet atyjának is tartott amerikai építész, Malcolm Wells tervezte 1964-ben Cherry Hillben.

5.5. ábra. Malcolm Wells földháza Cherry Hillben

Próbálkozásának kezdetben nem tulajdonítottak különösebb figyelmet, ám amikor az 1973-as olajválság során az emberiségben kezdett tudatosulni, hogy a fosszilis energiahordozók mennyisége fogytán van, és a túlzott energiafogyasztás olyan mértékű üvegházhatású gáz kibocsátásához vezet, amelynek globális felmelegedés és klímaváltozás a következménye, számos követőre talált.

Azóta több, magát „földépítésznek” kikiáltó tervező kezdte meg tevékenységét. Ismertebb képviselői közé tartozik a brit Arthur Quarmby, aki 1975-ben Huddersfieldben, a Peak District National Park közvetlen szomszédságában építette fel Nagy-Britannia első földházát, az amerikai Mickey Muenning, az argentin Emilio Ambasz, a szerb Veljko Milkovic, valamint a svájci Péter Vetsch, aki 1978 óta 47 földházat tervezett. Utóbbi alkotó sajátos építészeti formavilágára jellemző a spanyol Antoni Gaudi és a németországi Jugendstil stíluselemeinek ötvözése.

Magyarországon legismertebb követői Hegedűs Zsolt, Kassai Zsolt és Kovács Imre.

Épülethigiénia, természetes szellőzés, páratechnika

A 19. század elején számos orvos emelte fel a hangját a városokban uralkodó kellemetlen lakókörülmények (pl. rossz minőségű ivóvíz, hiányzó szellőzés) ellen, melyek a járványok (pl. kolera, tífusz) terjedésének fő okai voltak. Szintén orvosok figyeltek fel arra is, hogy épülethigiéniai szempontból sarkalatos pont a helyiség levegőjének minősége és a megfelelő légcsere. Tudták, hogy egy zárt helyiségben – főleg, ahol nagy embertömeg tartózkodik (pl. gyűléstermekben) – a belélegzett levegő romlik, ha nem cserélik.

Az épületek és belső terek higiéniai követelményeivel elsőként Max Johann von Pettenkofer foglalkozott. Felfedezte, hogy a kilélegzett levegő szén-dioxid-tartalma az elhasznált levegő legfontosabb összetevője. Kifejlesztett egy módszert a levegő szén-dioxid-tartalmának mérésére, s ezt a légszennyezés mutatójaként használta. Épületfizikai szempontból Pettenkofer kísérleteinek legfontosabb eredménye az volt, hogy az épülettervezésben a helyes szellőztetést figyelembe vették, különösen középületek (iskolák, színházak) tervezésekor.

Pettenkofer ezenkívül megismerte Henry Philibert GaspardDarcy francia mérnök kutatásait is, aki az 1850-es években fontos vizsgálatokat végzett a különféle építőanyagok vízáteresztő képességével kapcsolatban. Fourier hővezetési törvényének analógiájára Darcy 1856-ban alkotta meg a róla elnevezett törvényt, amely a víz különféle anyagokon való átszivárgási sebességét írja le. Darcy munkásságának ismeretében állította fel Pettenkofer a „lélegző fal teóriáját”, mely szerint a légcsere nemcsak a nyílászárókon, hanem az épülethatároló szerkezetek pórusain keresztül is létrejöhet, s az épületszerkezeteken keresztül nemcsak a levegő, hanem a pára is áthatolhat.

4.5. ábra. Max Johann von Pettenkofer

A műszaki felsőoktatásba a higiénia, mint oktatott anyag Pettenkofer munkássága alapján került be. Elsőként 1873-ban a Drezdai Műszaki Főiskolán Wilhelm August Roth tartott higiéniával kapcsolatos kurzusokat.

Fűtés- és légtechnikai berendezések fejlődése

Az épületfizika fejlődésben a következő fontos lépést ismételten nem építészek, de még csak nem is az építőipar, hanem a fűtésipar és a légtechnikai berendezések fejlődése hozta. Az első fontos felfedezések Németországban történtek, mivel a fűtéstechnikai ipar itt indult rendkívüli fejlődésnek az 1880-as években.

Még 1872-ben Berlinben alapította meg Hermann Immanuel Rietschel a barátjával, Rudolf Henne-berggel a Rietschel & Henneberg Fabrik für Zentralheizungen nevezetű fűtés- és légtechnikai berendezéseket gyártó vállalkozását. Üzleti tevékenysége mellett Rietschel komoly tudományos kutatásokat is végzett a fűtéstechnika és légtechnika terén, amelyek a fűtési és légtechnikai rendszerek optimalizálására, a baleseti kockázatok csökkentésére és a tűz-védelem javítására irányultak.

1883-tól a Berlini Királyi Műszaki Főiskolán fűtés- és légtechnikát tanított. 1887-ben létrehozott egy vizsgáló- és kutatólaboratóriumot, ahol hőtermelő és fűtőberendezések hőveszteségét és a levegő áramlását vizsgálták. 1893-ban jelent meg legfontosabb munkája Leitfaden zum Berechnen und Entwerfen von Lüftungsund Heizungsanlagen címmel. Az 1880-as években a Koppenhágai Műszaki Főiskolán Ludvig August Colding is elsősorban fűtés- és légtechnikai berendezések vizsgálatával foglalkozott.

1876-tól Wilhelm Hermann Fischer, a Hannoveri Műszaki Főiskolán fűtés- és légtechnikai témájú előadásokat tartott. Handbuch der Architektur című műve 1908-ban jelent meg, amelyben alapvető hő- és légtechnikai ismereteket vetett papírra. Műve azért is kiemelkedően fontos, mert a témát kifejezetten építészeti szemszögből tárgyalja.

4.6. ábra. Hermann Immanuel Rietschel

Németországhoz hasonlóan az Egyesült Államokban is számos fűtés- és légtechnikával foglalkozó szakember olyan módszerek kidolgozásán fáradozott, amelyek segítségével számítható az épületek hővesztesége, és a szükséges fűtési, vagy hűtési energiaigénye. Több eljárás már ismert volt (pl. hőátbocsátási tényező számítása) akkoriban a fizikusok számára, az építőipari gyakorlatban azonban még nem használták.

Az első kutatólaboratóriumok

A hőerőművek tervezésével foglalkozó mérnökök is fontos lépést tettek az épületfizika fejlődésében. A 19. század végén kialakult válságos időszakban az ingadozó energiaárak arra kényszerítettek a mérnököket, hogy csökkentsék a gőzgépek, kazánok, kémények és nem utolsósorban az őket körülvevő épületszerkezetek hőveszteségét. A szigetelőanyagok felhasználói és gyártói egyaránt pontos és körültekintő vizsgálatok és kutatások beindítását szorgalmazták a hőszigetelő anyagok körében.

1918-ban Carl Wilhelm Hermann Oskar Knoblauch vezetésével jött létre az első hőszigeteléssel foglalkozó Forschungsheim für Wärmeschutz, későbbi nevén Forschungsinstitut für Wärmeschutz kutatóintézet Münchenben, amely az eddigi -gyakorlati élettel való kapcsolatot nélkülöző – laboratóriumok helyett az építkezés és gyáripar hőszigetelési problémáival foglalkozott.

A Rietschel-féle berlini és a Knoblauch-féle müncheni kutatóintézet között élénk vita alakult ki, ugyanis jelentős különbségeket figyeltek meg az elméleti eredmények és a kísérletekben meghatározott értékek között. Csak abban értettek egyet, hogy az építőanyagok nedvességtartalma negatív hatású a hőszigetelő képességre, mert megnöveli a hővezetést.

Ausztriában Karl Hofbauer, Angliában M. W. Fishenden, A. F. Dufton és M. V. Griffith gazdagították a hőszigetelés tudományát kutatómunkájukkal. A svéd mérnökakadémia az 1920-as években szintén nagy összegeket áldozott Eriksson és Kreuger kísérleteire, akik a gyakorlati életnek megfelelő próbatesteken állapították meg a régebbi és újabb épületszerkezetek hőátbocsátási tényezőit.

A német Arthur Korff-Petersen a berlini egyetem megbízásából 7 teljesen azonos méretű és elrendezésű, de különböző szerkezetű új, olcsó anyagból készült lakóházat figyelt meg két télen és egy nyáron át a lakók közreműködésével, és figyelmét nemcsak a hőszigetelésre fordította, hanem az épület hőtároló képességének vizsgálatára (épületszerkezetek hőtehetetlensége és hőcsillapítása) is kiterjesztette.

Fontos épületfizikai méréseket és kísérleteket végzett a norvég Andreas Fredrik Bugge és LeifJ. Hanssen. Több azonos formájú kísérleti házat építettek, amelyeket azonos klimatikus viszonyok között vizsgáltak. Céljuk az volt, hogy megismerjék az Európában általánosan alkalmazott építési módszerekkel készült házak hőtechnikai tulajdonságait. Összesen 53 különböző rétegfelépítésű falszerkezetet vizsgált meg, s mindegyiknek meghatározta a hőátbocsátási tényező értékét.

Az első publikációk és gyakorlati próbálkozások

1918 körül az épületfizikai tudás nagy része akadémiai körökben volt ismert, és csak nehezen jutott el az építészeti gyakorlatba. A korai irodalom az építészek számára kevéssé volt vonzó, mert ezek a könyvek és beszámolók az energiaipar számára készültek. Gyakran speciális témát dolgoztak fel, és túlságosan tudományosak voltak. A matematikai összefüggéseket taglaló irodalom nem vonzotta az építészolvasókat, s csupán néhány közérthetőbb, a teljesség igénye nélkül készült kézikönyv született. Egyik legismertebb Günther Wasmuth 1929-1932 közt megjelent Lexikon der Baukunst A bis Z címet viselő, 4 kötetes műve.

Nem volt egységes vélekedés a réteges szerkezet hőátbocsátási tényezőjének számításával, valamint hőszigetelés helyének megválasztásával kapcsolatban sem. A korai építészeti irodalomban, mint például Heinz Rasch és Bodo Rasch testvérpár 1929-ben megjelent Wie bauen? c. könyve a hőátbocsátási tényező értékét egyszerűen a különböző szerkezeti rétegek hőátbocsátási tényezőjének összeadásával határozta meg. A számításokhoz a szigetelőanyag-gyártók reklámkiadványaikból vett, meglehetősen optimista színezetű hővezetési tényező értékeket vették figyelembe.

Később megjelentek olyan publikációk, amelyek indokokat neveztek meg arra, hogy miért érdemes a hőszigetelést a fal külső vagy belső oldalára, esetleg a falban elhelyezni, azonban teóriájukat sem tényekkel, sem számításokkal nem támasztották alá. Richárd Schachner például azt javasolta, hogy a hőszigetelés a fal belső oldalán helyezkedjen el, hogy a fűtés megkezdése után gyorsan emelkedhessen a belső hőmérséklet.

Ugyanerre a következtetésre jutott Eduárd Jobst Siedler Die Lehre vom neuen Bauen – Ein Handbuch der Baustoffe und Bauwesen (Tanulmányok az új építészetről – Építőanyagok és építésmódok kézikönyve) c. 1932-ben megjelent könyvében, ahol számításokkal is igyekezett bizonyítani, hogy belső szigetelésű téglafal esetén kevesebb a fűtési energia-veszteség.

Fontos épületfizikai problémákkal foglalkozó publikáció a Hans Spiegel Der Stahlhausbau (Acélszerkezetű házak építése) című 2 kötetes, 1929-1930 között megjelent kézikönyve, amelyben Walter Adolf Gropius által 1927-ben a Weifien-hofsiedlung telephelyre tervezett fémvázas épületének falszerkezetét is kritikával illette. Az épület 157 mm vastag falai kívülről befelé haladva a következő rétegekből álltak: eternitlemez (préselt azbeszt), légréteg, parafalemez, légréteg, celotex-lemez (préselt cukornádból készült szigetelőanyag).

Spiegel szerint ugyan elméletileg a falszerkezet hőszigetelő képessége megegyezik egy 160 cm vastag, kisméretű téglafal hőszigetelési értékével, azonban számos olyan hibát vélt felfedezni, amelyek ezt az értéket erősen lerontják. Egyik negatív hatásként említi, hogy a parafa szigetelés csak az oszlopközökben található, s az acéloszlopok nincsenek ellátva külön szigeteléssel. Ezáltal az acéloszlopok közelében erős a hőhídhatás, ami jelentősen rontja a szerkezet hőszigetelő képességét. Emellett felhívja a figyelmet a légréteg és a hőszigetelő réteg között fellépő kondenzációs zóna veszélyeire, valamint a belső oldali szigetelőlemezek rögzítési pontatlanságai miatti rossz akusztikai hatására.

A modern építészek törekvései az épületfizika terén

A kutatólaboratóriumok működése és az egyre több épületfizikai témájú publikáció azonban nem terjedt az építészek körében, hiszen sem tanulmányaik, sem a gyakorlati munkásságuk során nem sűrűn találkoztak velük. A Stuttgarti Egyetem volt az első intézmény, ahol Theodor Fischer kezdeményezésére az épületfizika az egyetemi képzés része lett, ily módon az ifjú egyetemisták közvetlen kapcsolatba kerültek az építőanyagokkal és – gyakorlati szinten – az általános fizikával.

Német egyetemek építészeti fakultásain egyre növekvő számban vonták be az építőanyagokkal kapcsolatos gyakorlati ismereteket az oktatásba, s alapítottak épületfizikára specializálódott intézeteket. Az új tudományágat fokozatosan beépítették a leendő építészek tantervébe. A Berlin, Drezda, München, Hannover és Stuttgart városban működő egyetemek ekkor már hosszú tudományos kutatási múltra építhettek, amelyek laborkísérletekkel alátámasztott eredményeit dokumentálták.

A modern lengyel építész, Szymon Syrkus nemzetközi téren is jelentős lépéseket tett az épületfizika fejlődése érdekében, mikor 1933-ban a CIAM IV. kongresszusán az épülethatároló szerkezetről szóló írása megjelent. Ebben azt hangsúlyozta, hogy csak akkor fejlődhet tovább a modern építészet, ha az épületfizika az építészeti tervezés fontos részévé válik.

Másik jelentős építész a holland Johannes Bernardus van Loghem volt, akinek 1936-ban megjelent Acoustisch en thermisch bouwen voor de Praktijk (Akusztika és hőszigetelés az építési gyakorlatban) című könyve, amelyben épületakusztikai és hőszigetelési kérdésekkel foglalkozott (előregyártott könnyűbeton elemek hőszigetelő képessége). Figyelemre méltó épületfizikai szempontból a holland építész Koenraad Limperg 1936-ban megjelent, Naarwarmer woningen (Melegebb lakások) c. munkája, amelyben Belgiumban épült modern épületeket elemzett épületfizikai szempontból.

A páralecsapódás és a páradiffúzió kérdései

A páratechnológia elméleti hátterének megismerését elsőként az Egyesült Államokban kezdték feszegetni az 1930-as években. Ebben az időszakban terjedt el az Egyesült Államokban a könnyűszerkezetes, favázas építésmód főleg a családi házak esetében. Az épületek burkolata is általában fából készült. A teljes külső felületet rendszerint festéssel látták el. Ekkor még ritkaságnak számított az ilyen jellegű épületek hőszigetelése, de ha az meg is történt, általában valamilyen természetes anyagból készült. Ugyanebben az időben azonban a favázas épületek széles körében észlelni kezdték a faszerkezetet burkoló festékréteg leválását, és több kutató elkezdte vizsgálni a problémát.

Elsőként 1933-ban F. L. Browne kezdett el mélyrehatóbban foglalkozni a jelenséggel. Megállapította, hogy a festékréteg leválásának egyik legfőbb okozója a lakóépület belső terében keletkező pára. A hideg téli hónapokban ugyanis a belső térből páradiffúzió indul meg a külső tér felé az épületszerkezeteken keresztül, s mikor a párával telített levegő érintkezésbe lép egy hidegebb felülettel, a pára kicsapódik.

Larry V. Teesdale 1937-ben azt állapította meg, hogy az épület hézagaiban felhalmozódó nedvesség legfőbb okozója a hőszigetelés. Szerinte megfelelő szellőztetés biztosításával (tetőablakok, zsalus szellőzők) ez a probléma elkerülhető. Javasolta továbbá a padlástér megfelelő szellőztetése mellett a hőszigetelés belső oldalára párazáró réteg beépítését.

Tyler Stewart Rogers 1938-ban megjelent, Preventing Condensation in Insulated Structures (A páralecsapódás megelőzése hőszigetelt szerkezetekben) című cikke már számos olyan elméletet, fogalmat, összefüggést és diagramot is közölt, amelyek mind a mai napig használatosak. Cikkében leírta, hogy a hőszigetelés beépítése miatt az épülethatároló szerkezet hidegebb lesz, miáltal bennük magasabb lesz a relatív páratartalom értéke. Ennek következtében kondenzációs zóna alakul ki a határoló szerkezetben, ahol a pára kicsapódik. Kimutatta, hogy a hőszigetelés belső oldalára elhelyezett párazáró réteg beépítésével megelőzhetők a szerkezetben lecsapódó pára okozta problémák, s javasolta a hőszigetelő réteg és a külső burkolati réteg közé egy átszellőztetett légréteg kialakítását.

Frank B. Rowley, aki korábbi kísérleteiben számos építőanyag hővezetési ellenállását megmérte, 1938-ban A theory covering the transfer ofvapor through matériák (A páraáramlás elmélete építőanyagokban) című cikkében arra a következtetésre jutott, hogy a páradiffúzió folyamata hasonló a hőtranszport folyamatához. A hővezetési ellenállás analógiájára feltételezhető, hogy az építőanyagoknak páradiffúziós ellenállása is van, s az épületszerkezetek páradiffúziós ellenállását is hasonlóképpen lehet számítani, mint az épületszerkezetek hővezetési ellenállását. Szorgalmazta olyan kísérletek elvégzését, amelyek az anyagok páradiffúziós ellenállásának meghatározására irányulnak.

1947-ben Ralph R. Brittont egy olyan kísérletsorozatba kezdett, amely hőszigetelt fal- és tetőszerkezetben végbemenő kondenzációt vizsgálták. Rámutatott arra, hogy a kiszellőztetett légréteg nem minden esetben bizonyul hatásosnak, sőt, a túlzott átszellőztetés az épület hőveszteségét is megnöveli. A későbbi évtizedek kutatásai más klimatikus körülményeket és hatásokat is figyelembe vettek (külső nedves levegő, csapadékvíz beszivárgása), s a szabványt kiegészítették azzal, hogy a meleg éghajlati viszonyok között a hőszigetelés külső oldalára javasolt a párafékező réteg.

