Habár a nyarat az emberek egy jelentős hányada lelkesen várja, ahogy dübörög a meleg évszak mégis a hőség ellen való védekezés módszerei felé fordulunk. Előző cikkünkben szó esett a klimatizálásról és az azt érintő kérdésekről. Jelen bejegyzésünkben arról esik szó, hogy hogyan kerüljük el, hogy az épületeink eléggé felmelegedjenek ahhoz, hogy klimatizálásra legyen szükség.

Ahhoz, hogy megússzuk, hogy az épületünkben meleg legyen, fel kell ismernünk, mi is okozza leginkább a nyári felmelegedést. Kevesek számára meglepő módon a tettes a napsugárzás. A Nap elektromágneses (EM) sugárzást bocsát ki, mely hullámtermészetű (is), így jellemezhető hullámhosszal. Ez a sugárzás nem fedi le a teljes EM-spektrumot az 1 pikométeres hullámhosszú gammasugaraktól kezdve a 100000 kilométeres, extrém alacsony frekvenciájú rádióhullámokig.

A napsugárzás spektruma néhány száz nanométeres hullámhossztól egészen a nagyjából 50000 nanométeres (vagyis 50 mikrométeres) hullámhosszig tart. Ez a tartomány átfogja a látható fény teljes hullámhossztartományát, illetve tartalmaz (a látható fény tartományának szélső hullámhosszainál) rövidebb hullámú ultraibolya (UV), és a hosszú hullámú infravörös (IR) sugárzást is. Ahhoz, hogy megérthessük miért melegszik fel a házunk, nem árt tisztában lenni a napsugárzás (mint EM sugárzás) legfontosabb tulajdonságaival.

Az elektromágneses sugárzásnak, így a napsugárzásnak, nemhogy nincs szüksége közvetítő közegre, de még csak nem is válogat a közegek között, így áthaladhat a légkörön. Azonban a légkör, és annak különböző összetételű rétegei, már akadályt jelentenek a számára. Amikor egy EM hullám egy akadállyal találkozik, akkor három dolog történhet: elnyelődhet, visszaverődhet, vagy áthaladhat rajta. A különböző közegek, melyekben a sugárzás terjedhet, különböző típusú akadályt jelentenek a hullám számára, így annak valamely összetevője visszaverődik a felületen, míg egy másik része áthalad azon. Ez történik a napsugárzással akkor, amikor találkozik a Föld légkörével, és ez történik akkor is, amikor egy ablakfelületet, üveget lát. A látható fény a nem átlátszónak nevezett testekről visszaverődik, ennek következtében láthatjuk azt.

Az elektromágneses hullámok el is nyelődhetnek a testeken. Egyensúlyi helyzetben az elnyelt energiának meg kell egyeznie a kisugárzott, kibocsátott energiával, így az elnyelést és a kibocsátást kifejező tényezőknek is egyezniük kell - ezáltal az elnyelés és a kisugárzás közé valamilyen szinten egyenlőségjelet tehetünk. Így elektromágneses sugárzást nem csak a Nap bocsát ki, hanem minden test. Ez a sugárzás, mivel egyfajta kiegyenlítődési folyamat, arányos a test hőmérsékletének és a test által látott objektumok hőmérsékletének különbségével, , egészen pontosan abszolút (tehát Kelvin-skálán értelmezett) hőmérsékletük negyedik hatványának különbségével. A bolygó felszínén a hőmérséklet is abból adódik, hogy a földet érő rövidebb hullámok a talajban elnyelődnek, azokat a  talaj hosszú hullámú sugárzásként adja tovább (kisugározza). A felmelegedés mértéke függ a felszín elnyelőképességétől, amelyet az albedó jellemez. Az albedó kifejezés fehérséget jelent, így a visszaverődéssel arányos.

De kanyarodjunk vissza a házunkra, amely ablakán a nap szépen süt be, elvégre kánikula van. Az üvegezés többnyire a rövid hullámokat engedi át, pontosabban azokat, melyeknek hullámhossza kb. legfeljebb 2500 nanométeres. Ennek következtében a felszíni testek hősugárzása nem lép be az épületünkbe - a direkt napsugárzás annál inkább. Mi történik ezzel a sugárzással az épületben?

