Magasépítészet

Falak hőtechnikai követelményei, páralecsapódás

Az épületek hővédelmének célja: a) a lakó-és munkahelyiségek védelme a kedvezőtlen hideg- és meleghatások ellen, b) a fűtés gazdaságosságá­nak elérése (tüzelőanyag-takarékosság) és c) a helyiségekben a páralecsapódás megakadályozása.

Az előbbiekben részletezett célt bizonyos hő-technikai követelmények betartásával érhetjük el. Az épület határoló szerkezeteitől – így a falaktól is – két fontos hőtechnikai tulajdonságot – hőszigetelő képességet és hőtároló képességet követelünk meg.

A hőszigetelés jelentősége könnyen érzékel­hető. Kellő hőszigetelés révén a tüzelőanyag-fogyasz­tásban megtakarítás érhető el. Ugyancsak meg­takarítás érhető el a fenntartási költségek terén, mivel kellő hőszigetelés esetén a páralecsapódás és a fagykárok is elkerülhetők. A hőszigetelés fontos egészségügyi szempontból is. Az erősen hővezető falak és padlók a helyiségek levegőjéből és a közelükben levő (hőt kisugárzó) emberi vagy állati testekből is hőt vonnak el; ez a körülmény idővel hűléses megbetegedésre vezethet.

Hőátvezetés

Hővezetés, hőátadás, hőátbocsátás és a hőáteresztés fogalma. Az elsorolt fogalmak fontos sze­repet játszanak a falak hőszigetelés szempontjából szükséges vastagságának megállapításánál.

Hővezetésről beszélünk, ha a hő a szilárd, folyékony vagy gáznemű testekben (mozdulat­lannak feltételezett) részecskékről részecskékre terjed. A hővezetésre jellemző a hővezetési tényező (λ). A hővezetési tényező reciprok értékét hőveze­tési ellenállásnak,1 vagy hőszigetelési tényezőnek (ϱ) nevezzük.

Ezek szerint a hőszigetelő képesség és a hőve­zető képesség között reciprocitás áll fenn, tehát a kevésbé jó hővezető falnak nagyobb a hőszigetelő képessége, mint a jobb hővezető tulajdonságúénak.

Hőátadásról beszelünk, ha a hő valamely szi­lárd anyag felületéről gáznemű testre, vagy gáz­nemű testből szilárd anyag felületére terjed. A hőátadásra jellemző a hőátadási tényező (a); ennek reciprok értéke a hőátadási ellenállás (1/α).

Hőátbocsátáson értjük azt a fizikai folyamatot, amely egy zárt teret határoló szerkezetekben (jelen esetben a falban) a hőáramlás tekintetében végbemegy, ha a szerkezettel (a fallal) érintkező nem szilárd közegek között hőmérsékletkülönbség van. Ennél a jelenségnél a hővezetés és hőáramlás együttesen szerepel.

Hőátbocsátási tényező

A hőátbocsátásra jellemző a hőátbocsátási tényező (k). A hőátbocsátási tényezőnek a falak vastagsági méretének megállapításánál és a fűtés­sel kapcsolatos hőszükségleti, illetve hőveszteség-számításnál van jelentősége. A hőátbocsátási tényező annál nagyobb, mennél nagyobb az illető anyag hővezetési tényezője. A hőátbocsátásnak reciprok értéke a hőátbocsátással szemben való hőellenállás (1/k).

A hőáteresztés a hőátbocsátással rokon termé­szetű fogalom, amelyre jellemző a hőáteresztési tényező (Λ). A hőáteresztési tényező és a fal hőve­zető tényezője (λ), valamint a fal vastagsága (δ) között  Λ = λ/δ összefüggés áll fenn. A hőáteresztési tényezők reciprok értékét (1/Λ) hőáteresztési ellenállásnak nevezzük; 1/Λ=δ/λ. (A hőáteresztéssel kapcsolatos fogalmak bevezetésének indokoltságát lásd a „Hőszigetelési érték” című bekezdésben.)