Az amerikai kutatókkal párhuzamosan Németországban is jelentős páratechnológiai kutatások folytak. 1927-ben jelent meg az első páratechnológiával foglalkozó könyv, Moritz Hirsch Die Trockentechnik (Páratechnika) című műve volt.

Az elméleti írásoknak azonban továbbra sem volt érzékelhető hatása, és ismét a gyakorlati tapasztalatok segítettek a tudomány fejlődésében. Az 1920-30-as években kezdett páratechnológiai problémákkal foglalkozni a német építész, Werner Heinrich Wilhelm Ernst Cords-Parchim, aki elsősorban mezőgazdasági épületek tervezésével, azok egészséges hőszigetelésével és szellőztetésével foglalkozott. 1952-ben írta meg legfontosabb művét Technische Bauhygenie (Műszaki építéshigiénia) címmel. Ugyanebben az évben jelentette meg Johannes S. Cammerer a Die Berechnung der Wasserdampfdiffusion in der Wanden (Falszerkezeteken keresztül zajló páradiffúzió számítása) című cikkét.

A páratechnika területén rendkívül fontos Ottó Krischer munkája, aki az 1950-es években komoly elméleti kutatásokat végzett az építőanyagok páraáteresztő képességével kapcsolatban. Részletesen kidolgozta a páradiffúzió elméletét, és matematikai formába öntötte azt. Legfontosabb összefoglaló munkája Die wissenschaftlichen Grundingen der Trocknungstechnik (A páratechnika tudományos alapjai) címmel 1963-ban jelent meg.

Krischer kutatásait alapul véve Helmut Glaser, az 1950-es években kifejlesztett egy módszert, amellyel számítani tudta a falszerkezetekben létrejövő páradiffúziós jelenségeket, s amelyeket grafikusan is ábrázolt. Eredményeit 1959-ben a Graphisches Verfahren zur Untersuchung von Diffusionsvorgángen (Grafikus eljárások a páradiffúzió vizsgálatára) címet viselő cikkében publikálta. A tiszteletére elnevezett Glaser-diagramokat páratechnikai számításoknál a mai napig használjuk. Az 1960-as években jelentek meg az első számítási módszerek a hőtranszport és a páradiffúzió együttes számításával kapcsolatban.

Az épületfizika továbbfejlődése az 1950-es évek után

Mint az előzőekben láthattuk, az 1950-es évekre gyakorlatilag a ma is használatos hőszigetelő anyagok és épületfizikai számítási módszerek ismeretté váltak tudományos körökben és egyre inkább a tervező építészek számára is. Éppen ezért számos nyugat-európai országban megjelentek az első épületfizikai méretezési szabványok, elsőként 1952-ben Németországban. Az első kezdetleges előírások azonban csupán az egyes épületszerkezetek hőátbocsátási tényezőjére vonatkozó, meglehetősen engedékeny értékeket adtak meg.

Az 1970-es években – az első energiaválság kibontakozásával – azonban új tervezési irányzatok léptek elő, ezzel új korszak kezdődött az épületfizika és a hőszigetelő anyagok történetében. A fosszilis energiahordozók kiapadásának veszélye, a dráguló energiaárak, valamint az egyre súlyosabb léptékű környezetszennyezés indokolttá tette az épületek energiafogyasztásának csökkentését. Szükségessé vált a méretezési szabványok és az épületfizikai követelmények szigorítása, amelyek lassacskán ugyan, de fokozatosan beépültek először a szabványokba, később egyes államok jogrendszerébe is.

A különféle gazdasági szektorok (ipar, közlekedés, háztartások) energiafogyasztása és üvegházhatású gáz kibocsátása azonban az előírások szigorítása és az energiatudatos tervezési módszerek térhódítása ellenére nemhogy csökkent, hanem egyre nagyobb ütemben növekedett a következő évtizedekben. Indokolttá vált tehát az épületek energiafogyasztásának drasztikusabb csökkentése, így született meg 1988-ban a passzívház gondolata a Lundi Egyetem (Svédország) professzora Bo L. Adamson és Wolfgang Feist, a Passivhaus Institut alapítója jóvoltából. Az első ilyen épület a Helmut Boti, KarlRidder és Hans-Jürgen Westermeyer építészek tervei alapján a németországi Darmstadt melletti Kranichsteinben épült 1991-ben.

Az 1990-es évek elejére azonban az üvegházhatás oly mértékben felerősödött, hogy a világ számos pontján klímaváltozási folyamatok indultak be. Indokolttá vált tehát az épületek energiafogyasztásának nagymértékű csökkentése, és a passzívházak népszerűsítése mellett az épületfizikai tervezésének átgondolása is.

Felismerték, hogy a különféle épülethatároló szerkezetek hőtechnikai tulajdonságait előíró szabványok szigorítása már nem elegendő, szükség volt a számítási módszerek kiegészítésére. Az 1990-es évek végére született meg az a tervezési koncepció, ami amellett, hogy az előzőeknél sokkal szigorúbb épületfizikai követelményértékeket írt elő, komplett épületenergetikai számítások elvégzését jogszabályokkal is kötelezővé tette.

Ez a forradalmi változás azt eredményezte, hogy a 2000-es évekre az épületfizika már nem csupán a különféle épületszerkezetek hőtani, páratechnikai tulajdonságait vizsgálja, hanem az épület, mint rendszer teljes energiafogyasztását igyekszik megbecsülni. Nem csoda, ha napjainkban, a 21. század első évtizedének végén járva már az épületfizika tudománya helyett inkább épületenergetikáról beszélhetünk.

A hőmérő

A hőtan alaptörvényeinek megismeréséhez vezető út első fontos állomását a hőmérő feltalálása jelentette, hiszen csak megbízható és pontos mérések tehették lehetővé, hogy megismerhetővé váljon minden, amit ma a hőtan tudománya alatt értünk.

Már az ókori világ természettudósai is felfedezték a hőmérséklet mérésének alapelvét. Büzantioni Philón és Alexandriai Hérón is tanulmányozta a jelenséget, miszerint bizonyos anyagok (gázok, folyadékok) melegítés hatására kitágulnak.

A középkorban több orvosi és természettudományi mű is felvetette a hideg és a meleg mérésének szükségességét. Tudták azt is, hogy a hővel kapcsolatban két alapvető fogalmat kell megkülönböztetni. Erezték, hogy a lángnak nagyobb hőintenzitása van, mint egy meleg vasdarabnak, ugyanakkor a vasdarabban nagyobb a hő kvantitása, mint a lángban. Ez tulajdonképpen a ma már ismert hőmérséklet és hőmennyiség fogalma, amelyeket a középkori feljegyzések – a szükséges mérőműszerek, a hőmérő hiányában – csak meglehetősen homályosan tudtak megfogalmazni.

Galileo Galilei

Az európai tudósok közül először Galileo Galilei foglalkozott a hőmérő gondolatával, és 1597-ben sikerült is egy, a meleg levegő tágulását jelző készüléket konstruálnia, amit termoszkópnak nevezett. A műszer azonban csak a hőmérséklet változását tudta jelezni, nagyságát nem tudta mérni.

Galilei munkája alapján a 17. század elején különféle skálával ellátott hőmérséklet-változást mérő eszköz készült Giovanni Francesco Sagredo San-torio Santorio, Giuseppe Biancani, Jean Leurechon, Cornelius Drebbel és Róbert Fludd munkássága során, azonban mindegyik hőmérőnek ugyanaz volt a hibája, nevezetesen, hogy a hőmérsékletértéket jelző mutató állása erősen függött a légnyomástól.

Ferdinando II de’Medici

Jelentős változást 1654-ben Ferdinando II de’Medici toszkán herceg találmánya hozott, aki elkészítette az első leforrasztott végű alkoholos hőmérőt. Ez lehetővé tette a pontosabb méréseket azáltal, hogy kiküszöbölte a légnyomásváltozások hatásait.

A következő lépést az egységes hőmérsékleti skála létrehozása jelentette, amit elsőként Róbert Boyle javasolt 1662-ben. Az egységes hőmérsékleti skálához pedig mérési alappontra volt szükség. Elsőként 1664-ben Róbert Hooke állt elő azzal az ötlettel, hogy a mérések fix pontjaként a víz fagyáspontját tekintsék.

A tudományos világ el is fogadta Hooke javaslatát kiindulópontnak, de ahhoz, hogy egységes hőmérsékleti skála létrejöhessen, egységes hőmérsékleti fokbeosztás is kellett. Még 1665-ben Christiaan Huygens vetette fel a mérésekhez egy második fix pont – a víz forráspontjának – bevezetését. 1694-ben Carlo Renaldini, 1695-ben Guillau-me Amontons is hasonló ötlettel jelentkeztek, azonban a tudományos világ nem fogadta el ezeket, mert nem lehetett bizonyítani, hogy a víz fagyás- és forráspontja állandó érték-e. Még 1701-ben lsaac Newton is olyan hőmérsékleti skálát készített, melynél a víz fagyáspontját és az emberi testhőmérsékletet vette fix pontnak.

Dániel Gábriel – Fahrenheit

Fontos változást Dániel Gábriel Fahrenheit munkája hozta, aki 1724-ben állította elő az első olyan, megbízható skálájú higanyos hőmérőt, amelyhez három fix pontot határozott meg. A tengervíz fagyáspontját vette 0 foknak, a desztillált vízét 32 foknak. A skála harmadik fix pontja pedig az egészséges ember testhőmérséklete volt, amit 96 fokban állapított meg.

Fahrenheit hőmérője volt az első olyan szabványos műszer, amely tudományos mérésekre is alkalmas volt. Mivel megbízható és pontos mérésekre volt lehetőség, egyből bizonyítást is nyert, hogy minden folyadéknak (nem csak a víznek) van meghatározott forráspontja. Ebből kiindulva 1742-ben Anders Celsius elkészített egy olyan hőmérőt, amelynek skálája két fix pontot tartalmazott. 0 foknak a víz fagyáspontját, 100 foknak pedig a víz forráspontját tekintette.

A hő anyag vagy mozgás?

Az ősi időkben a hő fogalmát mindig a tűzhöz, a lánghoz kapcsolták. Az ókorban a hőt és a tüzet az univerzumot felépítő egyik őselemnek tekintették, és anyagi tulajdonságokkal ruházták fel. Az ókori szemlélettel ellentétben a középkori természettudósok a hő fogalmát már nem minden esetben kötötték a tűzhöz. Feszegették a hőmérséklet és a hőmennyiség közti különbséget és a hőt gyakran hozták kapcsolatba a mozgással.

A hőnek anyagi természetet elképzelő teóriák a 17. század végéig háttérbe szorultak. 1618-ban Isaac Beeckman már arról írt, hogy a hő nem más, mint az atomok mozgása. 1620-ban Francis Bacon is arra a következtetésre jutott, hogy a hő a mozgás egy fajtája. Azonban mégsem vezetett egyenes út a mozgási energia és a hőenergia közötti kapcsolat felfedezéséhez, ugyanis a 17. század matematikai ismeretei akadályozták a kinetikus elmélet kialakulását. így kerültek előtérbe a hőnek anyagi természetet tulajdonító elméletek.

Flogisztonelméletet

1669-ben Joachim Johann Bêcher dolgozta ki a flogisztonelmélet alapjait, amelyet Georg Ernst Stahl 1731-ben továbbfejlesztett azon kijelentésével, miszerint minden éghető anyagban flogiszton található, ami az égést okozza. Égéskor az anyagból távozik a flogiszton, s minél több flogisztont tartalmaz, annál hevesebben ég.

A flogisztonelméletet 1783-ban Antoine-Laurent, de Lavoisier cáfolta meg, mikor bebizonyította, hogy az égéshez a levegő oxigénje is hozzájárul. Véleménye szerint a hő egy anyag (szubsztancia), amelynek mennyisége állandó a világegyetemben, s vándorol a melegebb testekből a hidegebbek felé.

A 18. század végén a caloricum elmélet (hőanyag-elmélet) lett az uralkodó, amelynek alapján számos jelenség megmagyarázhatóvá vált. Hermán Boerhaave kísérletei megalapozták a hőtágulás elméletét, Joseph Black kísérletei segítségével pedig bevezetésre került a fajhő fogalma. Black kimutatta, hogy a jég olvadásakor sokkal nagyobb hőmennyiséget vesz fel, mint amennyit rögtön utána hőmérő segítségével ki lehetne mutatni. Ilyenkor igen nagy hőmennyiség lép be az anyagba anélkül, hogy azt szembetűnően melegebbé tenné. Ezt a „latens” hőt azért kell szolgáltatni, hogy a szilárd testet folyékonnyá alakítsa (ezt ma olvadáshőnek nevezzük).

Caloricum elmélet

A caloricum elmélet a 18. században gyorsan terjedt, akadtak azonban olyan személyiségek, mint Jacob Hermann, Dániel Bernoulli és Mihail Vasziljevics Lomonoszov, akik megmaradtak a kinetikus elmélet mellett. A caloricum elmélet kezdeti sikerei következtében elméleteik háttérben maradtak, mígnem Benjámin Thompson, Rumford gróf a kísérletekbe nem kezdett, kihasználva a hőanyag-elmélet hiányosságait. Két dologra ugyanis nem tudott megnyugtató magyarázatot adni. A hőanyag súlyának meghatározása, valamint a hő súrlódás útján történő létrehozása okozta a legnagyobb problémát.

Rendkívüli gonddal végzett kísérletei egyértelműen bebizonyították, hogy a hőszubsztancia súlya – ha van egyáltalán – mérhetetlenül kicsi. Leszögezte továbbá, hogy egy meghatározott anyagdarabból, ha azt dörzsöléssel állandóan melegen tartjuk, idővel arányos mennyiségű hőt lehet elvezetni, vagyis annyi hőt tudunk belőle kivonni, amennyit akarunk. Ebből Rumford arra a végkövetkeztetésre jutott, hogy a hő nem lehet anyag, hiszen akkor nem lehetne korlátlan mennyiséget előállítani belőle. Így tehát a hő nem lehet más, mint mozgás, amely a mechanikai súrlódás következtében keletkezik, és ily módon addig vonhatunk ki hőt egy testből, míg ezt mechanikai munkával előállítjuk.

A kinetikus elmélet azonban továbbra sem tudott elterjedni, ugyanis a caloricum elmélet a folyadékáramlás analógiára számos jelenséget (pl. állapotegyenletek) könnyedén meg tudott magyarázni, a kinetikus elmélet viszont nem tudott velük megbirkózni.

A caloricumelmélet és a hővándorlás

A caloricumelmélet azonban nemcsak az állapotegyenletekkel kapcsolatban hozott eredményeket, hanem a hővándorlás folyamatának leírásához is kellő alapokat tudott nyújtani.

A hő mozgásával kapcsolatos első megfigyeléseket Edmund Halley végezte. Elsőként figyelte meg azt a jelenséget – az 1686-ban egy Szent Ilona-szigetén végzett meteorológiai kutatómunkája során -, hogy a felmelegített levegő felfelé száll.

Isaac Newton

1701-ben Isaac Newton jegyezte fel először a hőátadás folyamatát, és megállapította, hogy egy test lehűlésének mértéke a test és a környezete közti hőmérséklet-különbséggel arányos. Ma ezt a törvényt a tiszteletére Newton-féle lehűlési törvénynek nevezzük.

Hőáram elmélet fejlődése

A 18. század elején a Newton-féle megfogalmazás azonban nem volt kellőképpen pontos, hiszen a hőátadási tényező és a hőátadási ellenállás fogalmának definiálása kellett volna hozzá. A hőátadási tényező értékére vonatkozó becsléseket pedig csak a 20. század elején – az áramlástani ismeretek fejlődésekor – sikerült adni. A hőtranszport jelenségének kutatásában fontos szerephez jutott Carl Wilhelm Scheele, aki 1777-ben kimondta, hogy a hővándorlásnak három formáját különböztethetjük meg: a hősugárzást, a hőáramlást, a hővezetést.

Azonban ebben az időben még általánosan elterjedt volt az a vélemény, miszerint a különféle anyagok hővezető képessége megegyezik. Csak az elektromos jelenségek vizsgálata során derült ki, hogy az egyes anyagok különböző módon vezetik az elektromos áramot, egyes anyagok jó vezetők, mások jó szigetelők. Az elektromos vezetés, ill. szigetelés analógiájára 1785-ben a holland fiziológus és kémikus, Jan Ingen-Housz vetette fel először, hogy minden bizonnyal az anyagok különböző hővezetési tulajdonságokkal is rendelkeznek.

Ezt követően a 19. század elején számos kutató jelent meg, aki a hőtranszport különféle módozatait kutatta. A hőáramlással kapcsolatban John Leslie végzett megfigyeléseket, aki 1804-ben megállapította, hogy az áramló levegő az áramlás sebességével, arányos gyorsasággal hűl le. Ugyanebben az évben végezte a hősugárzással kapcsolatos Leslie-kockás kísérleteit.

Ugyanerre az időszakra tehető a két francia kémikus, Pierre-Louis Dulong és Alexis Thérése Petit munkássága is, akik 1817-ben a Newton-féle lehűlési törvény tanulmányozása közben kimutatták, hogy az csak kis hőmérséklet-különbségek esetén igaz.

Jean Baptiste Joseph Fourier

A hővezetés folyamatának magyarázatára azonban itt is a hőszubsztancia-elmélet hozta az átütő sikert. Jean Baptiste Joseph Fourier 1807-től kezdődően foglalkozott a hővezetés kérdésével. A hővezetés folyamatát elméletben úgy szemléltette, hogy vett egy adott hosszúságú homogén rudat, adott időpillanatban valamilyen hőmérséklet eloszlással. A rúd a környezetétől teljesen el volt szigetelve, tehát a hő csak a rúdban áramlott, a rúd és a környezete között nem.

Fourier a folyamatot helyesen a következő feltételezések segítségével modellezte: Ha a rúd két végét meghatározott hőmérsékletre hűtjük úgy, hogy mindkét végét hőközlő érintkezésbe hozzuk egy olyan tartállyal, amelynek hőkapacitása akkora, hogy a beleáramló hőmennyiség nem okoz benne hőmérséklet-emelkedést, akkor hőáramlás indul meg a rúdban a csökkenő hőmérséklet irányába. Ez az áramlás pedig arányos a hőmérséklet hosszegységre eső változásával.

