Megéri-e közel nulla energiaigényű épületeket építeni?

A cikk a Magyar Épületgépészet 2012/11. számában jelent meg, mely lapszám tartalomjegyzéke elolvasható a cikk alján.

A szerző a fenti témában előadást tartott a debreceni XVIII. Épületgépészeti, Gépészeti és Építőipari Szakmai Napok keretében megrendezett konferencia Közel zéró energiaigényű épületek című szekciójában. Ez a cikk a konferencia kiadványában megjelent írás és a szekcióban elhangzott előadás magyar nyelvű összefoglalója.

1. Bevezetés
Az alacsony vagy közel nulla energiaigényű épületeknek sok előnye van, de a legfontosabb, hogy a nagyon alacsony fűtési energiafelhasználás kiváló komfortérzettel társul. Ennek azonban ára van: extra vastag hőszigetelés, háromrétegű ablakok, hővisszanyerős szellőztetés, megújuló energiaforrások. Ez az ár nemcsak pénzben fejezhető ki, hanem az anyagok előállításához, szállításához és beépítéséhez szükséges energiában, a kibocsátott szén-dioxidban, kén-dioxidban és egyéb környezeti hatásokban is. Vajon biztosan megéri ez?

A 2010/31/EU európai irányelv, közismert nevén az „EPBD Recast” előírja, hogy nemzeti stratégiát kell kidolgozni a „közel nulla” energiaigényű épületek építésének ösztönzésére. 2020. december 31. után az EU tagállamokban csak közel nulla energiaigényű új épületek, illetve 2018. december 31. után már csak közel nulla energiaigényű állami tulajdonú közhasználatú épületek építhetők majd. Az Unió végső célja az energiafüggőség és az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése, amelyben az épületállomány szerepe meghatározó.
Azt, hogy pontosan mit is takar a közel nulla energiaigény, az Unió a tagállamokra bízza. Az Uniós definíció szerint a közel nulla energiaigényű épület:
• energetikai teljesítménye magas;
• az energiaigény közel nulla vagy nagyon alacsony;
• az energiaigényt nagyon jelentős mértékben megújuló energiaforrásokból kell fedezni (beleértve a megújuló forrásokból helyben vagy közelben kinyert energiát is).

A lehetséges magyar követelményrendszerről a Debreceni Egyetemen készült egy tanulmány [Csoknyai, Kalmár, Szalay, Talamon, Zöld 2012]. A javaslat szerint a jelenlegi épületenergetikai szabályozás [TNM 7/2006] struktúráját megtartva a követelményértékek szigorítására lesz szükség.
Ez elem szinten a külső falak esetén 0,2 W/m2K, a felső zárófödémeknél 0,15 W/m2K, az alsó zárófödémeknél 0,25 W/m2K, az ablakoknál 1–1,3 W/m2K hőátbocsátási tényezőt jelent. A fajlagos hőveszteségtényező határértéke

qm = 0,051 + 0,23 (∑A/V) (ha 0,3 ≤ A/V ≤ 1,0).

Az összesített energetikai jellemző az eddigi gyakorlattal szakítva nem a felület-térfogatarány függvényében, hanem az épület szintszámától függően van megadva. Kétszintes lakóépületek esetén például EP = 60 kWh/m2a. Az összesített energetikai jellemző meghatározásánál az alapelv az volt, hogy egy, azaz egynél nem több helyi megújuló energiaforrás alkalmazásával teljesíthető legyen a követelmény (ez lehet napenergia, biomassza, hőszivattyú stb.). A javasolt követelményértékek a német passzívház szabvány által előírt követelményekhez képest szintszámtól függően szigorúbbak, vagy ahhoz közeliek.
A cikkben azt vizsgáljuk, hogy a közel nulla energiaigényű épületek építése az épület teljes életciklusára vetítve is megéri-e, azaz a beépített energia és az üzemeltetés során megtakarított energia hogyan viszonyul egymáshoz. Költséghatékonysági kérdésekkel itt nem foglalkozunk.

2. Módszertan
Az életciklus-elemzés (life cycle assessment – LCA) szabványosított módszerét alkalmaztuk az ISO 14040 és ISO 14044 szabványok alapján. Az elemzés saját fejlesztésű Excel-alapú programmal készült.