Az előbbi bekezdésekben tárgyalt hőtechnikai tényezők, valamint a hővezetéssel, a hőáteresz­téssel, a hőátadással és a hőátbocsátással szem­ben való hőellenállások fogalmi meghatározását a 28. táblázatban találjuk.

Hőátbocsátási tényező megállapítása

Egy réteg­ből álló sík szerkezet (pl. fal) hőátbocsátási ténye­zőjét a következő összefüggés alapján határoz­hatjuk meg: k=1/(1/αb+δ/λ+1/αk) ahol αb és αk a hőátadási tényezők (kcal/m2 ó C°), δ a fal vastagsága (m), λ a hővezetési tényező (kcal/m ó C°).

Az előbbiek alapján a hőátbocsátási ellenállás képlete: 1/k=1/αb+δ/λ+1/αk.

Nyilván a hőátbocsátási folyamat alatt a fal egyes részeiben más és más hőmérséklet van. A hőmérsékletnek a hőközlési folyamat alatti változását az ún. hőfokesési görbe jellemzi (263. ábra).

263. ábra

263. ábra. 38 cm vastag, tömör téglából készült fal hőközlése és a gőzdiffúziós folyamattal szembeni viselkedése; fent hőfokesési, lent gőznyomásesési görbe; 1 – fagyzóna

Utóbbit a fal metszetében szokás ábrázolni úgy, hogy magassági irányban egymás után léptékhelyesen felmérjük a külső és belső hőátadási ellenállások (1/α), maid a hőáteresztési ellenállások (δ/λ=1/Λ) értékeit, amelynek összege az egész fal hőátbocsátási ellenállásával (1/k) egyenlő. Az egyes osztáspontokból húzott vízszintesek és a falré­tegek függőleges határoló vonalainak metszés­pontjai megadják a görbe töréspontjait.

A hőközlési folyamat alatt a falban végbemenő hőfokesés a fal hőtechnikai szempontból kifejtett munkájának, ellenállásának, szigetelő erejének eredménye. A hőfokesési görbe egyúttal adatokat szolgáltat a fal, illetve egyes rétegeinek hőellenálló képességére vonatkozóan is.

A hőmérséklet sík falban lineárisan, hengerköpeny­ben (pl. gyárkéményben) logaritmikusan csökken, mert ugyanazon hőmennyiség a sugár növekedésének meg­felelően egyre növekvő felületen halad át.

A hőátbocsátási tényező képletében szereplő a belső és a külső hőátadási tényezők értékeit a 264. ábráról olvashatjuk le.

Falak és födémek hőátadási tényezőinek αb és αk értékei

264. ábra. Falak és födémek hőátadási tényezőinek αb és αk értékei; 1 – alagsor

A hőszigetelési érték

A hőáteresztési ellenállás és a hőátbocsátási ellenállás képletét összehasonlítva azt látjuk, hogy az előbbiből hiányzik a hőátadásnak a 264. ábra szerint változó faktora. Mindebből az következik, hogy az 1/λ tényező a hőszigetelési ériekét szaba­tosabban és az összehasonlításra alkalmasabban fejezi ki, mint a k vagy az 1/k tényező.

Nálunk a hőáteresztési tényező, illetve a hőáteresz­tési ellenállás fogalmát kevésbé használják. Ezzel szem­ben külföldön, különösen a német szerzők és szabály­zatok általánosan alkalmazzák a szerkezetek hőszige­telési értékének jellemzésére.

Itt jegyezzük meg azt is, hogy az 1/λ érték az építési anyagok; az 1/λ érték pedig (mivel benne a szerkezet vastagsága is kifejezésre jut) az egyes építési anyagokból létesített határoló szerkezetek hőszigetelési értékének jellemzésére alkalmas.