Megfigyelése alapján az időegység alatt terjedő hő (hőáram) mennyisége egyenesen arányos a hőmérséklet-különbséggel, és fordítottan arányos a felületek távolságával. Ezenkívül függ a szilárd test anyagától is. Fourier legfontosabb felfedezéseit 1822-ben a Théo-rie analytique de la chaleur (A hő analitikus elmélete) című könyvében foglalta össze, amelyben elméletét matematikai formába öltöztette, és megalkotta a hővezetés differenciálegyenletét.

Fourier kutatásai alapján 1829-ben a francia fizikus Jean Claude Eugéne Péclet számos hibával terhelten ugyan, de kísérletileg meghatározta több építőanyag hővezetési tényezőjét, amelyeket egészen a 20. század elejéig a tudományos világ kritika nélkül el is fogadott.

4.1. ábra. Jean Baptiste Joseph Fourier

A kinetikus elmélet és a hőtan I. főtétele

Ahhoz, hogy a 19. század közepére a caloricum elmélettel szemben a hő kinetikus elmélete kerekedjen felül, először a munka és az energia fogalmának bevezetésére, majd ezeknek a hőenergiával való összekapcsolására volt szükség, hogy az energiamegmaradás tétele megszülessen. A kinetikus elmélet térnyeréséhez az alapot olyan gyakorlati szakemberek munkássága szolgáltatta, mint James Watt, John Smeaton, William Hyde Wollaston, Péter Ewart. írásaik az energiamegmaradás törvényének kezdetleges megfogalmazását tartalmazták ugyan, de ezeket tudományos körökben visszautasították.

1824-ben még a caloricumelmélet alapján alkotta meg Nicolasn Leonard Sadi Carnot a hőerőgépek működési elvét a vízerőgépek analógiájára. A hőerőgépben a mechanikai munkát a magasabb szintről az alacsonyabb szintre lezúduló hőmennyiség szolgáltatja. A magasabb szintet a nagyobb hőmérséklet jelenti, a lezúduló vízmennyiségnek pedig a hasonlóképpen átalakulást nem szenvedő hőszubsztancia felel meg.

Carnot felismerte az analógia egyik nagy problémáját, miszerint egy hőerőgép kis hőmérsékletű kimenetén kevesebb hő lép ki, mint amennyi a nagyobb hőmérsékletű bemeneten belép. Ugyan nem tudta, hogy itt a hő egy része mechanikai munkává alakul át, de halála előtti feljegyzéseiben felismerte a kinetikus elmélet lehetőségét, és az energiamegmaradás elve is kibontakozni látszott.

Lényeges előrehaladás az 1840-es években történt. John James Waterston, majd Július Róbert von Mayer hosszas elméleti fejtegetését tartalmazó cikkét 1841-ben a fizikai folyóiratok visszautasították. Azonban 1842-ben Mayer munkáját egy kémiai folyóirat mégis megjelentette, s ebben elméletben igazolta a hő mechanikai egyenértékét. 1843-ban James Prescott Joule ugyanezt az elméletet kísérletileg is igazolta, amelyről 1845-ben írt művében részletesen beszámolt.

Energiamegmaradás törvénye

Az energiamegmaradás törvényét a mai fizikai felfogáshoz legközelebb álló formában Hermann Ludwig Ferdinánd von Helmholz fogalmazta meg. 1847-ben írt Überdie ErhaltungderKraft (Az erő megmaradásáról) című cikkében ugyanis kijelentette, hogy az energia valamennyi formája egyenértékű.

Helmholz munkáját a fizikusok kezdetben támadták, állításait kétségbe vonták, így az energiamegmaradás tételének bejelentése teljes közönybe is fulladt volna, ha nem ismeri fel a felfedezés fontosságát William Thomson, Lord Kelvin, aki 1848-ban előirányozta a később róla elnevezett abszolút hőmérsékleti skála (Kelvin-skála) bevezetését.

4.2. ábra. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholz

A termodinamika II. főtétele

A termodinamika II. főtételének megfogalmazása Rudolf Július Emánuel Clausius nevéhez fűződik. Elfogadta a hő és a mechanikai munka ekvivalenciáját, azonban 1850-ben azt is felismerte, hogy a termodinamikai jelenségek magyarázatához egy újabb tételt is be kell vezetni, Tételét 1854-ben publikálta először, miszerint a természetben nincs olyan folyamat, amelyben a hő önként, külső munkavégzés nélkül a hidegebb testről a melegebb testre áramolna át, különben lehetséges lenne olyan perpetuum mobilét konstruálni, amely az energiamegmaradás tételének ugyan nem mondana ellent, de a hőt 100%-os hatásfokkal alakítaná át mechanikai munkává.

A fizikusok számára azonban a termodinamika tételének ilyesfajta – valaminek a létezését tagadó – megfogalmazása kissé idegennek hatott, azonban egy új fogalom bevezetésével a hőtan I. és II. főtételét is szabatosan meg lehetett fogalmazni, és matematikai alakot is ölthetett. Ez a fogalom pedig az entrópia volt. 1857-ben Clausius értelmezte a gáz belső energiájának fogalmát is, miszerint a hő – vagyis a belső energia – nem más, mint a testek molekuláinak vagy atomjainak mozgási energiája.

Megállapította, hogy a gáz nyomása a molekulák transzlációs mozgásához tartozó energiával van kapcsolatban, azonban azt is hozzátette, hogy a gáz belső energiájának több összetevője is lehet. Minél bonyolultabb a molekula, annál több az energia, amely a molekulát alkotó atomok egymáshoz képesti mozgásából – például rezgéséből – származik.

1860-ban James Clerk Maxwellnek sikerült olyan matematikai képletet előállítania, amellyel meghatározta a gázmolekulák mozgását adott hőmérsékleten, és kimutatta, hogy a sebesség statisztikus eloszlást követ. Ezt ma Maxwell-féle sebesség eloszlási függvénynek nevezünk. Megállapította azt is, hogy a gázrészecskék minden szabadsági fokára azonos energia jut és ez az energia kizárólag a hőmérséklettől függ.

A termodinamika III. főtétele

A hőtan főtételeinek matematikai formában való felírásához fontos lépés volt az entrópia fogalmának bevezetése. Ez először túlságosan elvontnak tűnt, azonban olyan mindennapi élet számára is felfogható jelenségeket lehetett vele megmagyarázni, hogy miért vesznek fel közös hőmérsékletet egy lezárt rendszerben különböző hőmérsékletű testek.

4.3. ábra. Rudolf Julius Emanuel Clausius

Először 1852-ben Kelvin állapította meg, hogy a természeti folyamatokban olyan tendencia nyilvánul meg, amelynek során a különböző energiafajták végül hőenergiává alakulnak át, kiegyenlítve minden hőmérséklet-különbséget. Ez Helmholz 1854-es munkájában „hőhalál” elméletként szintén megjelent.

Az entrópia fogalmát azonban szintén Clausius-nak köszönhetjük. 1865-ben írta le először, hogy az entrópia a termodinamikában az anyagi rendszerek molekuláris rendezetlenségének, termodinamikai valószínűségének mértékét jelenti. Az entrópia értékéből következtetni lehet a maguktól végbemenő folyamatok irányára, hiszen a természetben a valószínűbb állapotok következnek be. Termodinamikai vonatkozásban az a jelenség, hogy a hő a melegebb testről a hidegebb test felé áramlik, szintén leírható az entrópia fogalmának bevezetésével.

Clausius ugyanitt leírja, hogy a természetben végbemenő spontán folyamatoknál bizonyos munka kárba vész, hővé alakul, emiatt ezek a folyamatok visszafordíthatatlanok. A munka – vagy bármely energiafajta – hővé alakítható, de a hő csak részben alakítható át másfajta energiává.

A tétel mai megfogalmazásához nagyban hozzájárult Ludwig Eduárd Boltzmann munkássága, aki a termodinamika II. főtételét a valószínűségelmélet segítségével magyarázta meg. Igazolni tudta, hogy a termodinamikai rendszer azért közeledik az egyensúlyi állapot felé (tökéletesen egyenletes energiaeloszlás), mert az egyensúly az anyagi rendszer legvalószínűbb állapota.

A két tétel megfogalmazása pedig így hangzik:

1. Egy zárt rendszer energiája állandó. A rendszer belső energiájának megváltozása a vele közölt hőmennyiség és a rajta végzett munka összege.
2. Egy zárt rendszer entrópiája csak növekedhet.

A termodinamika fejlődésének csúcspontját Josiah Willard Gibbs érte el a térfogat, az entrópia és a belső energia kapcsolatát elemezve 1876-ban bevezette a termodinamikai potenciálok fogalmát, és megadta az egyensúly legáltalánosabb feltételeit.

Az utolsó lépést a termodinamika III. főtétele felé Walther Hermann Nernst tette meg, aki a Gibbs által bevezetett termodinamikai potenciálok, és a nagy hőmérsékleten lezajló gázreakciók törvényszerűségeinek kérdéseit feszegette. Nagy hatással voltak rá Max Kari Ernst Ludwig Planck az entrópia növekedéséről szóló vizsgálatai, valamint 1900-ban az energia kvantumos természetének feltételezése.

Tanulmányozta a testek fajhőjének változását kis hőmérsékleten, és 1906-ban publikálta legfontosabb hőtannal kapcsolatos elméletét, amely szerint minden termikus egyensúlyban az entrópia nullához tart, ha a hőmérséklet is az abszolút nullához (nulla Kelvin) tart:

4.4. ábra. Walter Herman Nernst

Nernst törvénye – ami később a termodinamikai III. főtétele nevet kapta – az abszolút tiszta kristályos anyagok esetében igaz. Nernst ezért azt is hozzátette, hogy az abszolút nulla hőmérséklet tetszőlegesen megközelíthető, de nem érhető el. Abszolút nullához közeli hőmérsékleten ugyanis az anyagok fajhője olyan kicsi, hogy kis hőmennyiség is jelentős hőmérséklet-változást idézhet elő, s a lehűtött test hőmérséklet-növekedése elkerülhetetlen.

Hősugárzás

Már a középkorban is foglalkoztak a hősugárzás jelenségével, amikor megfigyelték, hogy ha egy testet felhevítünk (pl. fémdarabot), hőt és fényt fog kibocsátani. A jelenség megértése évszázadokig váratott magára.

Korábban említésre került, hogy még 1777-ben Carl Wilhelm Schee írta le először és különböztette meg a hővándorlás három formáját: a hőáramlást, a hővezetést és a hősugárzást. Ez utóbbit ekkor még a Nappal, valamint a forró testekkel hozták összefüggésbe. 1791-ben Pierre Prévost mutatta ki először, hogy minden test sugároz hőt, hőmérsékletétől függetlenül. 1809-ben ő fedezte fel azt is, hogy a kisugárzott hőmennyiség csak a sugárzó test hőmérsékletétől függ, a környezet hőmérsékletétől nem.

John Leslie

A hősugárzás tanulmányozásával foglalkozott John Leslie is, aki híres kísérletét 1804-ben végezte. Rézlemezből egy kocka formájú edényt készített, amelyet forró vízzel töltött meg, négy oldalát pedig különféle felületkezeléssel látta el. Egyik oldalát fényesre csiszolta, másik oldalát feketére festette, a maradék két oldalát pedig egyáltalán nem kezelte. Kísérletével kimutatta, hogy a legjobban a feketére festett oldal sugározta a hőt, míg a sugárzás a fényesre csiszolt oldalon szinte elhanyagolható mértékű volt.

Macedónia Melloni 1831-ben végzett kísérletei alapján azt is megállapította, hogy – a fényhez hasonlóan – a hősugárzás is visszaverhető, megtörhető és polarizálható. A feketesugárzás problematikájával foglalkozott Gustav Róbert Kirchhoff, s a termodinamika II. főtételének felhasználásával 1859-ben sikerült egy nagyon egyszerű, de annál fontosabb összefüggést felismernie a testek hősugárzó (emissziós) és hőelnyelő (abszorpciós) képessége közt.

Lényege, hogy ha egy test adott hőmérsékleten és frekvencián időegység alatt E energiát bocsát ki sugárzás formájában, és ugyanez a test ugyanezen hőmérsékleten és frekvencián a ráeső energia 0 < a < 1 részét elnyeli, akkor a kisugárzott és elnyelt energia aránya független a test anyagi minőségétől, vagyis, ha egy test a többi testhez képest igen erősen sugároz, akkor az a test a többihez képest igen erősen abszorbeálja (elnyeli) is a sugárzást. Tételét Kirchhoff azzal bizonyította, hogy ha nem így lenne, akkor hőt lehetne átvinni egy hidegebb testről a melegebbre, ami ellentmondana a termodinamika II. főtételének.

1862-ben James Clerk Maxwell megállapította, hogy mind a fénysugárzás, mind a hősugárzás egyfajta elektromágneses sugárzás. John Tyndall munkássága alapján 1879-ben Jozef Stefan felismerte, hogy a fekete test által sugárzott energia a hőmérséklet negyedik hatványával arányos.

Elméleti úton – Jozef Stefantól függetlenül – ugyanerre az eredményre jutott a termodinamika terén is jeleskedő Ludwig Eduárd Boltzmann is 1884-ben, így ez ma Stefan-Boltzmann-törvényként ismert.

A fekete test sugárzása

A 19. század végén Wilhelm Kari Werner Wien megfigyelte, hogy a fekete test sugárzása meglehetősen széles hullámhossztartományban oszlik el, és létezik egy közbenső hullámhossz, amelynél a sugárzás intenzitása maximumot ér el. Mérései alapján 1893-ban megalkotta a törvényt, amely szerint ehhez a maximumértékhez tartozó A hullámhossz fordítottan arányos a test abszolút hőmérsékletével, vagyis a legnagyobb energiával kibocsátott fény hullámhossza és az abszolút hőmérséklet szorzata állandó.

1896-ban tisztán termodinamikai úton levezette a sugárzási törvényt is. Ugyanezt a törvényt John William Strutt, Lord Rayleigh és James Hopwoodjeans a Maxwell-féle klasszikus elektrodinamika elvei alapján is megkíséreltek levezetni, amit ma Rayleigh-Jeans-törvényként ismerjük.

Kísérleti fizikusok, mint Ottó Richárd Lummer, Ernst Pringsheim, Hein-rich Rubens és Ferdinánd Kurlbaum egyre pontosabb méréseket végeztek és egyre szélesebb frekvenciatartományokban mérték meg a sugárzás intenzitását.

A mérésekből hamar kiderült, hogy a Wien-törvénynek nemcsak az elméleti megalapozása volt ingatag, hanem az így levezethető hősugárzás intenzitásának értéke csak kis hullámhosszokon érvényes, nagy hullámhosszokon a Wien által meghatározott függvény a végtelenbe tart, vagyis „infravörös katasztrófát” szenved. Fény derült továbbá a Rayleigh-Jeans-törvény hiányosságára is, mert ez a törvény – a Wien-törvénnyel ellentétben – csak igen nagy hullámhosszuk esetén volt érvényes, és rövid hullámhosszuk esetén végtelenbe tart, vagyis „ultraibolya-katasztrófát” szenvedett.

Wien-törvény és a Rayleigh-Jeans-törvény

1900-ban Max Karl Ernst Ludwig Planck a Wien-törvény és a Rayleigh-Jeans-törvény egyesítésével megalkotta a Planck-féle sugárzási törvényt, mely rövid hullámhosszokra a Rayleigh-Jeans-törvényt, nagy hullámhosszokra a Wien-törvényt adja, a teljes frekvenciatartományban kisugárzott energia megfelel a Stefan-Boltzmann-törvénynek, ráadásul tökéletes összhangban állt a kísérletek mérési eredményeivel.

Ahhoz, hogy ezt a törvényt megalkossa, szakítania kellett a klasszikus fizika alapelveivel, és feltételeznie kellett, hogy a sugárzási folyamatoknál az energia leadása, ill. felvétele nem egyenletesen megy végbe, hanem az csak kis adagokban (kvantumokban) lehetséges.

Plancknak a sikeres levezetés érdekében azt is feltételeznie kellett, hogy a fekete test üregében kialakuló sugárzás nem vehet fel tetszőleges értéket, hanem egy adott rezgésszámú sugárzás energiája csak egy energiaadag egész számú többszöröse lehet. Egy energiakvantum értéke tehát csak a frekvenciától függ, a kvantumok nagysága pedig az elnyelt vagy kibocsátott sugárzás hullámhosszának és egy univerzális állandónak (Planck-állandó) a függvénye, nevezetesen a fénykvantum energiája a frekvencia és a Planck-állandó szorzata.

Az épületfizikai számítások Ernst Kari Wilhelm Nusselt Das Grundgesetz des Wärmeübergangs (A hőátmenet elméleti alapjai) című műve 1915-ös megjelenése után kezdtek beépülni a köztudatba, ám ekkor is csak tudományos körökben. Azonban hosszú út vezetett még odáig, hogy az építészeti tervezésben is figyelembe vegyék az épületfizikai alapelveket és a számítási módszereket.

A hőszigetelési igény születése

Az épület szerkezettan épületek hőszigetelésével foglalkozó területe nem tekinthet még vissza túlságosan hosszú múltra, ellentétben sok egyéb más, az épületszerkezetek tárgykörébe tartozó területtel (alapozások, falszerkezetek). Ez természetesen nem azt jelenti, hogy évszázadokkal ezelőtt ne lett volna alapvető követelmény épületeink hőszigetelése, csupán a hőszigetelés sokáig nem jelentkezett az épületekben önálló szerkezeti rétegként. A hőszigetelési funkció ellátáshoz nem volt szükség kiegészítő szerkezetek beépítésére és kizárólag hőszigetelési funkcióra készült építőanyagok használatára.

Az építési tevékenység már jóval az első fejlett civilizációk megjelenése előtt létezett, attól a perctől kezdve, amikor az ember először készített hajlékot magának. Ennek a tevékenységnek pedig az elsődleges kiváltó oka nem volt más, minthogy védelmet biztosítson az ember számára, vagyis bizonyos értelemben elszigetelje magát környezetétől. Az épületeknek tehát a kezdetektől fogva megvolt az a sajátos funkciója, hogy megvédje lakóját különféle hatásoktól, többek közt az időjárás viszontagságaitól. Az időjárás viszontagságai közül pedig az egyik legfontosabbat a kedvezőtlen külső hőmérséklet (téli hideg és nyári hőség) jelentette.