2.1. Cél és tárgykör
A vizsgálat célja a kétszintes családi házak teljes életciklusra vetített környezetterhelésének megállapítása nagyszámú épületgeometria figyelembevételével, és a különböző energiahatékonysági intézkedések hatásának felmérése. A funkcionális egység egy kétszintes családi ház 50 éves élettartam alatt. Csak az épülethatároló szerkezeteket és az épületgépészeti rendszereket vettük figyelembe, a belső falakkal, födémekkel, alapozással stb. – amelyeknek nincsen közvetlen hatása a fűtési energiamérlegre – nem foglalkoztunk.

2.2. A környezetterhelés adatbázisa
Az építőanyagok gyártásának környezetterhelésére a legnehezebb adatokat találni, hiszen egyetlen építőanyag gyártásához is több bemenő anyagra van szükség, ezeket különböző helyeken termelik ki, vagy különböző gyárakban állítják elő, mindenhol keletkeznek szennyezőanyagok, mindennek van energiaigénye. Az energiát különböző hatékonyságú erőművekben állítják elő. Egy épületben pedig igen sokféle építőanyagot használunk fel. Léteznek nagyon alapos kutatómunkával összegyűjtött, megbízható adatbázisok például Svájcban, ahol különböző iparágak gyártási folyamatait térképezték fel az elmúlt 20 évben. Az ecoinvent adatbázis több ezer termék környezeti adatait tartalmazza és kis módosításokkal hazánkra is alkalmazható, hiszen a gyártási technológiák hasonlóak, illetve sok a Nyugat-Európából behozott termék [ecoinvent 2007]. Az adatbázisban a termékek környezeti hatásának számításakor a gyártási folyamat összes szakaszában okozott hatást összegzik. A villamos energia előállítás környezetterhelése például tartalmazza a szükséges energiahordozók kitermelését, szállítását, az erőművi kibocsátásokat, a rendszerveszteségeket, de a szükséges infrastruktúra kiépítését is.

2.3. Indikátorok
Az életciklus elemzésekben rendszerint nagyon sok környezeti hatáskategóriát vesznek figyelembe, pl. globális felmelegedés, savasodás, eutrofizáció stb. Ebben a cikkben a nem megújuló kumulatív energiaigényt választottuk indikátorként, ami jó alapot nyújt a környezetterhelés megítéléséhez. Számos környezeti hatás, például a globális felmelegedés, savasodás, ózonképződés többé-kevésbé egyenesen arányos a nem megújuló energiaigénnyel, mivel itt a környezeti hatás döntő része fosszilis energiahordozók égetéséből származik.
A kumulatív energiaigény közel áll a 7/2006. rendeletben is szereplő primer energia átalakítási tényező fogalmához. Míg azonban a primer energia váltószámokat nem csak műszaki szempontok alapján határozzák meg (például egyes energiahordozókat előnyben részesítenek a nemzeti energiastratégiához illeszkedve), a kumulatív energiaigény az építőanyag előállításának különböző szakaszaiban felhasznált tényleges energiamennyiség összege. A magyar rendelet ráadásul viszonyítási alapnak a földgázt tekinti, az ecoinvent viszont a földgáz szállítási, elosztási veszteségeit is figyelembe veszi. Ezért az ecoinvent értékek általában nagyobbak. Például a hazai földgáz nem megújuló kumulatív energiaigénye az ecoinvent adatbázisban 1,36 kWh/kWh; a villamos áramé 4,3; illetve a pellettüzelésé 0,19.

2.4. Az épületminta
A vizsgálatot nem egy típusépületen végeztük, hanem nagyszámú, véletlenszerűen generált épületmintán [Szalay 2008]. A minta nem a jelenlegi épületállomány statisztikai adatain alapul, hanem a „technikailag lehetséges” épületek tartományát fedi le. Az épületek geometriáját leíró paraméterek a beépített alapterület, a szintszám, az épület kompaktságát jellemző kerület-terület arány, a belmagasság, valamint az üvegezési és a keretarány. Ezek reális tartományai építészeti és funkcionális megfontolásokon alapszanak. A paraméterek alapján 1000 épületgeometriát generáltunk. A geometriai paraméterek segítségével kiszámítható az egyes épületszerkezeti elemek területe, valamint az épületek méretét és tömegformálását jellemző felület-térfogat arány (∑A/V). Itt szabadon álló, fűtetlen padlással és pincével épített kétszintes család házakat vizsgáltunk (1. táblázat).