A tömör téglafalak hőszigetelő képessége. Tapasztalati adatok alapján a mi éghajlati viszo­nyaink alatt az épület tömör téglából készült külső falainak legalább másfél tégla (38 cm) vas-, tagoknak kell lenniük ahhoz, hogy a téli hideg-és a nyári meleg hatás ellen kellő védelmet nyújt­sanak.

Hőát­bocsátási tényező példa

A 41 cm vastag vakolt tömör téglafal hőát­bocsátási tényezője k = 1.34 kcal/m2 C°. A mi éghajlati viszonyaink mellett az ennél magasabb k tényezőjű falszerkezetek esetében -15 C°-nál alacsonyabb hőmérsékletnél páralecsapódás áll elő, amit fokozott fűtéssel sem lehet megakadá­lyozni. Állandó tartózkodásra szolgáló exponált fek­vésű épületek esetében a zord égtájak felőli falak hőátbocsátási tényezőit 10-30%-kal csökken­teni kell.

Kívánatos volna, hogy szakkörökben a k értékek minél inkább köztudatba menjenek, és a falak, födémek hőszigetelő képességét ilyen alapon értékeljek.

Vékony, csekély hőellenállású falak esetében hőszigetelő réteg alkalmazásával kell a falakat hőátbocsátó képesség szempontjából teljes érté­kűvé tenni. Hatékony hőszigetelőknek nevezzük azokat az – általában alacsony térfogatsúlyú – anyagokat, amelyeknek hővezetési tényezője (λ) 0,25 kcal/m ó C°-nál kisebb. A hőszige­telő anyagok és készítmények anyagtani sajátos­ságait a „Vázas épületek” című részben rész­letezzük. A vékony „könnyű” falak hőszigetelési kérdésével a „Többrétegű falak” és a „Vázkitöltő falak” című későbbi részekben részletesen fog­lalkozunk.

Hőtartalék

Gazdasági szempontból igen lényeges az a körülmény, hogy a falazatban a fűtés által felhal­mozott hőmennyiség (hőtartalék) átsegíti a lakó­helyiségeket a fűtés folyamatosságát megszakító szüneteken. Ugyanis az épületet határoló szerkeze­tekben tárolt hőmennyiség késlelteti a kifele történő hőáramlást, másrészt a szerkezetekben felhalmozott hő egy része visszasugárzik a helyiségekbe, és akadályozza azok túlságos lehűlését.

A kisebb hőtároló képességgel rendelkező falak rendszerint nem tudnak megbirkózni a befutáskor keletkező párával, nem tudják a lecsapódó víz­gőzt felszívni és tárolni. Időszakos fűtési üzem esetén az ilyen falakkal elhatárolt helyiségek a fűtés szüneteltetése után igen hamar lehűlnek, újra való felfűtésük tüzelőanyag-többletet igényel.

Kézenfekvő azon elv helyessége, hogy a csekély hőtároló képességgel rendelkező külső falaknak nagyobb legyen a hőszigetelő képességük, mert csak így tudják kiegyenlíteni a hőtároló képességükben mutatkozó hiányt. Mindebből az követ­kezik, hogy állandó vagy közel állandó üzemű fűtés esetében az írj típusú, könnyű, vékony, de nagy hőszigetelő képességgel rendelkező falak egyenértékűek lehetnek azokkal a nehéz vastag falakkal, amelyeket máskülönben adott esetben alkalmaznának.

A tapasztalat azt mutatja, hogy az előbbi elvek szerint szerkesztett könnyű külső falak is jelentős mértékben késleltetik a hőáram­lást és az ilyen falakkal határolt helyiségek nem hűlnek le gyorsabban, mint a régi típusú nagy hőtároló képességű falakkal határoltak. Azonban vitathatatlan, hogy az azonos hőszigetelő értékkel rendelkező nehéz “falak, jó hőtároló képességüknél fogva hőgazdálkodás szempontjából előnyösebbek.

Nyári időszak és a fal hőtárolása

A hőtárolás másik jelentősége a nyári időszak­ban mutatkozik meg. A külső levegővel érintkező és kellő hőtároló képességgel rendelkező szerkezetek (jelen esetben a falak) nyári nappal számottevő meleg mennyiséget képesek magukban felhalmozni anélkül, hogy ezt a hőt átadnák a helyiségeknek. Éjszaka pedig az összegyűjtött meleget a hidegebb szabad levegő felé sugározzák vissza. Ezzel szemben a csekély hőtároló képességű, rendszerint vékonyabb falak nem tudnak magukban hőt felraktározni, a kívülről származó hőt igen hamar átadják a helyiségeknek.

A jó hőtároló képes­ségű falszerkezettel határolt épületekben a napi hőfok­ingadozás kevésbé érezhető, de ha az épület falai lehűl­nek, a felfűtés hosszabb ideig tart, mert először a falak veszik magukba a meleget. A kis hőtároló képességű falszerkezettel határolt épület ezzel szemben hamarább felfűthető, de hamarább ki is hűl, és nyáron a nappali meleg hatására a helyiségek belső levegője nagymérték­ben felmelegszik.

Valamely anyag hőtároló képességére jellemző: térfogatsúlya (γ), és fajhője (c). A legfontosabb anyagok ilyen természetű adatait a 31. táblázat tartalmazza.

Hőtárolási tényező

Egyes szerzők a c tényezőt, mások helyeseb­ben a c * γ szorzatot hőtárolási tényezőnek neve­zik. A nagy térfogatsúlyú és jó hővezető képességű kőnemű anyagok (pl. a tömör tégla, a tömör szö­vetű kő, a nehéz beton, az üveg) hőtárolók. Ezeknek hőtároló képessége a térfogatsúllyal pár­huzamosan nő. Azonban nem helytálló az a felü­letes megállapítás, hogy bármely anyag hőtároló képessége egyedül a térfogatsúlytól függ. A víz és a fa a legjobb hőtárolók közé tartoznak, pedig a súlyuk alig közepes.

Megjegyezzük, hogy a kis térfogatsúlyú, de nagyobb fajhővel és átlagos hőmérséklettel bíró építőanyagoknak nagyobb hőtároló képességük van. A kis térfogatsúlyú rossz hővezető, porózus építőanyagok (pl. a soklyukú tégla, a kőszivacs) rossz hőtárolók; mégpedig abból kifolyólag, hogy a pórusokat kitöltő és a szilárd anyagokhoz képest rossz hőtároló képes­ségű levegő nem vesz reszt a hőtárolásban. Az anyagok víztartalma emeli azok hőtároló képes­ségét, ugyanakkor azonban – mint a továbbiak­ban látni fogjuk – csökkenti a hőszigetelő képességét.

A fal melegtároló képessége függ: anyagának térfogatsúlyától, fajhőjétől, átlagos hőmérsékletétől és vastagságától.

A falban tárolt hőmennyiséget (egysége: kcal, betűjele: H) valamely vonatkoztatási hőmérsék­lethez képest az alábbi összefüggés alapján tudjuk kiszámítani: H = F * δ * γ * c – (tf – tv),

  • ahol F a falfelület (m2),
  • δ a falvastagság (m),
  • γ a fal térfogatsúlya (kg/m3),
  • c a fal fajhője (kcal/kg C°),
  • tf a fal átlagos hőfoka (C°),
  • tv a vonatkoztatási hőfok (C°).

A hőátbocsátó képesség bár döntő, de mégsem egyedüli fontosságú a hő védelem szempontjából, külső elhatároló szerkezeteknél a hőtároló képes­séget is mérlegelni kell.

Páralecsapódás

Az egyik oldalt hideg külső levegővel érintkező épületszerkezeteken páralecsa­pódás keletkezik akkor, ha a szerkezet felületi hőfoka a levegő hőmérsékletének harmatpontja2 alatt van. A levegő ilyenkor az illető szerkezet mentén lehűlvén, túltelítetté válik, fölös pára­tartalma a hideg felületre lecsapódik. A lecsapódás vízcsepp alakjában, vagy ha a jelenség a fagy­határ alatt megy végbe, dór és jég alakjában mutatkozik meg. Ezek szerint a páralecsapódás tényezői: a) a levegő páratartalma és b) a szóba jövő szerkezet felületi hőfoka.

A páralecsapódás rongálja a szerkezetek anya­gát (a fát, vakolatot és festést), elszíneződési, penészedési és gombásodási folyamatokat indít el, azonkívül az átnedvesedés következtében a hőszigetelési képesség is számottevően csökken (lásd később).

A páralecsapódás annál nagyobb mértékben és feltűnőbben jelentkezik, mennél kevesebb nedvességet tud az illető felület anyaga magába szívni, tárolni, elvezetni, vagy elpárologtatni.

A páralecsapódás ellen védekezhetünk:

  • a) az illető szerkezet megfelelő hőszigetelésével, más­részt
  • b) a szellőztetéssel, a szükséges légcsere biztosításával, vagy esetleg légkondicionálással.

Az emberi és állati szervezet, a lakótevékenység párát termel. Ha nem szellőztetünk, a levegő páratartalma emelkedik. A páralecsapódás kiküszöbölésének különös jelentősége van a nedves-, párás üzemű helyiségek­ben, pl. főző- és mosókonyhákban, fürdőszobák­ban, zuhanyozókban, zöldségraktárakban, istállók­ban stb.

Sarkok és pára

Különösen a sarokfelületeknél kell a páralecsa­pódás megakadályozására törekedni, mert itt a megnövekedett külső hő leadó felületek miatt hama­rább áll elő víz kondenzáció. Szükség esetén a sar­kok mentén részleges hőszigetelést kell alkalmazni.

Nemcsak az épületsarkoknál van meg. a lehűlés, illetve hőeltávozás lehetősége, hanem az ablakok és ajtók fülkefelületein keresztül is. Ebből kifolyólag a külföldi közleményekben gyakran látunk olyan megoldásokat, hogy az ablak- és ajtófülke felületek hőszigetelő réteggel vannak ellátva.

Elemekből épült falak – pára

Az elemekből készült falaknál a jó hővezető habarccsal kitöltött, következésképpen hideg felületű hézaghálózat egyre újabb páralecsapódást vált ki. Mivel ez a meg­ismétlődő folyamat automatikusan csökkenti a habarcsrétegek hőszigetelő értékét, a felület még hidegebb lesz, és a páralecsapódás – ennek következtében a vakolat elszíneződése – egyre fokozódik.

A jó hővezető képességgel és alacsony fajhővel rendelkező anyagokból készült épületszerkezetek esetében is hőszigetelő réteggel kell védekezni a páralecsapódás és az azzal együtt járó vakolatszíneződés ellen (266. ábra).

Hőhíd szempontjából helyes

266. ábra. Hőhíd szempontjából helyes (a), helytelen (b) fal- és födémszerkezet

A páralecsapódás elkerülése végett – az ablak, ajtó és egyéb üvegezett felületek kivételével -a külső határoló szerkezetek hőátbocsátási ténye­zője nem lehet nagyobb az alábbi képletből kapott értéknél: k = αb(tbτ)/(tb-tk) (kcal/m2 ó C°),

Ahol:

  • αb a határoló szerkezet belső hőátadási té­nyezője (kcal/m2 ó C°),
  • tb a helyiség belső hőmérséklete (C°),
  • tk a külső hőmérséklet (C°),
  • r a belső levegő abszolút nedvességének4 megfelelő harmatpont hőmérséklete (C°).