A napsugárzás a szobák falain, a szobában lévő testeken elnyelődik, melyek a kinti objektumokhoz, vagy épp a talajhoz hasonlóan hosszú hullámú sugárzást bocsátanak ki - melyre az üveg átlátszatlan. Ez a jelenség az üvegházhatás: a napsugárzás a épületbe bejut, eltérő hullámhosszú sugárzássá alakul, energiája az “épületben reked”. Ezt a jelenség nevét is adó üvegházakban a hasznunkra fordíthatjuk, mivel lehetővé válik a növénytermesztés olyan hidegebb időszakokban is, amikor a szabadtéri termesztés nem lehetséges. Lakóépületeinkben azonban az emberi komfort szempontjából problémás dologról van szó, mely ellen árnyékolással próbálunk védekezni.

Üvegházhatás épületeknél (Forrás)

Az árnyékolás tekintetében megkülönböztetünk külső és belső oldali árnyékolókat. A kettő között alapvető különbséget jelent, hogy külső árnyékolók esetében megpróbáljuk megakadályozni az energia épületbe való bejutását, addig belső árnyékolók esetében mindössze a hőáramok terjedését próbáljuk befolyásolni.

Annak érdekében, hogy a különböző árnyékolásra használt szerkezetek összehasonlíthattóak legyenek, bevezette a tudomány a sugárzásátbocsátás csökkentő képességet, amely százalékosan is megadható: ha nincs árnyékolás, akkor értéke 100%, a beeső sugárzás (átereszthető része) teljesen áthalad az üvegfelületen - vagyis minél kisebb ennek a tényezőnek az értéke, annál jobban árnyékol a szerkezetünk. Fontos kiemelni, hogy az “üvegen áteresztett spektrum árnyékolásáról”, így nem pusztán a látható fény intenzitásának csökkenéséről van szó: célunk a sugárzásos hőáram csökkentése, amelynek csak a következménye, hogy kevesebb látható fény jut be a helyiségbe, ezért sötétebb is lesz.

Könnyen belátható, hogy amennyiben a célunk az épületbe bejutó sugárzásos hő csökkentése, akkor külső árnyékolót kell elhelyeznünk - persze ha erre nincs mód, akkor belső árnyékolókkal is elérhető valamekkora hatás, ez azonban messze elmarad a külső árnyékolás hatásosságától. A belső árnyékolók feladata leginkább a belső terekben elhelyezkedő emberek, állatok, vámpírok és tárgyak védelme az ablakon behatoló direkt napsugárzástól.

Ebben a témakörben még fontos különbséget tenni árnyékolók és árnyékvetők között. Az árnyékvetők célja, hogy megakadályozzák azt, hogy direkt napsugárzás érje az ablakfelületet - ez azonban nem mindig célunk. Hidegebb időkben örülnénk, ha tudnánk hasznosítani a napsugárzásból származó energiát, ha az ablakon besütő Nap egy kicsit melegítené szobánkat. Az árnyékvetők elhelyezésénél kihasználhatjuk azt, hogy télen alacsonyabban süt a Nap: ekkor a napsütés télen bejut a megfelelően méretezett árnyékvető alatt, nyáron azonban nem éri el az ablakfelületet. Ennek kialakításához az épület elhelyezkedésének, tájolásának pontos ismeretére van szükség. Na meg természetesen jó tervezőre és kivitelezőre.

Az árnyékolás kapcsán érdemes pár mondatban foglalkoznunk a nyílászárókkal is. Esetükben úgy nevezett low-e (low-emission) bevonatot helyeznek el a belső üveg (minimum 2 réteg üveg esetében) külső tér irányába néző oldalára. Ezáltal csökkentve a belső tér irányába kisugárzott hőt. Mindemellett érdemes megjegyezni, hogy a szubjektív hőérzetünket erősen befolyásolják a sugárzó felületek (így a falak és nyílászárók) hőmérsékletei, ezért sok esetben indokolt a befújt szellőző levegő ablakokra irányítása is.