A kétszintes családi házak geometriáját leíró paraméterek és ezek tartományai

Az épület fala külső polisztirol hőszigeteléssel ellátott 38 cm-es égetett kerámia, alsó zárófödéme vasbeton, a padlásfödém fagerendás, ásványgyapot hőszigetelésű. Az alapváltozatban a fűtést és használati melegvizet alacsony hőmérsékletű gázkazán szolgáltatja indirekt melegvíztárolóval, a hőleadók 70/55 °C hőlépcsőre kiválasztott radiátorok, termosztatikus szelepekkel.

2.5. Életciklus szakaszok
Az épület teljes életciklusa négy szakaszra osztható: az építésre, karbantartásra/felújításra, üzemeltetésre és bontásra.
• Építés: ide tartozik az építőanyagok gyártása, helyszínre szállítása és maga az építkezés is. Az építőanyagok beépített tömegéből és az ecoinvent adatbázis segítségével számítható a környezetre gyakorolt hatás.
• Felújtás/karbantartás: az épületben szükség van karbantartási munkákra, és néhány tízévente bizonyos elemek, szerkezetek cseréjére (pl. burkolatok, ablakok, kazán). Az elemek várható élettartama irodalmi források alapján becsülhető, ezután a csere gyakorisága és az ezzel járó környezetterhelés számítható. Az épület várható élettartamát vegyük 50 évnek. Ez alatt az időszak alatt energetikai korszerűsítést, átépítést, bővítést nem feltételeztünk.
• Üzemeltetés: a fűtés, melegvíz készítés, légtechnika energiaigényét a TNM 7/2006. rendelet szerint számítottuk, a primer energia váltószámokat kivéve, ahol az ecoinvent értékeket vettük figyelembe.
• Bontás: a cseréknél, illetve az épület hasznos élettartamának a végén következik a bontás, illetve a hulladékkezelés, ami lehet deponálás, újrafelhasználás, újrahasznosítás vagy égetés. Minden szerkezetre egy valószínű hulladékkezelési szcenáriót tételeztünk fel.

3. Vizsgált változatok
A következő energiahatékonysági intézkedések hatását vizsgáltuk (2. táblázat).

A fontosabb feltételezések

v00 – Alapeset
Az alapeset egy szabadon álló kétszintes családi ház, amely éppen megfelel a jelenleg hatályos épületenergetikai követelményeknek. Valamennyi ablakot kelet-nyugati tájolásúnak és részlegesen árnyékoltnak tételeztünk fel.

v01 – Kedvezőbb tájolás
Csak az ablakok tájolását változtattuk a téli szoláris nyereség jobb hasznosítása érdekében: az ablakok 40–60%-a déli, 20– 30%-a kelet-nyugati, míg a többi ablak északi tájolású.

v02 – Fokozott hőszigetelés
Következő lépésként a kedvező tájolás mellett az épület hőtechnikai minőségét javítottuk, úgy, hogy az épülethatároló szerkezetek hőátbocsátási tényezője a 2020-ra javasolt követelményeknek megfelelő legyen [Csoknyai, Kalmár, Szalay, Talamon, Zöld 2012]. A külső falak esetén ez 0,2 W/m2K, a felső zárófödémeknél 0,15 W/m2K, az alsó zárófödémeknél 0,25 W/m2K, az ablakoknál 1 W/m2K hőátbocsátási tényezőt jelent (2. táblázat). Ezt az ablakok esetén háromrétegű, low-e bevonatos, nemesgáz töltetes ablakkal lehet kielégíteni, ezeknek az összesített sugárzásátbocsátó képessége azonban alacsonyabb (g = 0,5 vs. 0,65).

v03 – Kondenzációs gázkazán
Az alacsony hőmérsékletű gázkazán helyett jobb hatásfokú kondenzációs gázkazánt alkalmaztunk.