Ebben az időszakban még nem beszélhetünk építészetről, csupán építési tevékenységről, mégis kijelenthetjük, hogy az építési tevékenység kialakulásával egyidősnek tekinthetjük azt, az épületekkel szemben támasztott követelményt, ami az épülethatároló szerkezetek megfelelő hőszigetelését kívánja meg. Mindez azt jelenti számunkra, hogy tulajdonképpen már ebben az időszakban kialakult az egyik legfontosabb épületszerkezetekkel szembeni elvárás, a megfelelő hőszigetelés.

A kezdetleges építési tevékenység idején, amikor az ember még csak ideiglenes hajlékot épített magának, ugyanazokat a természetben megtalálható anyagokat használta hőszigetelésére, amelyekből ruhákat készített magának, hogy védekezzen a téli hideg ellen. Ruházkodási célra legmegfelelőbbek a különféle természetes anyagok voltak. Leggyakrabban állati bőröket, gyapjút és növényi eredetű anyagokat alkalmaztak, ezek azonban nem bizonyultak kellően időállónak. A gazdálkodás hőmérsékletű külső tárgyakra mekkora a kisugárzott hőenergia egységnyi hőmérséklet-különbség hatására egységnyi idő alatt, a szerkezet egységnyi felületére vonatkoztatva.

3.1. ábra. Skara Brae közel 5000 éves földházai

A földbe vájt és a földdel fedett ősi lakóháztípusok (barlangház, veremház) hosszú évezredekig fennmaradtak és az emberiség lakhelyéül szolgáltak, mivel kivitelezésük egyszerű és olcsó volt, megfelelő védelmet tudtak nyújtani lakóik számára a vadállatok elől, ráadásul egy esetleges rabló hadjárat során felégetni sem lehetett.

Azonban ezek az épületek hőszigetelési szempontból is előnyösek voltak, hiszen télen könnyen be lehetet őket fűteni, nyáron pedig kellemesen hűvös belső klímát biztosítottak lakóik számára, kihasználva a szerkezet nagy tömegének köszönhető hőtároló képességét (pl. veremházak esetén). A vastag földborítás nagy hőcsillapítást biztosított, amelynek következtében a külső hőmérsékletváltozások hatása a belső térben kevéssé volt érzékelhető, ezáltal megfelelő hővédelmet szolgáltatott.

A jelenleg ismert legrégebbi – kb. 5000 éves – földdel fedett, zöldtetős lakóházakat a Skócia partjaihoz közeli Orkney-szigeten találhatjuk, de számos – főleg hideg éghajlatú – vidék népi építészetében előfordulhatnak. Skandináviában, Izlandon, Oroszországban, Grönlandon és Alaszkában is épültek földbe süllyesztett, ill. földdel, növényzettel borított házak.

Az épületfizika születése

Energiatudatos építészet az ókori Görögországban

A fenti példák bizonyítják, hogy az energiatudatos építészet gyakorlatilag a kezdetek kezdete óta jelen van az építészetben, melynek elsődleges oka már akkoriban az energiahordozókkal való takarékos bánásmód volt. Az első fejlett civilizációk kialakulásával azonban az energiatudatosság továbbfejlődött, amikor az ember rájött, hogy a fosszilis energiahordozókkal való takarékoskodás szempontjából nem csupán az épület hőveszteségének csökkentése a fontos, hanem másfajta, megújuló energiaforrások kiaknázása is.

Napenergia hasznosítása régen

Az első ilyen jellegű kísérletek a napenergia hasznosítására irányultak. Az ókori Görögországban a Kr. e. 5. században született meg az energiatudatos tervezés gondolata, melynek elsődleges kiváltó oka a tüzelőanyag-hiány volt. Korábban rengeteg fát használtak hajóépítésre, fűtésre és a fémek olvasztására – főleg faszén formájában -, így az erdőket a szárazföldön és a szigetek jó részén ebben a korban gyakorlatilag teljesen kiirtották. A fa távolabbi területekről történő importja túlságosan költséges volt, ezért – egyéb energiahordozó hiányában – kényszerűségből új, napenergia-hasznosításon alapuló építészetet fejlesztettek ki.

Egy tipikus görög lakóház déli tájolású volt, előreugró tetőszerkezettel, amelyet oszlopok támasztottak alá. A tetőszerkezet megakadályozta, hogy a nyári napsütés a belső helyiségeket melegítse, az alacsonyan járó téli nap viszont besütött az épületbe és melegítette az oszlopcsarnok mögötti helyiségeket. Az északi oldalon nem vagy csak alig voltak nyílászárók, és a falat vastagra építették, ezáltal biztosítva a hőszigetelést a hideg északi szél ellen.

Ebben az időszakban vált szállóigévé az, a Szókratésznek tulajdonított mondás, miszerint: „a jó lakóház nyáron hűvös, télen meleg”. A görögök még nem ismerték az üveget, így nyílászáróikat nem tudták átlátszó védőfelülettel ellátni. Ennek következtében a tájolásból eredő hőnyereség a téli hónapokban meglehetősen szerény volt.

3.2. ábra. Olynthosz városának alaprajza

3.3. ábra. Priéné város alaprajza

Görög városokban épültek a világon az első olyan lakótelepek, városrészek, amelyeket az energiatudatos építészet jegyében terveztek. Az egyik legismertebb település a görög szárazföld északi részén fekvő Olynthosz városa volt, ahol télen a hőmérséklet gyakran süllyedt fagypont alá. Ez a város egy fennsíkon a 2500 lakosa számára olyan lakótelepet épített, ahol az utcák észak-déli és kelet-nyugati tájolásúak voltak, így minden ház egyenlő mértékben részesülhetett a napenergiából. A sorház jelleggel, szorosan egymás mellé épített lakóegységek mindegyike déli tájolású volt.

A kis-ázsiai partvidéken, Pergamontól délre épült Priéné városában is hasonló lakónegyedet építettek. A felszíni adottságok itt még kedvezőbbek voltak, mivel a lakótelepet északról egy hatalmas sziklafal határolta, védelmet nyújtva a téli hideg szél ellen.

Energiatudatos építészet a Római Birodalomban

A görögök ismereteit az ókori rómaiak is átvették és továbbfejlesztették. A rómaiak – a görögökhöz hasonlóan – eleinte sok fát használtak fűtési célokra, ráadásul a fejlettebb építészet miatt (sok gazdag polgár házában központi fűtés vagy padlófűtés volt) még nagyobb ütemben irtották az erdőket, mint a görögök. Miután az Appennin-félszigeten az erdők gyakorlatilag eltűntek, Germániából, a Kaukázusból és más távoli helyekről kellett fát importálni. A probléma megoldását itt is a napenergia építészeti alkalmazása jelentette, amely jelentős fejlődésnek indult a Kr. u. 1. századtól.

Mivel a birodalom kiterjedése igen nagy volt, a különböző klímájú területekre más-más építészeti megoldásokat dolgoztak ki. (Például Észak-Afrikában a házakat részben északi tájolásúra építették, a hűvösebb klímájú európai területeken viszont a görög minta szerint déli tájolással alakították ki az épületeket).

A különböző régiókra vonatkozó alapelveket Marcus Vitruvius Pollio római építész és. hadmérnök foglalta össze Kr. e. 33-ban írt De Architectura libri decem (Tíz könyv az építészetről) című híres könyvében. Ötödik könyve más épületfizikai vonatkozású – elsősorban épületakusztikai – részeket is tartalmaz, ugyanis írt a színház helyének kiválasztásánál figyelembe veendő akusztikai szempontokról és a színházak akusztikai tervezéséről.

3.4. ábra. Marcus Vitruvius Pollio

Igen komoly előrelépés volt a görögökhöz képest, hogy a rómaiak ismerték az üveget, és kiterjedten használták a csillámlemezt is a nyílászárók szigetelésére. Az üvegházhatást is hasznosítani tudták az épületek hőtárolására. Közfürdőkben gyakran használtak nagyméretű üvegfelületeket az épület hőtároló képességének fokozása érdekében.

A napenergiához való jogot az állami törvények is szavatolták minden szabad római polgár számára. Annak érdekében, hogy a szomszédos épületeket ne árnyékolják, korlátozásokat írtak elő az épületek magasságára és egymástól való távolságára. Ezeket a törvényeket részletesen Justinianus bizánci császár törvénykönyve rögzítette. A történelemben ez volt az első eset, hogy a napenergiához való jogot törvényileg szabályozták.

Épületfizikai kérdések a középkorban

A Római Birodalom bukásával azonban az energiatudatos tervezési elvek feledésbe merültek. A tudomány hosszú évszázadokon át nem foglalkozott mélyebben a hőszigetelés problémakörével. Ennek egyik oka az volt, hogy általában a régi épületszerkezetek – a vastag tégla- és vályogfalak – önmagukban elegendők voltak ahhoz, hogy az akkori igényekhez igazodva biztosítsák az épület kellő mértékű hőszigetelését.

A hőszigeteletlen épületek fűtési költsége sokkal magasabb, mint egy napjainkban épült, hőszigeteléssel ellátott épületé, különösebb problémát mégsem okozott a hőszigetelés hiánya, mivel nem kellett számolni többek közt a tüzelőanyag árának drasztikus növekedésével, a fosszilis energiahordozó-készletek (szén, kőolaj, földgáz) ki-apadásával, az üvegházhatás felerősödésével, a globális felmelegedéssel és egyéb környezetre káros hatásokkal.

Az épületek tűzvédelme, ill. a lakókörülmények javítása, mint épületfizikai probléma, azonban pont ebben az időszakban vált fontos kérdéssé. A középkorban számos katasztrófát okoztak a különféle tűzesetek, főleg sűrűn lakott városokban. A tűz házról házra terjedésének megakadályozására az egymáshoz épített lakóházaknak gyakran kettős tűzfalat építettek, s köztük néhány centiméteres rést hagytak. Ez egyben az épületek közti hangszigetelés problémáját is megoldotta.

Németországban már a 16. században léteztek olyan előírások, amelyek előírták a favázas épületek vakolását, megadták a kémény kivezető nyílásainak magasságát. A lakásminőség javítása érdekében megszabták a lakószobák minimális belméreteit, és tiltották a nyirkos, dohos pincehelyiségek lakáscélú felhasználását a rossz bevilágítási és szellőztetési viszonyok miatt.

Az építészet átalakulása a 19. században

A 19. század második felében jelentősen megváltozott az építészet és maga az építési tevékenység is, amelynek következtében felvetődtek az első hőszigeteléssel kapcsolatos kérdések is. Gyökerei az új építőanyagok – öntöttvas, beton, vasbeton, acél – megjelenésében, valamint a tartószerkezet-méretezés elméletének kialakulásában fedezhetők fel. A tapasztalati méretezés helyébe a számításon alapuló méretezési eljárás került, ami lehetővé tette a gazdaságosabb építkezést, a vékonyabb szerkezetek alkalmazását.

Azonban ahol a régen megszokott tégla- és vályogszerkezetek helyébe a vékonyabb és nagyságrendekkel rosszabb hőszigetelő képességű acél és vasbeton (esetleg könnyűszerelt szerkezet) került, minden szerkezet (falak, födémek), ami eddig hőszigetelés szempontjából megfelelt, most egy sereg problémát (hőmozgás, páralecsapódás, nagyobb hőveszteség) eredményezett. Hasonló nehézségekkel küzdött az ebben az időszakban elsősorban az amerikai kontinensen elterjedő könnyűszerkezetes építéstechnológia is.

Az első látványos problémát az jelentette, hogy a falazott szerkezetekhez csatlakozó öntöttvas és acélszerkezetek hőmozgása attól jelentősen eltért. A repedések és károsodások elkerülése végett szükségessé vált az ilyen szerkezetek hővédelme, amelyhez először mész- vagy románcement habarcsba rakott azbesztet használtak.

A vázas acél- és vasbetonszerkezeteket elsőként az ipari építészet használta. A 19. század végi ipari építészet, azon belül is az energiaipar (hőerőművek) számára kulcskérdéssé vált a különféle berendezések (gőzgépek, kazánok, kémények) és az azokat körülvevő épületszerkezetek hőszigetelése is a század végén kialakult nehéz gazdasági helyzet (egymást követő gazdasági visszaesések, ingadozó energiaárak, növekvő energiafogyasztás) miatt.

Mindezek mellett előtérbe került a lakóépületek belső komfortjának javítása, ami a kellemes belső klíma megtartását jelentette. Az épületgépészeti berendezések 19. század végén tapasztalható soha nem látott fejlődése azok méretezhetőségének igényét is maga után vonta. Ehhez ismerni kellett az épület hő-veszteségét és hőtároló képességét, ami szintén felértékelte az épületszerkezetek hőszigetelő képességét.

A 19. század végi és 20. század eleji épületekben tehát szükségessé vált a hőszigetelés, mint önálló réteg. Felismerték azt is, hogy komoly és hatásos hőszigetelés csupán előzetes számítások alapján tervezhető. Nem egyszerűen az volt a feladat, hogy az épület hőleadását csökkenteni kellett, hanem emellett oda kellett figyelni az épületszerkezetek hőmozgására és a különféle páratechnikai kérdésekre is, vagyis a tartószerkezetek méretezésének kifejlődése maga után vonta az épületszerkezetek hőtechnikai méretezésének szükségességét.

Páradiffúzió

A pára tulajdonképpen vízgőz, ami nem más, mint gáz-halmazállapotú víz. Mivel gázként viselkedik, így képes nyomást kifejteni. A nagyobb hőmérsékletű levegő nagyobb mennyiségű vízgőzt képes megtartani, így annak páratartalma is magasabb. Ebből következik, hogy a meleg levegő nyomása is nagyobb.

Ha a meleg levegőt lehűtjük, csökken a vízmegtartó képessége, nem tudja a benne lévő pára egy részét megtartani, ami pedig kicsapódik. Amikor a levegő egy adott hőmérsékleten már nem tud több vízgőzt felvenni, telített levegőnek nevezzük. Az adott levegő tényleges páratartalmának és a vele megegyező hőmérsékletű telített levegő páratartalmának arányát relatív nedvességtartalomnak nevezzük. Ezt a két páratartalom-érték százalékos arányában fejezzük ki.

Azt a hőmérsékletet, amelyen az adott hőmérsékletű és nedvességtartalmú levegő telítetté válik, harmatpontnak nevezzük. Az épülethatároló szerkezetek állagvédelmének szempontjából a harmatponti hőmérséklet nagyon fontos. Ha a szerkezet belső felülete vagy valamelyik szerkezeti rétege a harmatpont alá hűl, akkor a belső felületeken páralecsapódás, a szerkezeten belül pedig párakicsapódás következik be.

Páradiffúziós tényező

A páradiffúziós tényező egy olyan anyagjellemző, amely megmutatja, hogy egységnyi parciális nyomáskülönbség hatására egységnyi idő alatt mennyi vízgőz halad át egységnyi vastagságú anyag egységnyi felületén. A páradiffúziós tényező egy adott anyag esetén azt a páramennyiséget adja meg kilogrammban, amely az anyag két, egymással párhuzamos, egymástól 1 m távolságra lévő sík rétege között 1 Pa nyomáskülönbség hatására a réteg felületének 1 m²-én 1 perc alatt áthatol.

Páradiffúziós ellenállási szám

A páradiffúziós ellenállási szám egy viszonyszám a levegő (Ievegő) és az anyag páradiffúziós tényezője között. Tulajdonképpen egy mértékegység nélküli szám, ami megmutatja, hogy milyen vastag anyag páradiffúziós ellenállása egyenlő 1 m vastag levegő ellenállásával. Jó páradiffúzióról akkor beszélhetünk, ha a páradiffúziós ellenállási szám kicsi.

Páradiffúziós ellenállás

A páradiffúziós ellenállás nem az adott anyagra, hanem a belőle készített szerkezeti egységre vagy szerkezeti rétegre vonatkozik. Az adott vastagságú réteg párazáró képességére utal, a diffúzióval szembeni ellenállást adja meg.

A páradiffúziós ellenállás mértékét befolyásolja:

• az anyag nedvességtartalma (csökkenti a pórustartalmat),
• az anyag pórustartalma (sűrűsége),
• a porozitás Fajtája (nyílt vagy zárt pórusú) és
• az anyag hőmérséklete.

Hőtranszport folyamatok épületszerkezetekben

A magyarországi klimatikus viszonyok között télen, a Fűtési idényben a külső légtér hőmérséklete általában alacsonyabb, mint az épületek helyiségeinek léghőmérséklete, ezért egy kiegyenlítetlen folyamat következik be, amelynek során a levegő az épülethatároló szerkezeteken keresztül a külső (hidegebb) légtér felé vándorol.

Ez a Folyamat télen lényegében folyamatos, de a külső hőmérséklet változása révén nem egyenletes. Az épülethatároló szerkezeteken keresztül télen mindhárom hővándorlási forma szerepet játszik, de hőtechnikai szempontból meg kell különböztetni a tömör és az átlátszó szerkezeteket, valamint a tömör szerkezeteken belül a hőhidakat és a talajon fekvő padlókat.

2.1. ábra. Épülethatároló szerkezetek csoportosítása hőtechnikai szempontból

2.2. ábra. Az épületszerkezeten keresztüli transzmissziós hőveszteség összetevői

A tömör épülethatároló szerkezeteket hőtechniai szempontból meg kell különböztetnünk az eltérő külső-belső hőmérséklet-különbségek, ill. az eltérő hővándorlási mód miatt.

Így megkülönböztetünk:

• a külső légtérrel közvetlenül érintkező szerkezeteket (külső fal, lapostető, árkádfödém, tetőtérbeépítést határoló fal, lábazati fal, külső térdfal),
• a külső légtérrel közvetve érintkező szerkezeteket (padlásfödém, belső térdfal),
• a fűtött és fűtetlen helyiségeket elválasztó szerkezeteket (belső fal, pincefödém) és
• a talajjal érintkező szerkezeteket (pincefal, talajon fekvő padló).

A tömör épülethatároló szerkezeteken keresztül lejátszódó hővándorlás értelemszerűen hőveszteséget okoz, amit fűtési energiával kell pótolni. Ezt transzmissziós hőveszteségnek nevezzük, ez (a külső fal példájából kiindulva) három tényezőből tevődik össze.

Ezek:

• hőátadás a belső levegőből a falszerkezetre,
• „hővezetés” a szerkezeten keresztül, és
• hőátadás a szerkezet külső felületéről a külső légtérbe.