Árnyékoló vagy árnyékvető? (Forrás)

A kellemetlen hőterheléssel szembeni védekezéssel kapcsolatosan még egy fogalmat meg kell említeni. A nyári kánikulában mindannyian megfigyelhettük már, hogy a Nap már régen lement, a külső hőmérséklet már a kellemes tartományba csökkent, de a lakáson belül mintha a falak “ontanák” a meleget, és nem csökken a hőmérséklet. De az is eszünkbe jut, mikor egy tó partján épített faházban töltjük az éjszakát, és éjjel-nappal megegyezik a külső és belső hőmérséklet a faházban, azaz délben 40 fok van, míg éjjel 15-20 °C. Mindkét jelenség alapvetően visszavezethető a hőtároló tömeg, hőcsillapítás kérdésére.

Hőtárolás kérdésében épületeket nézve elsősorban az épülettömegben (tartószerkezet, födémek, falak) tárolt energiáról beszélünk. Hőtároló tömeg alatt azokat az épületszerkezeteket értjük, amelyek a belső térrel kölcsönhatásba kerülnek, és a beeső napsugárzás, illetve a levegő hőátadása hatására felmelegednek, vagy lehűlnek. Ezen túlmenően beszélhetünk belső szerkezetek hőtároló tömegéről is, amikor két belső helyiséget elválasztó falak, födémek hőtároló képességét vizsgáljuk.

De tulajdonképpen mi is jó nekünk: kis vagy nagy hőtároló tömeg?

A válasz semmiképpen sem egyszerű, ugyanis míg Európában és a világ legtöbb országában nagy hőtároló tömeggel rendelkező nehézszerkezetes házakat építenek, addig az Egyesült Államokban előszeretettel építenek könnyűszerkezetes épületeket.

Itt hirtelen bele is futottunk két elsőre homályos fogalomba, azonban a 7/2006 TNM rendelet segítségünkre siet. Nehézszerkezetes épületről van szó, ha a fajlagos hőtároló tömeg eléri a 400 kg/m^2 értéket, ezalatt könnyűszerkezetes. Tipikusan nehézszerkezetes épületek közé sorolhatóak a vasbeton szerkezeteket tartalmazók, míg könnyűszerkezetes a fából készült házak.

Néhány anyag hőtároló tömege (Forrás)

Nagy hőtároló tömeg esetében az épület az időben változó hőhatásokra a helyiség késleltetve és csillapítva reagál. Ez a gyakorlatban annyit jelent, hogy kint délután 2 és 3 között van a legmelegebb, de ez a hőterhelés bent csak pár órával később jelentkezik. És mivel a falakban csillapítás is történik, ezért a benti maximumok nem érik el a kinti maximumokat. A belső hőmérséklet sokkal stabilabb, ingadozása jóval kisebb nehézszerkezetes házak esetében. További előnyként megemlíthető az egyenletes fűtési igény télen, illetve hogy a csúcsigények alacsonyabbok, mint könnyűszerkezetes épületek esetében.

Azonban a nagy hőtároló tömegnek is megvannak a maga hátrányai. Nyáron a belső hőmérséklet hűvös éjszakákon sem csökken le a kinti hőmérsékletre, így a belső hőmérséklet minimuma magasabb, mint kis hőtároló tömeg esetében. Télen épp a nagy hőtároló tömeg miatt sokkal több energiát is igényel a felfűtésük. Fontos megemlíteni, hogy például külső szigeteléssel az épület hőtároló tömege megnövelhető, hiszen a teherhordó réteg magasabb átlaghőmérsékletű lesz.

Nagy hőtároló tömegre jó példák lehetnek a templomok, ahol Oroszországban az is előfordult hidegebb telek után, hogy nyáron kellett fűteni, ugyanis az épület hőtároló szerkezete annyira áthűlt, hogy a napsugárzásnak hosszú időbe telt felmelegíteni. Ebben az időszakban az alábbihoz hasonló eszközöket használtak melegítésre.

Lábmelegítő padozat (Forrás)

A fentiek alapján talán nem túlzás kijelenteni, hogy tudatos tervezés és előre látó gondolkodás mellett a nyári melegeket is könnyebben viselhetjük el bentlétünk alatt.

Ha tetszett a cikkünk, és szeretnétek értesülni a legújabb bejegyzéseinkről, kövessetek minket facebookon!

Következő cikkünk két hét múlva, 2018.07.20-án fog megjelenni!