• energiatakarékosság
• épületfizika

Az energiatudatosság kialakulása az építészetben, az épületfizika születése

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.