v04 – Hővisszanyerővel ellátott mechanikus szellőzés
A filtrációból/szellőztetésből származó hőveszteségek csökkentése érdekében hővisszanyerővel ellátott mechanikus szellőztetőrendszert tételeztünk fel. A hővisszanyerő hatásfoka 80%, a villamosáram-fogyasztás 0,45 Wh/m3. A légcsereszámot továbbra is n = 0,5 1/h-nak vettük az eredmények összehasonlíthatósága érdekében. Ez a lépés a hőveszteségek csökkenéséhez vezet, de új tételként megjelenik a légtechnika villamosenergia-igénye.

v05 – Még jobb hőszigetelés (passzívház szint)
A további energia-megtakarításra két út kínálkozik: vagy a hőszigetelési vastagságokat növeljük még tovább, vagy megújuló energiaforrásokat alkalmazunk. E lépésben a hőszigetelést növeltük annyira, hogy a nettó fűtési energiaigény megfeleljen a passzívház szabványban előírt 15 kWh/m2a értéknek.

v06 – Még további hőszigetelés
A következő lépésben azt vizsgáltuk, hogy érdemes-e a hőszigetelés vastagságát a passzívház szintnél is tovább fokozni.

v07 – Napenergia aktív hasznosítása
Az épületburok javítása helyett itt megújuló energiaforrásokat
alkalmaztunk. A hőszigetelési szint a v02 – v04 verziónak felel meg. A nyeregtetős épület egyik tetősíkjára (40°-os hajlásszög) szelektív síkkollektorokat helyeztünk, amelyeket használati melegvíz készítésre méreteztünk 60%-os szoláris részaránnyal. A maradék felületre polikristályos napelemeket feltételeztünk. A tetőfelület tájolását délkelet-dél-délnyugat között változtattuk, az árnyékolást enyhétől átlagosig (10 – 30%). Feltételezésünk szerint a tetőfelület 10 – 20%-a a kémények és egyéb akadályok miatt napenergia hasznosításra nem alkalmas.

v08 – Pelletkazán
Ebben a verzióban a napenergia helyett egy jó hatásfokú pelletkazánt vettünk figyelembe, amely a fűtési rendszert és a használati melegvíz készítést is ellátja.

4. Eredmények
Az 1. ábra az épületminta nem megújuló kumulatív energiaigényét mutatja, egy évre és 1 m2 fűtött alapterületre vetítve. A 2. ábra a nem megújuló energiaigény átlagértékeit ábrázolja.

Az épületminta teljes életciklusra vetített nem megújuló energiaigénye (kWh/m2a)

Teljes életciklusra vetített nem megújuló energiaigény, átlagértékek (kWh/m2a)

A mai szabályozásnak éppen megfelelő, kelet-nyugati tájolású épülethez képest a kedvezőbb tájolású v01 épület beépített energiatartalma természetesen nem változik (az ábrán világoskék az építés, sötétkék a felújítás energiaigénye), a teljes energiaigény viszont 5%-kal csökken.
A 2020-ra tervezett hőátbocsátási tényezőkkel épülő épület (v02) beépített energiatartalma nagyobb, de a fokozott hőszigetelés révén a fűtési energiaigény jelentősen csökken, és a teljes kumulatív energiaigény a kiindulási épülethez képest 24%-kal kevesebb.
A kondenzációs kazán beépítése (v03) a beépített energiatartalmat csak kis mértékben befolyásolja, de a jobb éves hatásfoknak köszönhetően további 5% összes energia-megtakarítás érhető el a v02 változathoz képest.
A vizsgálat szerint megéri hővisszanyerős szellőzést beépíteni (v04): a beépített energia kis mértékben nő, és bár a szellőzés villamosáram-felvétele megjelenik mint új tétel (lila sáv), a teljes életciklusra vetített kumulatív energia a kiindulási épülethez képest csak 64%. A fűtési energiaigény közel a felére csökken a v03 változathoz képest.
Ha továbbmegyünk, és még vastagabb hőszigetelést teszünk a házra (v05) – ezzel megfelelünk a passzívház szintnek – a teljes életciklusra vetített energiaigény 3%-kal tovább csökken. Ha azonban még tovább fokozzuk a hőszigetelést, már nem csökken tovább a teljes energiaigény: a passzívház szintű hőszigetelés optimálisnak tekinthető. Extrém vastagságú hőszigeteléssel a megtakarítás már nem növelhető.
A v07 változatban napkollektorokat és napelemeket is alkalmazunk. Ezeknek a rendszereknek jelentős a gyártási energiaigényük, de az üzemeltetési szakaszban nagymértékű energiamegtakarítást érhetünk el velük: a napkollektorok révén csökken a használati melegvíz nem megújuló energiaigénye, a napelemekkel termelt és helyben elfogyasztott vagy a hálózatba táplált energia pedig levonható az épület energiamérlegéből. A teljes kumulatív energiaigény kb. 20%-a a kiindulási épületének.
A pelletkazán beépítése a napenergia hasznosítással szemben a beépített energiatartalmat nem emeli jelentősen, az üzemeltetés során pedig mind a fűtés, mind a melegvíz készítés nem megújuló kumulatív energiatartalma csökken a megújuló energia felhasználás révén. Az összes kumulatív energiaigény a kiindulási épület 36%-a.

