Épületfizika az építészeti gyakorlatban
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.