Hőátadás

A hőátadás egyik összetevője a hőáramlás, amikor a hőt mozgó anyagrészecskék (jelen esetben levegőrészecskék) közvetítik. Valójában tehát ez nem más, mint mozgási energiaközlés. A hőenergia egy szilárd test (falszerkezet) és egy gáz (levegő) érintkezési felületén adódik át.

A nyugalomban lévő levegőnek nincs hőátadó képessége. A külső térelhatároló szerkezetek felületei mentén azonban a gravitáció, ill. (a külső térben) a turbulens levegőmozgások (azaz a szélhatások) által alakul ki hőátadás. Minél nagyobb a légmozgás, annál több az átadott hőmennyiség. A külső oldali hőátadás mindig nagyobb, mivel itt szélhatás is van.

A jelenség és mértéke a konvektív hőtáadási tényezővel jellemezhető. Ez megmutatja, hogy a szerkezet és a levegő egységnyi hőmérséklet-különbsége hatására, egységnyi idő alatt, a szerkezet egységnyi felületére vonatkoztatva mennyi hő adódik át a belső levegőből a szerkezet felületére, ill. a szerkezet külső felületéről a külső légtérbe. Ennek megfelelően a tényezők mértékegysége:

A konvekcióból adódó hőátadási tényezőket a számításoknál konstans értékként vesszük figyelembe. Az értékek nagysága attól is függ, hogy a levegő áramlási iránya milyen viszonyban van az adott szerkezet síkjával. Ha arra merőleges (pl. tetőfödémnél), a tényező értéke is nagyobb, ha ellentétes (pl. árkádfödémnél), akkor kisebb, míg ha párhuzamos (pl. külső falnál), akkor középértéket veszünk figyelembe. A szél hatását a fűtési időszakban jellemző átlagos szélsebességgel számítjuk.

A hőátadás másik összetevője a hősugárzás. Ilyenkor a molekulák mozgási energiája elektromágneses sugárzás formájában távozik a melegebb testről (felületről) a hidegebb felé. A jelenséget idegen szóval emissziónak nevezzük. Minden eltérő hőmérsékletű test ilyen sugárzási kapcsolatban van egymással, amíg a hőmérséklet-különbségük fennáll, és ki nem egyenlítődik.

Ha tehát épületünk felületi hőmérséklete azonos a szomszédos épületével (mert ugyanúgy fűtött), nincs sugárzási hőveszteség. Minden egyéb esetben -ha a környezetben lévő tárgyak, épületek, növények felülete kisebb hőmérsékletű – azonban van. Különösen nagymértékű az emisszió tetők esetében, hiszen ebben ekkor lényegében csak egyirányú sugárzás (kisugárzás) jön létre.

Hőátadási tényező

A jelenség és mértéke a sugárzási hőátadási tényezővel jellemezhető. Ez megmutatja, hogy a belső térben lévő tárgyakról az épülethatároló szerkezetre, ill. arról a vele sugárzásos kapcsolatban álló kisebb hőmérsékletű külső tárgyakra mekkora a kisugárzott hőenergia egységnyi hőmérséklet-különbség hatására egységnyi idő alatt, a szerkezet egységnyi felületére vonatkoztatva.

Ennek megfelelően a tényezők mértékegysége:

A hőtechnikai számításokban vagy a hőátadási tényezőt, vagy pedig a hőátadási ellenállások értékeit vesszük figyelembe. Utóbbiak a hőátadási tényezők reciprok értékei, vagyis:

A sugárzás által a levegő – lévén sugárzást el nem nyelő közeg – nem melegszik fel. Sugárzásos kapcsolat (hőmérséklet-kiegyenlítődés) természetesen az épületen belül is létrejön a különböző hőmérsékletű épületszerkezetek, berendezési tárgyak stb. között. Az emberi test, és az annál kisebb hőmérsékletű épületszerkezetek közötti egyoldalú sugárzásos kapcsolat.

2.3. ábra. A hőátadási tényező értékei (W/m²x K) különféle épülethatároló szerkezetek esetében

A hő átadási ellenállás a szerkezet felületi ellenállása az áramlással (konvekció) és a sugárzással (radiáció) közölt hőáramlással szemben.

Hővezetés

A hővezetés az építőanyagokban valójában mindhárom hőközlési forma (hővezetés, hőáramlás, hősugárzás) együttes hatását jelenti. Ez könnyen belátható, ha a hőmérsékletviszonyokat egy külső fal példáján vizsgáljuk. Ha ugyanis télen a belső és a külső léghőmérséklet között különbség van, akkor különbség van a belső és a külső falfelületek hőmérséklete között is. Ugyanez igaz az anyagban lévő pórusok, üregek, cellák belső és külső oldali felületei között. Ez a hőmérséklet-különbség hőáramlással és hősugárzással jár a pórusokba, üregekbe zárt levegőben, és ez jelentős mértékben módosítja a tömör anyag (pl. cellafalak) hővezetési tulajdonságait.

A nyugalomban lévő levegő ugyanis nagyon jó hőszigetelő, még kismértékű mozgása, áramlása esetén is jobb, mint a legtöbb építőanyag. Éppen ezért az építőanyagok hővezető képességét mérésekkel állapítják meg, és az ún. Hővezetési tényező a háromféle hőközlési módot is tartalmazza, vagyis nevezhető egyenértékű hővezetési tényezőnek is.

A hővezetési tényező anyagjellemző, amely megmutatja, hogy mekkora az egységnyi vastagságú anyag egységnyi felületén időegység alatt átáramló (átvezetett) hőmennyiség, ha a külső és belső határoló felületek hőmérséklet-különbsége is egységnyi. Az átvezetett hőmennyiség egyenesen arányos tehát a felület nagyságával, a hőmérséklet-különbséggel és az idővel, a vastagsággal pedig fordítottan arányos.

Ezt fejezzük ki a tényező mértékegységével:

Az építőanyagok hővezető képessége, ill. a hővezetési tényező nagysága számos jellemzőtől függ, ezek közül a legfontosabbak.

Ezek:

• Testsűrűség – Általánosságban elmondható, hogy egy építőanyag hővezető képessége a testsűrűséggel egyenesen arányos, vagyis minél kisebb az anyag testsűrűsége, annál kisebb a hővezetési tényezője is. Kivétel persze itt is van, példának okáért az expandált polisztirolhabok, amelyeknél – bizonyos testsűrűség határok között – ennek éppen ellenkezője igaz.
• Levegőtartalom – Hatása a pórusok és az üregek össztérfogatától függ, és összefüggésben van a testsűrűséggel. Nagyobb levegőtartalom kisebb hővezetési tényezőt, azaz jobb hőszigetelő képességet jelent.
• Pórusméret/üregméret- Minél kisebbek egy építőanyag pórusai, annál kisebb hőmérséklet-különbségek alakulnak ki a pórusok belső és külső oldala között. A kis hőmérsékletkülönbség kisebb légáramlást is eredményez.
• Póruselrendezés – Az anyag pórusai elrendezésüket tekintve lehetnek nyíltak és zártak. A nyílt pórusú anyagoknál a pórusok egy része kapcsolatban van a szomszédos pórusokkal, miáltal a pórusméret – és ezzel együtt a levegő áramlása is – megnövekszik. Ez zárt pórusú anyagok esetében nincs így, ezért jobb a hőszigetelő képességük.
• Nedvességtartalom – A víz hővezetési tényezője 0,58 W/m x K, vagyis közel 25-szöröse a nyugalomban lévő levegőének. Ezért, ha a pórusokba víz kerül levegő helyett, az anyag hőszigetelő képessége leromlik.
• Szálak (rostok) iránya – A szálas hőszigetelő anyagoknál, de akár a faanyagoknál vagy más természetes hőszigetelő anyagoknál is, a szálelrendezés (szálirány, rostirány) a hőátvezetés irányához képest jelentős különbséget eredményez a hőszigetelő képességben. Az üveggyapot lemezekben például a szálirányra merőleges hővezetési tényező több mint kétszerese a száliránnyal párhuzamos hő-vezetési tényezőnek.
• Hőmérséklet – Kristályos anyagok esetén (pl. fémek) a hőmérséklet növekedésével a hővezetési tényező csökken, míg nem kristályos, amorf anyagok esetén (pl. műanyagok) a hőmérséklet növekedésével a hővezetési tényező is növekszik. Éppen ezért az építőanyagok hővezetési tényezőjének mérése meghatározott hőmérsékleten, + 10 °C-on történik.

A hővezetési tényezőt bizonyos beépítési módok és feltételek esetén módosítani kell.

Ezek a módosítások a következő hatásokkal kapcsolatosak:

• a hőszigetelő anyag gyártásakor nedvességhatásnak van kitéve (pl. az előregyártott vasbeton szendvicspanelek hőszigetelő rétege),
• a hőszigetelő anyag beépítésekor nedvességhatásnak van kitéve (pl. ha rábetonoznak vagy rávakolnak),
• a hőszigetelő anyag ülepedésre vagy vetemedésre hajlamos,
• a határoló szerkezet hőszigetelő rétege higroszkopikus hőszigetelő anyagból készül és a belső tér nedves,
• az ún. kéthéjú (szellőztetett légréteges) szerkezetekbe beépített légzáró-páraáteresztő réteg nélküli hőszigetelő anyagoknál, és
• lapostetőkbe egy rétegben, tompa ütközéssel beépített hőszigetelő anyagoknál.

A hővezetési tényező ismeretében bevezethetjük a hővezetési ellenállás fogalmát. Ez már nem egy adott anyagra, hanem a belőle készített szerkezetre (ha az egyrétegű), vagy szerkezeti rétegre vonatkozik, és adott vastagságú réteg hőszigetelő képességére, azaz hővezetéssel szembeni ellenálló képességére utal. Ha a szerkezet többrétegű, akkor az egyes szerkezeti rétegek hővezetési ellenállásait összeadva kapjuk a teljes szerkezet hővezetési ellenállását.

Hőátbocsátás

A szerkezet hőátbocsátási tényezője a hőátbocsátási ellenállás reciproka. Azt fejezi ki, hogy mekkora egy adott épülethatároló szerkezet egységnyi felületén időegység alatt átáramló hőmennyiség, ha a külső és belső légtér hőmérséklet-különbsége is egységnyi. A hőátbocsátási tényező jele: U. A hőátbocsátási tényező ismeretében meghatározható a szerkezeten áthaladó hőáramsűrűség, a szerkezet hőveszteség-tényezője és a szerkezet teljes hővesztesége is.

Hőáram és hőáramsűrűség

A hőáramsűrűség azt mutatja meg, hogy mekkora egy adott épülethatároló szerkezete egységnyi felületén időegység alatt átáramló hőmennyiség egy adott külső és belső légtér hőmérséklet-különbség mellett. Tulajdonképpen nem más, mint az egységnyi felületre eső hőáram. Úgy számítható, hogy a szerkezet hőátbocsátási tényezőjét a külső és belső légtér közti hőmérséklet-különbséggel összeszorozzuk.

Egy épület jellemzően kétféleképpen veszít hőt, az épületszerkezeteken keresztül, ill. légcserével (szellőztetés és filtráció).

A szerkezeten át való hőveszteség kétféle lehet, ezért megkülönböztetünk:

• egydimenziós hőátbocsátást és
• többdimenziós hőáramot.

2.1. táblázat. Korrekciós tényezők az anyag és beépítési mód függvényében

[table id=375 /]

Az egydimenziós hőáram a homogén felületek jellemzője. Nevét onnan kapta, hogy a hőáram az egész felületen egyirányú, a felületre merőleges. A hőáram tulajdonképpen nem más, mint a teljes szerkezeten egységnyi idő alatt átáramló hőmennyiség. Mivel teljesítmény jellegű mennyiség, így a mértékegysége watt.

Hőhidak

Az épületszerkezetekben mindig előfordulnak olyan részek, ahol az egydimenziós hőáramlás – és ennek következtében többdimenziós hőmérséklet-eloszlás megközelítő feltételként sem fogadható el. Ilyenkor többdimenziós hőáramlásról beszélünk. Azon épületszerkezeti részeket, ahol a hőáramlás ilyen formája létrejön, az építészetben hőhidaknak nevezzük.

A többdimenziós hőáramlás kialakulásának többféle oka lehet:

Geometriai forma

Legjobb példa geometriai hőhídra a pozitív falsarok. Ilyenkor – a jelenséget leegyszerűsítve – a fűtött belső felülethez (ami itt csupán egy vonal, mégpedig a falsarok belső éle) képest a lehűlő felület végtelen nagy (kétszeres falvastagsággal azonos. A hőáram itt felsűrűsödik, és fajlagosan nagyobb lesz, mint az egyéb falszakaszokon.

2.4. ábra. Geometriai hőhíd

Eltérő hőszigetelő képességű anyagok együttes alkalmazása

Legjobb példa erre a falszerkezetbe beépített vasbeton pillér esete. Ebben az esetben a hőáram a kisebb hővezetési ellenállású (azaz rosszabb hőszigetelő képességű) pillér szakaszán sűrűsödik.

Épületszerkezetek csatlakozásai

Ez önmagában is okozhat hőhídhatást, de sokszor az előző két hőhídtípus együttesen fejti ki hatását (pl. falszerkezet és vasbeton koszorú). Ezt a hőhídtípust szerkezeti hőhídnak is nevezzük.

Homlokzati síkból kinyúló szerkezetek

Ebbe a csoportba tartoznak az erkélyek, loggiák, attika falak, függőfolyosók stb., amelyeknél ezek az általában rossz hőszigetelő tulajdonságú (gyakran vasbeton) szerkezetek hűtőbordaként működnek, jelentős lehűlő felületet képezve.

2.5. ábra. Homlokzatsíkból kinyúló szerkezet hőhídhatása

A felületi hőmérséklet egyenlőtlen eloszlása

Ezek elsősorban a felület árnyékolása, a légmozgás akadályozása következtében a hőátadás akadályozása miatt kialakuló hőhidak.

Az előző hatások kombinációi

Ezek a hőhidak különösen akkor veszélyesek, ahol kettőnél több épülethatároló szerkezet csatlakozik (pl. legfelső épületszint külső fal – külső fal – födém csatlakozása).

Pontszerű hőhidak

A pontszerű hőhidak hatása általában egy-egy pontra koncentrálódik, hatása viszonylag kicsi, azonban, ha nagy számban találhatók meg az épületszerkezetben, akkor számolni kell azzal, hogy a szerkezet hőszigetelő képességét rontják. Leggyakoribb példája a homlokzati hőszigeteléseknél vagy a burkolatoknál a rögzítési pontok okozta hőhíd.

A pontszerű hőhidak sok esetben elkerülhetők, vagy hatásuk csökkenthető, így azok egymás hőszigetelő képességét jelentősen nem rontják. – Kivitelezési hibák okozta hőhidak. Ilyen hőhidak akkor keletkeznek, ha pl. a szigetelőrétegek elcsúsznak, lyukak keletkeznek bennünk, roskadnak, ill. hiányosan történt a légmentesítés. Természetesen számos más kivitelezési hiba eredményezheti a hőhíd ezen típusának kialakulását.

Az előzőekből következik, hogy hőhídmentes szerkezet gyakorlatilag nincsen. Hőhidakkal minden esetben számolni kell, csupán a hatásukat lehet (és kell is) csökkenteni. A hőhidak okozta hőveszteséget a hőtechnikai számításnál figyelembe kell venni. A hőhidak negatív hatásai elsősorban a téli időszakokban jelentkeznek, amikor a hőhidas épületszerkezetekben a hő a belső térből a külső tér felé áramlik.

A hőhidak épületszerkezetben való jelenléte több káros következménnyel is jár:

• növekszik az épület energiavesztesége, amivel növekszik a fűtési energia felhasználása és a fűtési költség is,
• a megnövekedett hőleadás miatt az épületszerkezetek (falak, födémek) belső hőmérséklete kisebb lesz, ezzel a belső térben csökken a komfortérzet,
• a hőhidak felületi hőmérséklete kisebb a környezetében lévő épületszerkezetekénél, így ezeken a felületeken lecsapódhat a pára. Amennyiben ez a folyamat hosszú ideig fennáll, a nedvesedés épületszerkezeti károkhoz, penészgombák megtelepedéséhez vezethet.
• egy erősen hőszigetelt épület esetén (pl. passzívházak) a hőhidak jelentős energiaveszteséget jelenthetnek a többi épületszerkezethez (pl. homlokzati falak, nyílászárók) képest,
• szigeteletlen épületeknél a hőhidak környezetében rendkívül kis belső felületi hőmérsékletű területek jönnek létre, ahol fokozott páralecsapódásra, nedvesedésre lehet számítani. Ilyenkor a hőhidak hatása az épület energiaveszteségére kevéssé jelentős, hiszen a többi épületszerkezeten keresztül is jelentős hőenergia-veszteség realizálódik.

Hő

A hő tulajdonképpen az anyagot felépítő részecskék (atomok, molekulák) rendkívül gyors mozgása. Minél gyorsabban mozognak ezek a részecskék, annál melegebb az adott test, ill. minél melegebb az adott test, annál gyorsabban mozognak a részecskéi (pl. az oxigénmolekulák szobahőmérsékleten is csaknem kétszeres hangsebességgel mozognak).

A hő az energia egyik megjelenési formája. Átalakítható más energiákká, az elektromos erőművekben például a különböző módon (szén, földgáz elégetésével, atommaghasadással) előállított hőenergiát alakítják át mechanikai munkává, majd elektromos energiává. A hőenergia jele: Q, mértékegysége: J.

Hőmérséklet

A hőmérséklet egy fizikai mennyiség a hőállapot számszerű jellemzésére. Ha két test hőmérséklete különböző, közöttük hőátadás indul meg, ami addig tart, amíg mindkettő azonos hőmérsékletű lesz. Az anyagok fizikai tulajdonságai (pl. térfogatuk, elektromos vezetésük, színük) a hőmérséklettel változnak. Ezt használjuk hőmérsékletmérésre a folyadékos hőmérőkben, a termoelemeknél, a pirométerben stb.

A hőmérséklet jellemzésére különböző hőmérsékleti skálákat alkalmaznak. Leggyakrabban az Andres Celsius svéd természettudós által kifejlesztett Celsius-skálát használják. Ezen a skálán légköri nyomás mellett az olvadó jég hőmérséklete jelenti a 0 fokos értéket, a forrásban levő víz hőmérséklete pedig a 100 fokos értéket. Egysége tehát ennek az intervallumnak a század része. Mértékegysége: °C (Celsius-fok). A fizikában Sí-alapegységként a Kelvin-skálát használják, amelynek beosztása a Celsius-skálával egyezik, azonban nullapontja az abszolút hőmérsékleti zéruspont, ami -273,16 °C-nak felel meg.

Használatos még a Fahrenheit- (°F) és a hozzá kapcsolódó Rankine-féle (°R) hőmérsékleti skála. A Fahrenheit-skála nullapontja Dániel Gábriel Fahrenhei által kísérleti úton előállított legjobban lehűlő sós oldat fagyáspontja, a másik alappontja az emberi test hőmérséklete volt, amely hőtartományt az oszthatóság kedvéért 96 egységre bontotta (így a víz fagyáspontja épp 32 °F). Mértékegysége: °F (Fahrenheit-fok).

A ritkán használt Rankine-skála bevezetője William John Macquorn Rankine skót mérnök ugyanakkora egységeket használt, mint Fahrenheit, de a nullapontja az abszolút nullánál van. Mértékegysége: °R (Rankine-fok). Történelmi jelentősége miatt érdemes megemlíteni a már nem használatos Réaumur-skálát, amelyet René Antoine Ferchault de Réaumur francia természettudós fejlesztett ki úgy, hogy a víz fagyáspontját adta meg 0 foknak, míg a forráspontját 80 foknak.

Fajhő

Ha különböző anyagokat (pl. vizet, olajt) melegítünk, azt tapasztalhatjuk, hogy a belsőenergia-változás mértéke, a tömeg nagysága és a hőmérséklet-változás mellett függ az anyagi minőségtől. Ez utóbbi jellemzésére vezették be a fajhő fogalmát, amely megmutatja, hogy 1 kg anyag 1 °C-kal való melegítéséhez mennyi energia szükséges, azaz mennyivel nő az anyag belső energiája. A fajhő tehát az adott anyagra jellemző adat. A fajhő jele: c, mértékegysége: kJ/kg x °C.

Hőtágulás

Hőtágulásnak nevezzük azt a fizikai jelenséget, amikor valamely anyag hőmérsékletének a változásával megváltoztatja a méretét. Melegítéskor az anyagok általában tágulnak, a tágulás relatív mértékét a hőtágulási együttható fejezi ki. A hőtágulás általában közelítőleg lineárisan függ a hőmérséklettől. Ez alól kivétel, ha halmazállapot-változás történik, ill. néhány speciális vagy bomlékony anyag zsugorodik (negatív hőtágulás). Léteznek kerámiák és fémötvözetek, amelyek gyakorlatilag nem változtatják a méretüket. Az anyagtudomány hőtágulás tekintetében három kategóriát határoz meg, a lineáris (vonalas), a felületi és a térfogati hőtágulást.

A testek egyirányú méretének a hőmérséklet-változás hatására bekövetkező változását lineáris (vagy más néven vonalas) hőtágulásnak nevezzük.

Hőterjedés

A hőközlés folyamatát hőterjedésnek nevezzük. A hő különféle közegekben többféle módon terjedhet, amelyeket hővezetésnek, hőáramlásnak és hősugárzásnak nevezünk. A hőterjedésben általában mindhárom mechanizmus részt vesz, de a három közül általában az egyik dominánsabb szerepet játszik a többinél.

Hővezetés

A hővezetés a hőterjedésnek olyan formája, amikor az anyag részecskéi nem mozdulnak el egyensúlyi helyükről makroszkopikus mértékben, azonban az anyag atomjai mikroszkopikus mozgást végeznek. A hővezetés tehát az atomok mikroszkopikus mozgása, ez a hőmozgás. Ez szilárd anyagokban rezgést jelent. Nagyobb hőmérsékleten az atomok, molekulák hőmozgása intenzívebb. Egy szilárd anyagot melegítve a melegítés helyén a rezgés intenzívebbé válik. Ez az egymás melletti részecskék kölcsönhatása miatt folyamatosan átterjed a többi részecskére is, ami a test nem melegített részeinek hőmérséklet-növekedését okozza.

A hővezetés a hőenergia szilárd, nyugalomban lévő (nem áramló), cseppfolyós, ül. gáznemű anyag egyik molekulájáról terjed a másikra olyan módon, hogy a szomszédos molekulák kinetikus (mozgási) energiájukat közlik egymással. Nincs anyagáramlás, a hőátadás a belső energia részecskéről részecskére való átadásával történik.

Hőáramlás

Hőáramlás vagy konvektív hőátadás a hővándorlás olyan formája, amelynek során a hő közlése az azt hordozó anyag helyének megváltozásából következik, vagyis a vizsgált rendszer egy része, valamennyi anyag ténylegesen elmozdul a rendszer melegebb tartományából a hidegebb felé. A hőterjedés ekkor tehát valóságos anyagáramlással jár. Mivel a hőáramlás megkívánja a közeg mozgékonyságát, így csak folyadékokban és gázokban valósulhat meg, szilárd anyagokban hőáramlás nem történhet.

A hőáramlás eredete szerint lehet szabad (vagy természetes), ún. mesterséges konvekció. Szabad vagy természetes konvekció esetén az áramlást nem külső erő hozza létre, hanem az áramló közeg belső állapotából adódik.

Ha a hőáramlást gravitációs térben nem külső erő hozza létre, hanem azért következik be, mert a hőmérséklet-különbség következtében sűrűségkülönbség jön létre, vagyis a nagyobb sűrűségű anyag lefelé, a kisebb sűrűségű pedig felfelé törekszik (azt is mondhatjuk, hogy a közeg állapotjelzői – hőmérséklet, nyomás sűrűség – helyenként eltérnek), akkor ezt természetes hőáramlásnak hívjuk.

Hősugárzás

A hősugárzás (radiáció) a hőenergia elektromágneses sugárzás révén történő terjedése. Ilyenkor a szilárd vagy cseppfolyós anyag molekuláit mozgási energiájuk egy része elhagyja. Az elektromágneses rezgések tartományából az infravörös tartomány a számottevő, vagyis a 0,4-40 um közé eső hullámhosszúság, mert elnyelődve ez az intervallum hőt indukál. A hősugárzás független a hőt elnyelő (abszorbeáló) vagy kibocsátó (emittáló) anyag vastagságától, de függ a hőmérsékletétől, a geometriai viszonyoktól, a felület szerkezetétől, tulajdonságaitól.

A sugárzás minden törvénye a hősugárzásra is érvényes, tehát a hősugárzás valamennyi testre nézve jellemző, és az energiát minden test folyamatosan sugározza. Ez az energia egy másik testen vagy elnyelődik (emittálódik), vagy visszaverődik (reflektálódik), vagy áthalad (transzmittálódik). Amennyiben a testre érkező energia teljes egészében elnyelődik, úgy abszolút fekete testről, ha visszaverődik, akkor tükröző testről (abszolút fehér), ha áthalad, úgy abszolút átbocsátó (átlátszó) testről beszélünk.

A hő a termodinamika második főtétele szerint mindhárom esetben önként, mindig a nagyobb hőmérsékletű hely felől a kisebb hőmérsékletű hely felé vándorol, hőveszteséget okozva. A hőveszteség az a jelenség, amikor két, eltérő hőmérsékletű közeg (pl. egy lakás fűtött légtere, ill. a külső levegő) hőt cserél. Az őket elválasztó (szigetelő) anyag hőszigetelő képessége ezen átáramló hő mennyiségét befolyásolja. Minél jobb hőszigetelő képességei vannak, annál kevesebb lesz a nagyobb hőmérsékletű közeg felől az alacsonyabb felé eltávozó energia, vagyis annál kisebb lesz a hőveszteség.

Számos jelét tapasztaljuk, hogy az építészet a 21. század elején jelentős változásokon megy keresztül. Ennek legfőbb oka, hogy az emberiségnek tudomásul kellett vennie, hogy fosszilis energiahordozó-készleteink (kőolaj, földgáz, szén) fogytán vannak, napról napra egyre kevesebb van belőlük.

Ezek a növényi és állati maradványokból keletkező, levegőtől elzárt bomlás során létrejött energiahordozók napjainkban is keletkeznek, azonban mégsem tekinthetők megújuló energiaforrásnak, ugyanis képződésük rendkívül lassú folyamat, az emberiség pedig sokkal gyorsabban feléli őket. Gondoljunk csak arra, hogy az évmilliók során felhalmozódott készleteket mindössze néhány száz év alatt sikerült felemészteni.

Az is igaz, hogy folyton fedeznek fel új lelőhelyeket és a technológia fejlődésével olyan készletek is hozzáférhetők, amelyek kitermelése évtizedekkel ezelőtt gazdaságtalan, vagy egyenesen lehetetlen lett volna. Ezzel azonban csak kismértékben lehet húzni, halasztani az energiaforrások kimerülését, ugyanis azt is számításba kell venni, hogy emberiség energiafogyasztása az ipari forradalom kezdete óta megállíthatatlanul nő, és a második világháború befejezése óta még intenzívebbé vált. Megállapíthatjuk, hogy exponenciális függvényhez hasonlatos. Leszögezhetjük tehát, hogy mindenképpen egy véges mennyiségről van szó, ami előbb-utóbb el fog fogyni.

Ha az elmúlt évtized németországi statisztikáit alapul véve az energiafelhasználást gazdasági ágazatokra lebontjuk, észrevehető, hogy a háztartások által felhasznált energia a teljes energiafelhasználás legnagyobb hányadát (29%) teszi ki, még az ipar és a közlekedés is valamelyest elmarad tőle. Azt is megfigyelhetjük, hogy egy átlagos háztartás energiafogyasztásának túlnyomó részét (75,8%) a fűtési energia jelenti, a többi (világítás, elektromos berendezések, főzés, meleg víz, informatika és telekommunikáció) ehhez képest elenyésző.

Fenntarthatóság és gazdaságosság szempontjából természetesen minden szektorban kívánatos az energiafelhasználás csökkentése. Háztartások tekintetében ez a kívánalom az építészek számára is számos feladatot jelent, hiszen az építésztervezőnek is fontos szerepe van abban, hogy milyen lesz a leendő épület energiafogyasztása. Az építész számára több eszköz és lehetőség is kínálkozik épületeink energiafogyasztásának csökkentésére, amelyek közül az egyik kézenfekvő megoldás – a megújuló energiaforrások és a természetes építőanyagok (bio építőanyagok) használata mellett – az épületek megfelelő és szakszerű kül- és beltéri hőszigetelése.

Hőveszteségek mértéke

Ugyan egyes források más-más értékeket adnak meg, és nyilvánvalóan nincs két egyforma lakóépület sem, azonban kijelenthető, hogy egy átlagos, hőszigeteletlen lakóépület külső falszerkezetén a teljes hőveszteség 30-40%-a, talajon fekvő padlóján 10-15%-a, a kéményen keresztül 10%-a, tetőszerkezetén 20-25%-a, a nyílászárókon keresztül pedig 20-30%-a jelentkezik. Természetesen ezek az értékek egy idealizált, elméleti esetre értendők, hiszen a földrajzi elhelyezkedés, az alkalmazott anyagminőségek, az építészeti kialakítás, az épület geometriája és tagoltsága, a tájolás, a fűtésmód és az üvegezett felületek mennyisége és aránya jelentősen befolyásolhatják.

Épületeink hőszigetelésével az épülethatároló szerkezeten átáramló hőmennyiség és egyúttal az épület teljes hővesztesége is csökkenthető, miáltal jelentős mennyiségű fűtési energia takarítható meg. Ezért érdemes megfontolni meglévő épületeink utólagos hőszigetelését is. Természetesen komplett rendszert vizsgálva – mely jelen esetben a lakóépületeket jelenti – tovább csökkenthető a hőveszteség a lábazat, a talajon fekvő padló, a beépített padlástér és a zárófödém hőszigetelésével, valamint korszerű nyílászárókkal.

1.1. ábra. A világ primerenergia-felhasználásának alakulása az ipari forradalomtól napjainkig

1.2. ábra. A fosszilis energiahordozók árának alakulása a második világháború óta

1.3. ábra. A gazdasági ágazatok energiafelhasználásának aránya

1.4. ábra. Egy átlagos német háztartás energiafelhasználásának megoszlása

Hőszigetelés célja

Hőszigetelés alkalmazásával nagymértékben csökkenthető a fűtési energiaigény, ami egyrészt az épület fenntartási költségeinek, másrészt a kibocsátott üvegházhatású gázok mennyiségének csökkenését vonja maga után. Megfelelő hőszigeteléssel a légtechnikai berendezések üzemeltetésére fordított energia is csökkenthető, hiszen a jól hőszigetelt épület nyáron nehezebben melegszik fel, ezáltal kevesebb a hűtési energiaigénye is.

A hőszigetelés fontosságát az is indokolja, hogy épületeinknek rendeltetési céljuk szerint számos követelménynek kell megfelelniük. Magyarországon ezeket az országos településrendezési és építési követelményeket megfogalmazó, többször módosított 253/1997. (XII. 20.) Korm.rendelet tartalmazza. Ezek közül a legfontosabbak az állékonyság és a mechanikai szilárdság, a tűzbiztonság, a higiénia, az egészség- és a környezetvédelem, a biztonságos használat és akadálymentesség, a zaj és rezgés elleni védelem, az élet-és vagyonvédelem, valamint az energiatakarékosság és hővédelem, és a természeti erőforrások fenntartható használata.

Komfortérzet

Jogszabályi szinten is előírás tehát, hogy épületeinkben biztosítsuk a benne tartózkodó és abban valamilyen tevékenységet végző emberek számára a megfelelő komfortérzetet. Ehhez a komfortérzethez hozzátartozik a kellemes hőérzet is, amit egyaránt befolyásol a levegő hőmérséklete és páratartalma.

1.5. ábra. Egy átlagos lakóépület hőveszteségeinek megoszlása

Komfortérzet szempontjából magyarországi klimatikus viszonyok között alapvetően két időszak különböztethető meg, a téli és a nyári. Az épülethatároló szerkezetek feladata mindkét időszakban ugyanaz, vagyis a külső és belső tér közti hőmérséklet-különbséget fenntartsák minél kevesebb energiával. Ez téli állapotban a belső tér túlzott lehűlésének, nyári állapotban a túlzott felmelegedésének megakadályozását jelenti.

Az épülethatároló szerkezetek anyagi tulajdonságaiktól függően különböző mértékben akadályozzák a szerkezeten keresztüli hőáramlást. A legtöbb épülethatároló szerkezet egyúttal tartószerkezeti funkciót is ellát, így ezek általában nagy szilárdságú, tömör anyagok, melyeknek általában viszonylag rossz a hőszigetelő képessége, és csak túlzott vastagságban képesek megfelelni napjaink hőtechnikai előírásainak.

Mindebből az következik, hogy a tartószerkezeti funkciót is ellátó tömör épülethatároló szerkezeteik önmagukban nem tudnak eleget tenni a hőszigetelési elvárásoknak, így a szükséges hővédelem megoldása érdekében olyan épületszerkezeti réteg kialakítására van szükség, amellyel megoldható az épülethatároló szerkezet megfelelő hőszigetelő képessége.

Erre a feladatra kiválóan alkalmas a teherhordó falak külső oldalára készülő homlokzati hőszigetelő rendszer, könnyűszerkezetes épületeknél a falváz közé helyezett hőszigetelés, alulról vagy felülről hűlő födémek (pincefödém, padlásfödém) rétegrendjébe integrált hőszigetelő réteg, valamint magastetők esetében a szarufák között, fölött vagy alatt elhelyezett hőszigetelés.

Épületek energetikai jellemzői, törvényi szabályozás

Az építészetben lezajló változások egyik legfontosabb eredménye, hogy számos nyugat-európai országhoz hasonlóan Magyarországon is megszületett az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról szóló, többször módosított 7/2006. TNM rendelet. Lényeges változás, hogy az egyes épülethatároló szerkezetek hőátbocsátási tényezőinek követelmény értékeit a korábbiakhoz képest szigorította, a későbbi módosítások során pedig fokozatosan szigorította (pl. külső falak esetében 2006-ban még 0,45 W/m²x K-ben határozta meg, 2015-től már 0,24 W/ m²x K van érvényben).

Viszont azonkívül, hogy az egyes határoló szerkezeteknek ki kell elégíteniük az alacsonyabb hő átbocsátási tényező értékeket, az ezek alapján számított teljes épület fajlagos hőveszteség tényezője sem haladhat meg egy előírt értéket. Mindezeken túl az épület teljes energetikai mérlegét is el kell készíteni, s az ebből számított összesített energetikai jellemzőnek is egy adott határértéken belül kell maradnia.

A rendelet legfontosabb eredménye viszont nemcsak a betartandó hőátbocsátási tényezőre, fajlagos hőveszteség-tényezőre és összesített energetikai jellemzőre vonatkozó határértékek előírása, ill. szigorítása, hanem jogszabály létrejötte, hiszen a korábbi előírásokat csupán nemzeti szabványok tartalmazták, amelyek köztudottan csak ajánlás jellegűek voltak.

Klímaváltozás

Nemzetközi téren 2008-ban fontos megállapodás született. A klímaváltozás elleni küzdelem jegyében az Európai Unió egy átfogó klíma- és energiacsomagot hagyott jóvá (20-20-20 integrált energia-klíma stratégia), amely konkrét célokat tűzött ki: 2020-ig 20%-kal növelni kell az energiahatékonyságot, teljes energiafogyasztásunkban 20%-ra kell növelni a megújuló energiaforrások arányát, továbbá az 1990-es szinthez képest 2020-ra 20%-kal kell csökkenteni a károsanyag-kibocsátást.

Azonban nem csak jogi szabályozások és gazdaságossági megfontolások késztetnek minket épületeink energiafogyasztásának csökkentésére. A pusztán anyagi megközelítésen túlmenően gondolnunk kell környezeti értékeinkre is, ami jelen esetben lakhelyünket, a Földet is érinti. Az energiafogyasztás környezetszennyezéssel jár, ugyanis a felhasznált energia jelentős részét fosszilis energiahordozók (szén, kőolaj, földgáz) elégetéséből nyerjük, amelynek következtében üvegházhatású gázok (főleg C0₂) kerülnek a légkörbe.

Összegzésképpen megállapíthatjuk, hogy mind gazdaságossági, mind környezetvédelmi szempontból különösen fontos feladat épületeink külső határoló felületeinek hőszigetelése, hiszen ezeken a felületeken keresztül realizálódik épületeink hőveszteségének jelentős hányada.

Diszpergálás: latin eredetű szó, felaprítást és szétoszlatást jelent.