5. Összefoglalás
A kétszintes családi házak vizsgálata alátámasztotta, hogy a 2020-ra tervezett követelmények teljes életciklusra – itt 50 évre – vetítve is kedvező eredményt mutatnak, azaz a gyártás-szállítás és időszakos csere-felújítás energiaigényét figyelembe véve is jelentős energia-megtakarítást érhetünk el a mai hatályos követelményekhez képest. A hőszigetelő anyagok és jó minőségű ablakok környezeti szempontból is gyorsan megtérülnek, a hővisszanyerős szellőzéshez és a megújuló energiaforrásokhoz hasonlóan. Az elemzés ugyanakkor azt is megmutatta, hogy az extrém mértékű hőszigetelésnek viszont már nincs értelme: a passzívház szintű hőszigetelés a teljes életciklusra nézve optimálisnak bizonyult. Ha további megtakarítást szeretnénk elérni, érdemesebb nem az épületburokba fektetni, hanem inkább megújuló energiaforrásokat alkalmazó épületgépészeti rendszereket betervezni.
A másik tanulság, hogy míg egy mai új épület teljes életciklusában még mindig a fűtés dominál (kb. 60%), addig a közel nulla energiaigényű épületeknél az építés és felújítás már az 50 évre vetített összes kumulatív energiaigény közel fele. Azaz itt már valóban nagy a jelentősége annak, hogy miből építünk. Megtakarítás érhető el például újrahasznosított vagy alacsony beépített energiájú, tartós anyagok alkalmazásával.
Ez a számítás egy adott épületszerkezeti kialakítású kétszintes családi házakra vonatkozik. A számok természetesen eltérőek lennének, ha más szerkezeti vagy fűtési rendszerrel épült épületet elemzünk. Az életciklus-elemzés módszere azonban mindig jól használható, segítségével más típusú épületek vagy különböző szerkezetek, gépészeti rendszerek környezeti szempontú megtérülése is vizsgálható. A gyakorlatban a teljesség igénye miatt ez a vizsgálat kiegészíthető a költségekre vonatkozó számításokkal is.

Irodalom
7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról.
Csoknyai T.; Kalmár F.; Szalay Zs.; Talamon A.; Zöld A. (2012): A megújuló energiaforrásokat alkalmazó közel nulla energia fogyasztású épületek követelményrendszere. Kutatási jelentés Debreceni Egyetem. http://www.e-epites.hu/2400
Ecoinvent (2007): Ecoinvent data v2.0 and final reports ecoinvent 2000. Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Dübendorf, CD ROM.
Európai Parlament és Tanács (2002): 2002/91/EK irányelv az épületek energiateljesítményéről.
Európai Parlament és Tanács (2010): 2010/31/EU irányelv az épületek energiahatékonyságáról.
Feist W.: Passivhaus Standard. Passivhausinstitut. www.passiv.de
International Standardisation Organisation: Environmental Management – Life cycle assessment – Principles and Framework, ISO 14040:2006.
International Standardisation Organisation: Environmental Management – Life cycle assessment – Requirements and guidelines, ISO 14044:2006.
Szalay Zs. (2008): Modelling building stock geometry for energy, emission and mass calculations. Building Research & Information, 36 (6), p.557-567.

A Magyar Épületgépészet 2012/11. számának tartalomjegyzéke

Dr. Szalay Zsuzsa, BME Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék