Thermal comfort analysis of low exergy heating-ventilation systems during variable operation modes

Az EPBD eredeti és módosított változata egyaránt tartalmazza, hogy az energiatakarékosság nem mehet az épületben tartózkodók komfortérzetének rovására, nem járhat egészségügyi kockázattal. Kutatásom arra irányul, hogy a hőérzet kérdéseit a jövőben várható feltételek figyelembevételével vizsgáljam. Ez a jövő – amint az 2010-ben kiderült – nem is olyan távoli, hiszen az EPBD 2018 évi határidőre várja el a tagállamoktól, hogy a közel nulla energiaigényű épületekre vonatkozó nemzeti szabályozásokat életbe léptessék és két lépcsőben (2019-től az állami, 2021-től valamennyi újonnan létesített épület feleljen meg a nemzeti szabályozásban foglalt követelményeknek. Bár a kutatómunka kezdetén mindez nem volt előre látható, a tendencia akkor sem volt kérdéses, hiszen a nemzeti szabályozások szigorodtak és a „passzívházak” divatja is folyamatosan terjedt és terjed, a kérdés csak a szigorítások üteme volt. Az EPBD szerinti közel nulla energiaigényű épületek két ütemben történő bevezetése is sugallja, hogy a vizsgálatokat többféle épületrendeltetésre célszerű elvégezni. Mint a két ütem egy-egy jellemző épületfajtáját az iroda és a lakó épületekben jellemző hőérzeti problémák vizsgálatát tűztük ki célul. A közel nulla energiaigény alapfeltétele nyilvánvalóan „az épület magas energetikai teljesítménye”, ami a hazai szaknyelvre lefordítva elsősorban kitűnő hőszigetelést, emellett légtömör épülethéjat, jó nyári árnyékolást jelent. Ez nyilvánvalóan mérsékelt, alacsony fűtési energiaigényekhez vezet és amennyiben a jó nyári hővédelem (a jó hőszigetelés miatti) túlmelegedés kockázatát mérsékli, akkor a hűtési energiaigény is alacsony lesz. Az energiatakarékosságot illetően vizsgálataimat a mennyiségi kérdésen túl a minőségi szempontokra is kiterjesztettem. Az energetikában a minőséget is jellemző fogalom: az exergia a felhasznált energiahordozók mechanikai munka potenciáljának függvénye, utóbbi okán pedig a megújuló forrásokból nyerhető alacsony potenciálú energiahordozók alkalmazásának szempontjából bír jelentőséggel. A jó hőszigetelésű és légtömör épületköpeny több olyan problémát vet fel, amelyek a jelenlegi épületállományra nem jellemzőek. Ezek közül a következők vizsgálatára tértem ki: - Az alacsony fűtőteljesítmény igény azzal jár, hogy átlagos téli állapotok mellett a helyiségbe belépő egy vagy két személy metabolikus hőleadása, egy elektromos fogyasztó teljesítménye a fűtőteljesítménnyel összemérhető és kellő szabályozás hiányában túlfűtésre vezet. Lakóépületek esetében a folyamatos, a rendszeresen periodikus és a véletlenszerű lakáshasználat egyaránt lehetséges. Irodaépületek esetében a napi és heti rendszeres használati periodicitást a funkció természetes velejárójának tekinthetjük. - A használaton kívüli időszakokban nyilván felesleges a helyiségeket a hőérzeti szempontból előírt belső hőmérsékleten tartani. Tervezett, szabályos periodicitású használat esetén meghatározható, mikorra kell ezt az állapotot elérni – nem közömbös azonban, hogy ez mennyi energia és exergia felhasználással jár. Kérdés, hogy a felfűtési szakasz belenyúlhat-e a helyiség használatának időszakába, ha igen, ennek milyen hőérzeti és energetikai következményei vannak. - Az előzőek, valamint a fűtőteljesítmény igénnyel összemérhető belső hőterhelések folyamatosan változó üzemállapotokat jelentenek, amelyek mind hőérzeti, mind energetikai szempontból csakis jól szabályozott rugalmas fűtési rendszerekkel tarthatók kordában. A rugalmasságot illetően kétségtelenül a légfűtések a legelőnyösebbek Ha a ventilátorok energiaigényét mérsékelni akarjuk, kis térfogatáramot alkalmazunk (esetleg csak a friss levegőét) – ez azonban magas befúvási hőmérsékletet (és a léghevítőnél még egy hőmérsékletlépcsőt) jelent. A befúvási hőmérséklet csökkentésének ára a nagyobb térfogatáram – azé viszont a ventilátorok magasabb energiafogyasztása. Mindkét opció exergia tekintetében előnytelen, ezért (a légfűtéseket mellőzve) a különböző, nagyobb időállandójú, de exergia szempontjából előnyösebb konvektív és sugárzó fűtési rendszerek tranziens üzemállapota mellett kialakuló hőérzeti kérdéseket vizsgálom. - Lakóépületek esetében a légtömör épülethéj felveti a kielégítő szellőztetés kérdését – ezzel összefüggésben vizsgálataimat arra korlátoztam, hogy van-e és ha igen, milyen hatása a fűtési rendszernek a természetes szellőztetésre a korszerűnek és energiatakarékosnak mondott résszellőzők (tricky ventilátor) alkalmazása mellett. - Irodaépületek esetében ma már természetesnek tekintendő a légtechnikai rendszerek alkalmazása, vizsgálataim tehát a fűtési és a helyiségen belüli légvezetési rendszer együttes hatására is kiterjednek. - Az épületek jó hőszigetelése fokozza a nyári túlmelegedés kockázatát. Már jelenlegi épületeink esetében is súlyos gond a nyári hőérzet vagy a gépi hűtés igénye: utóbbi akár energia, akár exergia szempontjából nézve szignifikáns többletigénnyel jár. Ennek értelmében a nyári feltételekre vonatkozó kutatásom a gépi hűtés mellőzését lehetővé tevő szellőzési rendszerekre irányul. Mindezen kérdések megválaszolását tűztem ki célul kutatási munkám során, melyet 2007-ben kezdtem el. A hazai és a nemzetközi szakirodalom feldolgozása után 2007-2011 között számos mérést végeztem összesen mintegy 100 alany bevonásával. Különböző üzemi viszonyok mellett vizsgáltam a szubjektív hőérzet alakulását, illetve összevetettem a mérési eredményeket a hő- és áramlástan, valamint a komfortelmélet alapösszefüggéseinek felhasználásával kapott eredményekkel. Az alanyok életkora 22-28 között szórt és arra törekedtem, hogy egyenlő számban vegyenek részt az egyes kísérletekben nők és férfiak. Az alanyok kiválasztásánál figyelembe vettem azokat a szempontokat melyek Wyon-Bánhidi rögzít „A minta nagyságának kérdése a belső környezeti hatásokkal foglalkozó kutatásokban” c. cikkben. Méréseimet a Debreceni Egyetem Épületfizikai Laboratóriumában végeztem és TESTO műszereket alkalmaztam, melyeket a cég kalibrált. The original version of EPBD and modified version either contain the statement the energy saving cannot be done in a way which can lead to improper thermal comfort conditions, the refurbishment cannot lead to risk of occupants health. My research is done taking into account the future thermal and energy conditions in buildings. This future is not so far, taking into account the enouncements of EPBD from 2010. The European Union expects from member states to introduce new national regulations in two steps related to zero energy buildings (2019 for state property building, 2021 for residential buildings). Although when the research work starts this was not predictable but the tendency was clear, the national regulations getting stricter and more and more passive houses are built. So, the question was only the scheduling of tightening. The introduction in two steps of new requirements given by EPBD suggests to made comfort related research for buildings with different functions. Consequently I have made comfort related research for both residential buildings and office buildings. The precondition of a nearly zero energy building, the high energy performance” can be translated as high performance insulation materials, airtight envelope and appropriate shadowing. These boundary conditions will lead to low energy need for heating and cooling if the protection against heat gains during summer period is assured. Related to analysis of energy savings, I extended my research besides quantitative questions also with qualitative questions. The quality of energy, called exergy, is given by its capacity to do mechanical work. Related analysis of building performance exergy is a proper factor taking into account that renewable energy sources can be efficiently used in low energy buildings. The very well insulated airtight building envelope raises several problems which are not characteristic for current building stock. The low heat demand of a building, which is comparable with the heat released by one or two persons or an electric device, can lead to indoor temperature variations if the heating system output is not properly controlled. In case of residential buildings the continuous, the intermittent and random utilization of rooms are equally possible. In case of office buildings the intermittent operation is a consequence of building function. During the periods of time, when there are no occupants in the rooms, the indoor temperature is not kept at its set point value. If the utilization of a room has a defined schedule the heating up can be easily programmed, but it is not indifferent the energy consumption during this process. The length of utilization time is an important question, it must be analysed from thermal comfort and energy point of view if the heating up period can have a part which can be considered as utilization time. I analysed the following: - The variable internal and external gains can lead to variable indoor temperatures, which can be kept in acceptable intervals only in case of flexible, well controlled heating systems. As the flexibility, obviously the air heating systems are the most advantageous. In this case if the air flow is reduced to fresh air only, the energy consumption of fans will be low, but the temperature of introduced air must be high. If the temperature of the introduced air is reduced, then the airflow will be higher, consequently the energy consumption of fans will increase. From exergy point of view both options are disadvantageous, so I have analysed from exergy and thermal comfort point of view the intermittent operation of heating systems with low operation temperatures and higher thermal inertia. - In case of residential buildings the airtight envelope raises the question of indoor air quality and mould. In this case I have analysed the interrelation between heating system type and natural ventilation, in case of air inlet and evacuation elements placed in the windows frame. - Related to office buildings, where usually ventilation systems are installed I have analysed the energy consumption and obtained thermal comfort assuming simultaneous operation of heating and ventilation systems. - The highly efficient insulation of buildings envelope raises the risk of overheating during summer period. The summer thermal comfort is a problem even in case of existing buildings and the need of air conditioning systems can lead to important energy and exergy consumption. My research related to summer thermal comfort was done analysing the possibilities to assure proper thermal comfort only with ventilation systems (without cooling equipments). During my research started in 2007 I tried to find answers to question raised. After the analysis of national and international references in this field between 2007 and 2011 I performed a series of measurements. I used the boxplot diagrams to represent the measured data in case of high number of subjects involved. The age of involved subjects was between 22 and 28 years and I tried to involve in equal number women and man in each measurement. The selection process of subjects was done taking into account the prescriptions fixed by Wyon and Bánhidi in paper entitled: “The question of sample size in the comfort research”. The measurements had been done in the Building Physics Laboratory of University of Debrecen.d