Diszperzió: ha egy anyagban, az ún. diszperziós közegben apró részecskékre szétoszlatunk egy másik anyagot, akkor diszperziót kapunk. A diszpergálás felaprí­tást, szétoszlatást jelent. A szétoszlatás történhet 1-500 μm méretű ún. kolloidális mé­retű részecskékre, ez esetben kolloid rendszerekről beszélünk. Ha a diszperz részecskék mérete ennél nagyobb, akkor durva diszperz rendszerekről van szó.

A diszperziók néhány fajtája:

[table id=374 /]

Duplex rendszer: vasfelületek dupla védelme, katódos védelmet nyújtó cinkbe­vonattal és festékbevonat-rendszerrel.

Elektrolit oldatok: az elektromos áramot jól vezető, elektromos töltéssel rendel­kező ionokat tartalmazó lúg-, sav- vagy sóoldatok.

Emulzió: ha egy folyadékot egy másik folyadékban, amellyel nem elegyedik, pa­rányi (kolloidális méretű) részecskék formájában egyenletesen szétoszlatunk, akkor emulziót kapunk.

Fluátozás: felület előkezelő eljárás cement és mészcement kötőanyagú felületek (beton, vakolatok) részére, amely csökkenti a felület lúgosságát és tömíti a felület pó­rusait.

Galvánelem: Két különböző fém elektrolittal való érintkezése során a két fém kö­zött elektromos feszültség jön létre, és a két fém (anód, katód) rövidre zárásával áramforrás azaz elem keletkezik.

Homogenizálás: azonos vagy különböző halmazállapotú keverékek alkotórészei­nek összedolgozása aprítással, keveréssel, dagasztással vagy a részecskék egymáshoz való viszonylagos elmozdulását előidéző egyéb művelettel, továbbá az emulzió cseppjeinek aprítási folyamata kolloidális méretűekké (Kis kémiai szótár, Gondolat, Buda­pest, 1972)

Kapilláris: 1 mm-nél kisebb átmérőjű hajszálcső, pórus vagy hézag.

Kaucsuk: egy rugalmas, gumiszerű anyag. A természetes kaucsukot a latexből ál­lítják elő. Szintetikus kaucsuk a gyűjtőneve a tulajdonságaiban a természetes kau­csukhoz hasonló mesterségesen előállított anyagoknak.

Kontakt ragasztás: egy ragasztási módszer. A ragasztót filmszerűen mindkét ra­gasztandó felületre fel kell vinni, majd meg kell várni az oldószer elpárolgását. Ezután a két felületet össze kell illeszteni, majd nagy erővel össze kell nyomni.

Korrózió: A fémeknek az a hátrányos tulajdonsága, hogy a levegővel és nedves­séggel érintkezve oxidálódnak, elektrokémiai folyamatok útján tönkremennek.

Latex: a gumifa tejszerű nedve.

Műgyanta diszperzió: különféle nagyságú műgyanta részecskéket tartalmazó vi­zes szuszpenziók. Szuszpenzióról akkor beszélünk, ha egy folyadékban szilárd anya­got keverünk el.

Oxidatív száradás: száradó növényi olajok és ezeket nagy mennyiségben tartal­mazó alkidgyanták 0,1 mm-nél vékonyabb rétegben felhordott filmbevonatának szára­dása, amely során a levegő oxigénjeinek felvételével polimerizációs folyamat útján megszárad a film.

Passziválás: általában a fémek vagy leggyakrabban a vas korróziójának, rozsdá-sodásának megakadályozását passziválásnak nevezzük.

Páradiffúzió: páravándorlás nagy porozitású anyagokban, pl. falban.

Polimericázió: nagy molekulájú (polimer) vegyületekben kismolekulájú (mono­mer) vegyületekből való képződési folyamata, amelyben a polimer összetétele a mo­nomer sokszorosának felel meg. A polimericázió során leginkább kettős kötések bomlanak fel láncreakció során, és nem keletkezik melléktermék. A polimer általában csak szénatomokat tartalmaz.

Polikondenzáció: nagy molekulájú vegyületek (polikondenzátum) keletkezése kismolekulájú vegyületek kémiai reakciója során melléktermék, leggyakrabban víz keletkezése közben.

Poliszacharid: a nagy molekulájú szénhidrátok gyűjtőneve.

Porozitás: azt fejezi ki, hogy egy adott test vagy anyag térfogatának hány százalé­kát alkotják a pórusok, lyukak, üregek, hajszálcsövek.

Szikkatívok: fémtartalmú szárító adalékok, amelyek a száradó növényi olajok és az ezeket tartalmazó alkidgyanták oxidatív száradását gyorsítják.

Tapadószilárdság: a festékeknek, bevonatoknak, ragasztóanyagoknak az alapból történő mechanikus eltávolításához erőt kell kifejteni. Minél nagyobb egy bevonat, ra­gasztóanyag tapadószilárdsága, annál nehezebb eltávolítani.

Tenzid: olyan vegyületek gyűjtőneve, melyeknek molekulája tartalmaz poláris és apoláris csoportokat is. Ezáltal a tenzidek képesek olajos anyagokat vízben diszpergálni.

Tixotrópia: bizonyos folyadékok, festékek azon tulajdonsága, hogy nyugalmi ál­lapotban megnő a viszkozitásuk, gélessé, sűrűnfolyóvá válnak, és mechanikai hatásra (rázás, keverés, ecsetelés stb.) elfolyósodnak viszkozitásuk csökken, majd állás után ismét kocsonyás géllé merevednek.

UV-sugárzás: a Földet a Napból érő 400 nm-nél kisebb hullámhosszúságú fény.

Uretán: ha egy izocianát hidroxil-csoportot tartalmazó vegyülettel reagál, a két vegyület összekapcsolódik, és uretán kötés jön létre: R1-N=C=O + HO-R2( R1-NH-C- OO-R2)

Viszkozitás: a folyadékok azon tulajdonsága, hogy a bennük lévő folyadékrétege­ket egymáshoz képest mekkora erővel lehet elmozdítani. A méz viszkozitása magas, a vízé alacsony. A gyakorlatban a viszkozitást az anyag keverésekor észleljük.

Ebben a cikkben a leggyakrabban előforduló festékhibákat és alkalmazástech­nikai hiányosságokat tárgyaljuk amelyek beltéri festékeknél és kültéri festékeknél is előfordulhatnak..

Nem megfelelő fedőképesség

A fedőképességgel kapcsolatos problémákat a csekély rétegvastagság vagy az ala­csony pigmenttartalom okozza. A kis rétegvastagság oka a túlzott mértékű hígító ada­golás, az alacsony pigmenttartalom pedig annak tulajdonítható, hogy a festéket fel­használás előtt nem keverték fel eléggé.

Átvérzés

Világos színű festék felhordása után előfordulhat, hogy az alapozó színe „átvérzik”. Ennek oka az, hogy a fedőzománc hígítója feloldja az alapozó festék pigmentjeit, és azok a festékfilm felszínére úsznak. Ez akkor fordulhat elő, ha túl erős hígítót alkal­mazunk, illetve ha az alapozó nem száradt meg eléggé.

Mattulás és okai

Ha a festék túl szárazon kerül felhordásra – különösen szórás esetén – a festékfilm nem tud fényes felszínűvé terülni. Ha a festék száradása kismértékű szellőztetés mel­lett vagy anélkül történik, a hígító gőzei a festékfilmben maradnak. Ha nem megfele­lő bevonatrendszert alkalmazunk: pl. nem a fedőzománcnak megfelelő alapozó hasz­nálata, vagy a fedőzománc porózus felületre közbenső alapozó nélkül történő felhor­dása esetén a festékfilm beszívódik a felületbe.

Kétkomponensű poliuretán termékeknél, melynek térhálósítója izocianát alapú, szintén előfordulhat a fényesség csökkenése, melyet a lejárt szavatosságú térhálósító okozhat.

Homályosodás

Ez a jelenség nagyon hasonló a fényesség csökkenéséhez, és a kettőt gyakran össze­keverik. Oka, hogy gyorsan párolgó hígítót használnak alacsony hőmérsékleten vagy ma­gas relatív páratartalom mellett. A hígító gyors párolgása miatt a festékfilm felülete le­hűl, melynek következtében a levegő víztartalma lecsapódik a még nedves festéken. A homályosodás fehéres elszíneződés vagy fényességcsökkenés formájában jelentkezik.

Tapadási problémák

Kétféle tapadási problémát különböztetünk meg: a bevonatrendszeren belüli ta­padási problémák, illetve a felülethez történő tapadás. Az első esetben meg kell bi­zonyosodni arról, hogy elfogadott bevonatrendszerről van-e szó. A termékismerte­tők segítségével meg kell állapítani, hogy a különböző termékek festése „nedves a nedvesen” rendszerrel történhet-e, csiszolással vagy anélkül, illetve ellenőrizni kell az átfesthetőség minimális és maximális idejét.

Arról is meg kell győződni, hogy ned­ves csiszolás után a csiszolt kitt vagy alapozó megszáradt-e, ellenkező esetben ned­vességtől buborékok képződhetnek. A második esetben általában a tapadási elégte­lenség a nem megfelelő termék kiválasztására, illetve nem elégséges felülettisztítás­ra és/vagy előkészítésre vezethető vissza.

Színpontossági problémák

A szigorú minőségellenőrzés ellenére előfordulhat, hogy két sarzs-ban gyártott azonos színszámú termék színárnyalata enyhén eltér. Ha lehetséges, ugyanazon sarzs-ban gyártott dobozokat vásárolják a tökéletes színegyezőség érdekében.

Minden, de különösen a kültérben felhordott festék, idővel megfakul. Ezért, még ha ugyanazon sarzs-on belül gyártott színekről van is szó, a korábban felhordott fes­ték színe eltér a friss festékétől. Mindig meg kell győződni arról, hogy a festék alaposan fel van-e keverve a doboz­ban annak érdekében, hogy a legkisebb üledék is visszakeveredjen, és hogy ugyano­lyan legyen a festék színe a doboz alján, mint a tetején.

Zsugorodás

Erős zsugorodás a már nem nedves, de még nem eléggé száraz (kötött) bevonat át­festésekor fordulhat elő. Oka, hogy a már felvitt réteg részben feloldódik az új rétegben. Kisebb mértékű zsugorodás oka, hogy a festékfilm felülete megszárad, mielőtt az oldószer elpárologna. Ez leggyakrabban a túlságosan vastagon felhordott alkid festé­kek esetében fordul elő.

Csiszolási nyomok

A csiszolási nyomok jelentkezése elkerülhető, ha: Jó minőségű csiszolópapírt alkalmazunk, az olcsó papír „olcsó” minőséget ad. Fokozatos átmenet szükséges a durva csiszolópapírtól a finomig. Ha az átme­net nem megfelelő, a finom csiszolópapírral a mélyebb csiszolási nyomok nem szüntethetők meg.

Bőrképződés (bőrösödés)

Mivel az alkid bázisú festékek oxidatív úton száradnak, bőrképződés indulhat meg, ha a doboz nincs megfelelően lezárva. A bőrképződés elkerülhető, ha lefelé for­dítjuk a dobozt néhány másodpercig, mielőtt tároljuk. A már képződött „bőr” egybe­függően eltávolítható és a festék felhasználható.

A lakk „kiúszása”

Néha a frissen felbontott dobozban a festék tetején barnás folyadék látható. Ez nem hibás festékre utal, és megfelelő felkeveredés után az eredeti minőség visszaállítható.

Sűrített levegős eljárás

Elnevezése többféle: „hagyományos”, pneumatikus eljárásnak is mondják. Lénye­ge azonban a különböző elvek szerint elrendezett furatokon kiáramló sűrített levegő kinematkus energiája által létrejövő festékporlasztás. A fúvókák kialakításának két­féle megoldása létezik, a szívásra vagy nyomásra működő rendszerek.

A pisztolyok a festékanyag-ellátásuk szerint felső- vagy alsótartályosak lehet­nek. Léteznek körvezetékből csapoló állomáson keresztül működő vagy nyomótar­tályos konstrukciók is.

A sűrített levegős eljárás előnyei:

• a festendő munkadarabok formája és típusa igen változatos lehet;
• a nehezen hozzáférhető, tagolt munkadarabokat is lehet magas esztétikai igénnyel festeni;
• alacsony beruházási és üzemeltetési költségek;
• dekoratív rétegek kialakítása;
• a pisztolyok szórásképe jól szabályozható.

A sűrített levegős eljárás hátrányai:

• alacsony kapacitás;
• nagy hígítóigény a 18-30 Din 4 sec viszkozitás miatt;
• egy rétegben csak vékony filmréteg hordható fel;
• jelentős a szórási veszteség, a munkadarabra várhatóan a kiszórt festékanyag­nak csak 40-50 %-a jut;
• nagy környezetkárosító hatás a jelentős oldószerigény miatt;
• körülményes a festék előkészítés, a szűrés, a viszkozitás beállítása, szerszám­tisztítás;
• elszívás igény: száraz vagy nedves leválasztás, hulladék- és szennyvízkezelési feladatok adódnak.

A sűrített levegős porlasztás során a felületen buborékok képződhetnek, melyek korróziós csírapontok lehetnek. A híg anyagok használata megfolyásokat eredményezhet, emiatt a festőszakmun­kások nagy kézügyességére van szükség. A festék anyaga, a pigment átmérője, az anyag viszkozitása határozzák meg a meg­felelő fúvóka kiválasztását.

A sűrített levegős eljárások előnyeit megtartó új módszer a HVLP szórás. A mun­kadarabra várhatóan rákerülő festékanyag mennyisége egyes esetekben elérheti a 60-75%-ot. A nyomásigény csökkent 0,8-1,2 bar, a levegőfogyasztás megnőtt 1800-2200 li­ter/perc közé. A festékköd-szegény szórás hátránya azonban az alacsony kapacitás és a festék nagy hígítási igénye.

Airless (levegő nélküli) eljárás

Az Airless szórási eljárással az elektromotor meghajtású dugattyús szivattyú a rétegező anyagot az anyagtartályból felszívja és egy speciális fúvókán át kinyomja. A fúvókánál bekövetkező keresztmetszet-csökkenés létrehoz egy 210 bar-ig terjedő nyo­mást. Ez a rendkívüli nagy nyomás eredményezi a rétegező anyag mikrofinomságú porlasztását.

Mivel az elporlasztás során a levegőre nincs szükség, ezért nevezik ezt az eljárást Airless vagy levegőmentes szórási eljárásnak. Ez a módszer hozza magával az előnyeit is, ami a finom porlasztásból ered: a festékköd-szegény munkavégzést; tükörsima, buborékmentes felületet. Az előbbi előnyök mellett még rendkívüli nagy munkasebesség és könnyű kezel­hetőség jellemzi ezt a szórási eljárást.

A készülék működése

A berendezés egy levegő nélkül működő elektromotoros üzemű magasnyomású szórókészülék. A motortengelyen található az elektromágneses kuplung, amely a haj­tóerőt egy cikloid hajtóművön át az excenter tengelyre viszi át.

Az excenter tengely mozgatja az anyagszállító szivattyú dugattyúját le és föl. A fel­felé irányuló mozgás közben a bemenőszelep kinyílik, és a feldolgozandó anyagot fel­szívja a dugattyú. A lefelé irányuló mozgás közben a kimenőszelep kinyílik, és a fel­dolgozandó anyagot nyomás alatt a szórópisztolyhoz szállítja.

Alkalmazási területek felsősorban nagy felületeken):

• glettelés,
• beltéri falfesték felhordása,
• favédelem,
• korrózióvédelem (nehéz korrózióvédelem is),
• homlokzatfestés
• zománcozás (acélszerkezeteknél vagy ajtólapoknál),
• lakkozás.

Alkalmazható anyagok:

Vizes bázisú vagy oldószeres termékek egyaránt: glettek, falfestékek, lazúrok, alapozók, zománcok, lakkok.

Melegszórás

A környezetünk fokozott kímélésének szempontjai, a festékanyag felhasználási hatásfokának növelése, az illékony oldószer felhasználásának csökkentése számos olyan speciális technológiát hozott létre, amelynek porlasztási elve hasonló, de va­lamilyen más elv kombinációját is alkalmazzuk egyidejűleg. A festékanyag melegítésével is el lehet érni a porlasztáshoz szükséges viszkozi­tást.

A felhasználó számára a következők az előnyök:

• festék és oldószer megtakarítása;
• javul a festett bevonat minősége;
• a szórást követő tisztítási, takarítási műveletek igénye csökken;
• alacsonyabb nyomástartomány alkalmazása miatt csökken a berendezés kopá­sa, nő a fúvóka élettartama;
• nő a festés kapacitása.

Nem minden festékanyag alkalmas a melegítésre, az eljárás a paraméterek betar­tására fokozottan érzékeny. A porképződésre alkalmas anyagok feldolgozásánál a technológia műveleteinek sorrendjére ügyelni kell. Különösen a vizes bázisú festék­anyagok érzékenyek a paraméterek betartására.

A minőség biztosításához szükséges technológiai lépések közé tartozik mintale­mezek és bevonatok készítése, amely egyébként minden festési technológia rögzíté­sénél javasolt, a melegszórás paramétereinek (nyomás, tárgyhőmérséklet, festékhő­mérséklet, fúvókaátmérő, szóráskúp, rétegvastagság) meghatározása során igen fon­tos, el nem hagyható művelet.

Elektrosztatikus festékszórás

Az elektrosztatikus szórás során a kiszórandó anyagot a szórópisztoly csúcsában corona elven elektromosan feltöltik, miközben a festendő munkadarab ellentétes po­tenciálon van. A festékrészecskék az elektromos erőtér vonalait követve kerülnek a munkadarabra, illetve annak a környezetébe.

Az elektromos erőtér hatása a következő tényezőktől függ:

• A szórópisztoly feszültsége a munkadarabtól megfelelő távolságban 30-60 kV.
• A szórás távolsága általában 20-25 cm.
• A kiszórt festék mozgási energiája nem térítheti le a szemcséket az erővonalak­ról.
• A szórandó festék elektromos vezetőképessége meg kell, hogy feleljen az elek­trosztatikus feltölthetőségnek.
• A szórandó felület felépítése, formája, geometriája meg kell, hogy feleljen a lé­tező Faraday-effektus mozgást eltérítő hatásának.
• A munkadarab mindig földpotenciálon kell, hogy legyen, és ennek meglétét re­teszfeltételként ellenőrizni kell.
• A szórási környezetben 0,3-0,5 m/sec sebességű levegőelszívást kell biztosíta­ni, ennek megléte szintén reteszfeltétel kell, hogy legyen.
• Fokozottan kell figyelni az anyagok, oldószerek, tűz- és robbanásveszélyére, gyúlékonyságára vonatkozó gyártói előírásokra.

Elektrosztatikus centrifugális porlasztás

Ebben az eljárásban a festéket egy 8000-60 000 fordulat / perc fordulatszámú tá­nyér vagy harang közepébe táplálják. A centrifugális erő hatására a festék a tányér pe­remére kerül, ahol rendkívül finom részecskékre hullik szét, és feltöltődik. Kis támasztó levegőt használva ez a festékköd irányítható, amivel egy igen magas, 90 % körüli anyagkihozatal érhető el.

Kétkomponensű festékek szórása

Az oldószer mentes epoxi és poliuretán festékbevonatok bevezetése során alakí­tották ki a gyártók a kétalkotós anyagok feldolgozására tervezett berendezéseket, ahol szobahőmérsékleten 10-30 perc alatt megtörténik a térhálósodás. Ezek a termékek igen sűrűek, viszkózusak ahhoz, hogy ésszerű nyomás mellett kellőképpen porlaszthatok legyenek.

Az anyagokat külön szivattyú megfelelően beállított keverési arány szerint szállít­ja a keverőcsőbe, ezután jut a pisztolyba a porlasztandó keverék. A rendszerek általában öblítő szivattyúval is felszereltek, így rövidebb üzemszünet alkalmával a berendezés azonnal kimosható. Egy jól megtervezett bevonati rendszer létrehozása történhet az előző eljárások speciális kombinációival, így léteznek például kétkomponenses HVLP szórások, AIR-COAT melegszórás és hasonló megoldások.

A technológiák bármelyikére azonban vonatkozhat a festékanyagáramba tervezett szűrések fontossága. A kiválasztott fúvókának megfelelő szűrés a szívóágban kezdő­dik, majd finomodó nyomóági szűrésen halad az anyag a pisztolyig, ahol annak mar­kolatában helyezkedik el a fúvókához igazodó legfinomabb szűrőbetét. A szűrés gon­dos tervezése minőségjavító tényező, mert a fúvóka eltömődésekor előforduló anyag­kimaradások egyértelműen felületi hibák forrásai lehetnek.

A megfelelő fúvóka kiválasztása

Abból a célból, hogy egy ésszerű és kifogástalan műveleti eljárást tudjunk elérni, a fúvóka kiválasztása nagy fontosságú. Sok esetben a helyes fúvóka csak szórási kí­sérlet alapján határozható meg.

Néhány szabály a kiválasztáshoz:

A szórási sugárnak egyenletesnek kell lennie. Ha a szórási sugárban csíkok jelennek meg, a szórási nyomás túl alacsony vagy a bevonati anyag viszkozitása túl magas.

Javító módosítás: a nyomást kell növelni vagy a bevonati anyagot hígítani. Minden szivattyúnak meghatározott szállítási teljesítménye van a fúvókaméret függvényében:

Alapvetően érvényes:

• nagy fúvóka = alacsonyabb nyomás
• kis fúvóka = nagyobb nyomás
• Különféle szórási szögértékű és méretű fúvókák állnak rendelkezésre.

Airless-keményfém fúvókák karbantartása és tisztítása

Ezek a fúvókák nagyobb pontossággal megmunkált furattal rendelkeznek. Egy kí­méletes kezelés szükséges annak érdekében, hogy egy hosszabb élettartamot lehes­sen elérni. Arra kell gondolni, hogy a keményfém-betétes rideg fúvókát sohasem sza­bad dobálni vagy éles fémtárggyal kezelni.

Az alábbi pontokat kell figyelembe venni abból a célból hogy a fúvókát tisztán és üzemkész állapotban lehessen tartani:

1. Készüléket kikapcsolni „0” (ki).
2. A szórópisztolyról a fúvókát leszerelni.
3. A fúvókát megfelelő oldószerbe kell helyezni mindaddig, míg minden bevonati anyagmaradvány leoldódik.
4. Ha a sűrített levegő rendelkezésre áll, a fúvókát ki kell fúvatni.

Belső feltöltésű hengerező készlet

A hengerező készlet maximum 250 bar nyomással terhelhető. A hengerező készlet használata ott ajánlott, ahol az AIRLESS szórás – egyébként minimális – környezetszennyezése sem megengedett vagy a szórt felületminőség nem elfogadható. A hengerező készlet használatával egyenletes festék-felhordás lehetséges, és lényegesen termelékenyebb a hagyományos hengerezési eljárásnál.

További tanácsok festékszóró használatához>>

Kiegészítő eszközöknek nevezzük a munkafolyamatok során használt olyan eszkö­zöket és anyagokat, amelyeket az előkészítésnél, a felhordás, illetve bevonás során, vagy azt követően használunk, az anyagok közvetlen felhordásában azonban nem vesznek részt.

Ragasztószalagok

A munkavégzés előtti takarásoknál, ívek élek kialakításánál, padlószőnyegek rögzítésénél használatosak a ragasztószalagok. Több változatuk ismert. Általánosan elmondható, hogy e termékek legalább két rétegűek, hordozórétegből és az erre fel­vitt ragasztóanyagból állnak. Leginkább hordozórétegük anyaga szerint csoportosít­juk őket.

Papír ragasztószalagok

Papír ragasztószalagokat használunk a festés előtti takarásoknál, oly módon, hogy a takaráshoz használt fóliát rögzítjük a szalaggal, vagy pedig oly módon, hogy a festeni nem szándékozott felületet takarjuk, például nyílászáró és fal talál­kozásánál.

E termékek nem UV állóak, azaz a napsugárzás károsítja őket, éppen ezért csakis beltéri felhasználásuk javasolt, és ragasztómaradványok nélkül a felragasztást követően csak néhány napon belül tá­volíthatók el!

• Sima felületű szalagot használunk a hígfolyós anya­gok felvitelénél, valamint minden olyan munkálatnál, ahol egyenes élek festése követelmény.
• A krepp szalag jól nyújtható, ezt főként ívek takarásánál alkalmazzuk.
• Hőállóság szerint ismertek a 60 °C-ig, a 80 °C-ig, illetve a 120 °C-ig hőálló ragasz­tószalagok. Ez utóbbiakat főleg az autófényezők használják. Hőállóság a 120 °C-os szalag esetében 30 percig, minden más esetben 60 percig értendő.
• A ragasztóanyag minősége, valamint a szalagok papírvastagsága lényegesen be­folyásolja a termékek árát és használati értékét. Igényes felhasználóként természetes ­vagy műkaucsuk ragasztóanyaggal készült, legalább 0,11 mm vastag szalagot alkal­mazzunk, így megfelelő minőséget garantálhatunk megbízónk számára.

A következő táblázat szemlélteti a megfelelő használati értékkel rendelkező szala­gok tulajdonságait:

[table id=371 /]

Műanyag ragasztószalagok

A műanyag ragasztószalagokat, (építményragasztó-, vakolat-szalag) alkalmazzuk a kültéri munkavégzés során. E termékek PVC hordozóanyaggal rendelkeznek.

A napsugárzás elleni védelemként UV-stabilizátort tartalmaznak, ezért hetekig is károsodás nélkül viselik az igénybevételt. Felragasztásuk – eltávolításuk +5 °C felett történjen, egyébként -5 °C és +70°C között hőállóak.

Speciális ragasztószalagok

Ide tartoznak a kétoldalú ragasztószalagok, amelyeket szőnyegek, szőnyegpadlók rögzítésére használunk, de ismerünk még szőnyegszegély ragasztó- és szerelőszalagot is. E termékek minőségét a hordozóanyag és a ragasztó határozza meg. A legolcsóbbak hordozóanyaga fóliacsík, az igényesebb minőségű termékeknél textil- vagy habanyagot alkalmaznak. Az alumínium, vagy alumínium bevonatú szalagokat párazáró szalagként az épületek hőszigetelésénél alkalmazzuk.

1. Jól használhatók a maszkoló szalagok, amelyek takarófólia vagy papír, illetve ragasztószalag együttes alkalmazásával létrehozott, főként takarásra használatos segédanyagok.
2. Az öntapadó repedészáró szalagot kisebb hajszálrepedések, lyukak átragasztására használjuk, ezt követően egyszerűen átfestjük. A rugalmas fátyol jól felveszi a felületek mozgásait és megszünteti a hajszálrepedéseket.
3. Ugyancsak öntapadó a rácsos szalag is, amelyet a hajszálrepedéseknél nagyobb hézagok, gipszkarton illesztések során alkalmazunk. Ezek már vastagabb, szabályos négyzetrácsozatú szalagok, ezért a festés előtt glettelési vagy gipszelő munkálatok végzése indokolt.

Takaróanyagok

Szakmánkban a takaróanyagok jelentősége egyre nagyobb. Egyre több megbízó kér a munka átadásakor tiszta munkaterületet. A kivitelezés során a felületek tisztán tartása lényegesen egyszerűbb és olcsóbb, mint azok utólagos tisztítása.

E célra leginkább egyszer használatos takarófóliát és takarópapírt használunk. A többször felhasznált anyagok legnagyobb hátránya, hogy az egyik munkánk megszáradt festékét a következőn pergetjük le a takarás során. A takarópapír használata a magasabb ára miatt kevésbé elterjedt, de tudnunk kell, hogy ez a leginkább környezetkímélő megoldás, a papírtekercsek legtöbbször újrahasznosított alapanyagokból készülnek.

A takarófóliák alapanyaga a polietilén. A környezetbarát műanyag káros anyagok keletkezése nélkül semmisíthető meg, az élelmiszeripar is előszeretettel alkalmazza. Az általunk használt fóliák leginkább elsődlegesen készített, fehér, áttetsző anyagok, de egyre ismertebbek és kedveltebbek az újrahasznosított fóliák is, amelyek lényegesen olcsóbbak, hátrányuk, hogy színesek és nem áttetszők.

Az általunk használt fóliák vastagsága 7 μm – 100 μm (mikron), azaz 0,007 – 0,1 mm közötti, mérete általában 20-100 négyzetméter. 40 – 50 mikronnál nagyobb vastagság esetén beszélünk járható, illetve létrázható fóliáról.

A fóliák egy különleges fajtája az öntapadó fólia. E termék a legutóbbi évek ipari fejlesztésének eredménye, hazánkban még igen ritkán alkalmazzák. Főképpen nyílászárók, és más üvegfelületek festésénél használatos. A védendő felületre egyszerűen tapad, onnan a festést követően könnyedén, maradványok nélkül távolítható el.

Csiszolóanyagok és -eszközök

A csiszolóanyagokat a felületi egyenetlenségek simítására használjuk. A munkálatokat kézzel, vagy csiszológépekkel végezzük. A kézi csiszoláshoz is használunk eszközöket, különböző minőségű csiszolótuskók formájában. A munkavégzés során nedves és száraz csiszolási eljárás ismert.

A száraz csiszolást főképpen fán, fémen, tapaszolt és festett alapokon használjuk. Cél a felület kiegyenlítése, a rozsda, vagy a régebbi festékrétegek eltávolítása. A nedves csiszolási eljárás a festett felületek esetén és a járműfényezésnél használatos. A nedves csiszolás során nem keletkezik por, a csiszolópapír nem tömődik el, igen finom csiszolat érhető el. A csiszolóanyagok formája rendkívül változatos, készül lapban, tekercsben, végtelenített szalagban, korongban egyaránt.

Használunk papírokat, vásznakat, csiszolószivacsokat, eltérő finomságú dörzs-csiszolókat, sőt olykor még fémgombolyagot, ún. „acélgyapjút” is. Ez utóbbi termé­kek még kevéssé ismertek, de komoly használati értékkel bírnak. Mindegyik eltérő finomságban készül, akár a csiszolópapírok, a finomság jelölése legtöbbször a cso­magoláson történik.

A vásznak és a papírok esetében a csiszolószemcséket valamilyen kötőréteg segít­ségével rögzítik a hordozóanyaghoz. A csiszolóanyagok egyik csoportosítási formája is a fenti ismérvek szerint történik: A csiszolószemcsék természetes (pl. kvarc, homok) vagy mesterséges eredetű (pl. alumínium-oxid, vagy szilícium-karbid), eltérő keménységű részecskék. Az egy­ségnyi felületre juttatott szemcsék száma és mérete szerint határozzuk meg a csiszo­lóanyag finomságát.

[table id=372 /]

A kötőréteg rögzíti a szemcséket a hordozóanyaghoz. Legelterjedtebb anyagai a csontenyv és a műgyanta. A csiszolási eljárás típusa (azaz nedves, vagy száraz papír gyártásáról van-e szó) meghatározza az alkalmazott kötőanyagok fajtáját is. Nedves csiszolópapírok előállításánál a például a műgyanta kötőréteget alkalmazzák. A rög­zítési eljárások közül ismert a mechanikus és az elektrosztatikus szórás.

Az előbbi során osztályozott méretű szemcséket egyenletesen szórnak a ragasztóanyagba, az utóbbinál elektromos térerő vonzásának hatására „szippantják” fel a szemcséket a még képlékeny rétegbe. Az elektrosztatikus eljárás biztosítja az egyenletesebb csi­szoló felületet, mert szemcsék azonos módon, csúcsukkal kifelé ágyazódnak a ra­gasztóanyagba. A hordozóréteg alapanyaga lehet papír, vászon, vagy fíber, de alkalmazzák a sziva­csot is, ez utóbbi a csiszolószivacsok formájában terjedt el.

A papírt mind a száraz, mind a nedves csiszolók esetében alkalmazzák, a vászon csak száraz csiszolók alapanyaga, a fíber pedig a gépi csiszolásnál használatos csiszo­lókorongok hordozója. Szakmánkban a papír a legelterjedtebb, a túlnyomórészt kézzel végzett munkálatok ideális hordozója a D és E papír. A vastagságot a papír 1 m²-re jutó súlya alapján csoportosítjuk, eszerint az „A” súlya 70 g/m², az „E” pedig kb. 220g/m².

[table id=373 /]

Egyéb kiegészítők, amelyeket mind a festés, mind a tapétázás folyamán használhatunk

• A keverőszárakat az egymástól elkülönült festék összetevők ismételt elegyítése céljából alkalmazzuk. A keverést egy pálca, festékkeverő alkalmazásával, kézzel, vagy fúró- illetve keverőgép felhasználásával gépi úton végezzük. A keverőgépekről annyit kell tudnunk, hogy ezeket kifejezetten ilyen célokra fejlesztették ki, és azok sokban különböznek a fúrógépektől! Motorteljesítményük és nyomatékuk nagy, alacsony, 500 – 600 percenkénti fordulaton üzemelnek, kialakításuk is a keverési céloknak megfelelő. Ipari változataik alkalmasak habarcs, illetve beton vödörben történő megkeverésére is. Az ilyen gépek keverőszárai kiegyensúlyozottak, működtetés közben még csak nem is „ütnek”. Felhasználási területeik szerint, festék-, gipsz- vagy betonkeverés, többféle keverőszárral használhatók.
• A kinyomó pisztolyokat speciális tubusban forgalmazott tömítő- és szigetelőanyagok kijuttatásához használjuk. Rendkívül széles a választék, a legolcsóbb változatok már egy jó minőségű 50 mm-es laposecset áráért beszerezhetők, míg a legjobb, ipari kivitelű pisztolyokért ennek az árnak a 25-szörö-séért juthatunk hozzá.
• A drótkeféket főképpen a fémfelületeken, ritkábban fa- és falfelületeken használjuk, a képződött rozsda, pergő festékek és szennyeződések eltávolítására. Eltérő vastagságú acél – olykor rézhuzalból készül, 2-5 soros dróttal, a felhasználási módozatoktól függően. Ismert rozsdamentes változata is.
• A gipszelő edények használata nagyban megkönnyíti a gyorsan kötő anyaggal végzett munkánkat. A viszonylag puha gumiból vagy lágy mű-anyagból készített edényekből a rákötött gipszet egy-két mozdulattal, maradvány nélkül kipergethetjük.
• A kaparóeszközöket, nyíró spatulyákat a felületek kiegyenlítése, az azokon lévő szennyeződések eltávolítása céljából alkalmazzuk. Többféle változatban kaphatók:
  – A festékkaparó (rasketta) igényesebb kivitele cserélhető fejek-kel, vagy pengével készül. A nyíróspatulya pengéi nemcsak cserél­hetők, hanem még egyszerűen ál­líthatók is.
  – Az eltérő vastagságú és merevségű pengék többféle felhasználási módot tesznek lehe­tővé. Az üvegkaparók vékony, borotvapengeszerű, ugyancsak cse­rélhető pengéje nagyban megkönnyíti az üvegfelületek tisztítását
• A hosszmérő eszközök közül szakmánkban leginkább a mérővessző (zollstock) és a mérőszalag használatos. Csak az igényesebb termékek felelnek meg a hazai vagy nemzetközi szabványoknak, ezt a gyártók termékükön minden esetben feltüntetik. Az ilyen mérővessző általában rugós, a mérőszalagok pedig akár 2,4 méter távolságba is kinyújthatok „megtörés” nélkül. Ide soroljuk a függőónt kicsapózsinórral, amit porfestékkel egye­nesek csapatással történő jelölésére és függőónként egyaránt használhatunk.
• A kések, pengék, ollók nemcsak a festés-tapétázás során használatos eszközök. Annyiban mindenképpen speciális a felhasználá­suk, hogy szakmánkban az iparszerű alkalmazásuk miatt nagy az igénybevétel, ezért a kereslet az egyszer használatos késekre (pengékre) összpontosul. E termé­kek pengéi törhetők, illetve cserélhetők, az elhasználó­dott rész egyszerűen el­dobható. A legkiválóbb, hosszú élettartamú ter­mékek könnyen felismerhetők a pengék jelzései alapján, ilyen pl. a Solingen, vagy japán minőség.
• A portörlők, lakkszűrők kifejezetten egyszer használatos termékek. A portörlők különleges anyaggal átitatott textíliák, amelyekkel a végső bevonatké­szítés előtt a legkisebb porszennyeződés is eltávolítható.

A lakkszűrő papírok eltérő finomságú, nejlon vagy gyapot betéttel készülnek. Faj­tájuktól függően a 190, illetve 280 μm-nál nagyobb szennyező­déseket szűrhetjük ki velük. Használatuk általá­ban a már egyszer használt és újra lezárt, vagy valamilyen módon szennyeződött festékek esetében szükséges.