Az Agóra Szeged Pólus intézmény gépészeti tervezése

A munka megbízója Szeged Megyei Jogú Város Önkormányzata, generáltervezője a BAHCS Művek Kft., Báger András és Helm Csaba volt. Az épületgépész tervezők: Mangel Zoárd, Kovács Zsolt és Kerék Attila voltak.

A cikk a Magyar Épületgépészet című szaklap 2012/12. számában jelent meg. Az eredeti cikk letölthető ITT, a lapszám tartalomjegyzéke pedig ITT.

Előzmények

Az épület tervezését pályázaton nyerte meg a fiatal építész csapat. Szerencsés együttállásként már a pályázat készítéskor is bekapcsolódtunk a tervezési feladatba. A pályázat számos elvárást definiált az épület energetikai elvárásaival kapcsolatban. A pályázat értékelésekor külön kiemelték a gépészeti rész energetikai koncepciójának kidolgozottságát.

Ezek után került sor az engedélyezési, majd a kiviteli tervek elkészítésére. A projekt építési munkáinak záró rendezvényére 2012. november12-én került sor. Az ünnepélyes közönség előtti megnyitás időpontja 2012. december 13. volt.

Általános ismertetés

A projekt célja egy interaktív kiállításnak helyet adó tér létrehozása, ahol közösségi kulturális rendezvények megtartása is biztosítható, a város magjában, mintegy görög Agóra funkcionáljon, ahol a tudás megszerzése, a tapasztalatok cseréje és a minőségi szórakozás egyszerre lehet jelen.

A pályázat készítésekor már bekapcsolódtunk a tervezési feladatba. Nem mondom, hogy csak a gépészek hatására, de az épület energetikai szempontból nagyon sikeresen tudta a helyi adottságokat kihasználni. A tervezés első pillanatától a koncepció fontos részeként működött a jó mikrokörnyezet, a jó épülettömeg kialakítás, a tömör, a fényt és hőt beeresztő passzív építészeti határoló felületek kialakítása, a belső terek kapcsolata a határoló szerkezetekkel. Ezekről egy külön cikket lehetne írni.

Hangsúlyozni kell: nagyon fontos, hogy az épületgépész energetikai szemlélete a tervezés első pillanatától ott legyen az épület kialakításának minden fázisában és erre megfelelő partner legyen az építész csapat. Ebben a munkában ezek a feltételek ideálisan létrejöttek.

A képen: 1 – extenzív zöldtető, 2– napelemek, 3 – napkollektorok, 4 – frisslevegő vétel – használt levegő kifúvás, 5 – extenzív zöldtető, 6 – intenzív zöldtető.

A déli és nyugati belső homlokzatok előtt alakul ki az Agóra tere, amelynek hűsítését szökőkutak biztosítják. A tetőn jól láthatóak a napelemek és a napkollektorok, amelyek az északi tájolású bevilágító ablakok déli lejtésű tetőire kerültek elhelyezésre. A déli és nyugati nappal terhelt homlokzatok külső árnyékoló rendszert kaptak.
Az északi oldalon domináns a homlokzati fal, melyet csak a megvilágításhoz szükséges ablakok törnek meg.

A gépészeti rendszerek általános koncepciója, környezet-tudatosság

A pályázati kiírásnak része volt egy „energetikai koncepcióterv”, amely vizionálta a várható primer energia trendeket. Az energetikai koncepcióterv a gázár vonatkozásában egy, a 2006-2008 közötti drasztikus árdrágulásnál is meredekebb gázenergia emelkedést jósolt. Szerencsére ez nem valósult meg, de a tervezett primerenergia-koncepciónkat meghatározta. Ennek fényében kezdtünk a hőszivattyús megoldás felé elmenni, itt is a talajkollektoros vagy a kutas rendszer felé, mivel éves szinten ezek hoznak elfogadható COP értéket.

Az épület a kiírás elvárásai alapján energetikai szempontból „A” kategóriás besorolású. Az épületszerkezeteket, a tömegkialakításokat, az üvegezett felületeket, valamint a gépészeti rendszereket mind e feltétel figyelembe vételével alakítottuk ki.

Az épületben a gépészeti rendszerek elsődleges feladata a tartózkodási területek komfortjának a biztosítása, lehetőleg minél kisebb egyenértékű primerenergia-felhasználással. A megfelelő komfortot a fűtő-hűtő és légtechnikai rendszerek biztosítják.

Az épület gépészeti rendszereinek környezet-tudatossága a következőkben nyilvánul meg:
• A fűtési és hűtési igények csökkentése épületszerkezeti elemek korszerű kialakításával.
• Primerenergia-ellátás nap- és elektromos energiával, elektromos hálózatról, kiegészítésként napelemekkel. A napelemek nem akkumulátorra, hanem az épületkomplexum saját hálózatára termelik a villamos energiát, a többletet pedig a hálózatba juttatjuk vissza.
• Fűtő-hűtő energiaellátás korszerű, kutas, vagy talajkollektoros hőszivattyúval, napkollektoros HMV termeléssel.
• A gáz és a tűzifa-biomassza primerenergia-ellátást elvetettük.
• A hőszivattyús rendszer a gázhoz képest már most kedvezőbb üzemeltetési költségeket eredményez – igaz magasabb beruházási összeg mellett – emellett a közvetlen környezetre vizsgálva a legtisztább megoldást adja.
• A tűzifa-biomassza üzemeltetési összegben kedvező, de véleményünk szerint korlátozottan áll rendelkezésre, valamint igazi előnyei, a logisztikája miatt a kistelepüléseknél jelentkezik.
• A légtechnikai rendszerek energia-takarékossága kiemelt szerepet kap, mivel az épületek korszerű hőszigetelése mellett a légtechnika a gépészeti rendszerek legnagyobb energiaigényű része. A tervezett rendszereket visszakeveréssel, forgódobos hővisszanyerővel, az igényekhez igazodó változó térfogatárammal, frekvenciaváltós ventilátorokkal, kis ellenállású légcsatorna-hálózattal, a nagy létszámú terek létszámához optimalizált frisslevegő mennyiségével alakítottuk ki.
• A helyiségek egyedi hőmérséklet-szabályozása, épület-felügyeletről vezérelve, lehetőséget biztosít a központi irányításnak a helyszínen hibásan beállított értékek ellenőrzésére, illetve felülbírálatára.
• A tervezett épület-felügyeleti rendszer az áttekinthetőségével, a szabadon programozhatóságával a szabályozás tekintetében a rendelkezésre álló eszközöket a leghatékonyabban tudja irányítani, szabályozni. Ezzel az épület technológiai és komfortigényeit magasabb színvonalon, kevesebb primer energiával lehet kiszolgálni, ezen felül a hagyományos rendszerekben megvalósíthatatlan feladatokat is kézben lehet tartani, illetve az adatgyűjtéssel a későbbi energetikai felülvizsgálatokhoz jelentős segítséget tud nyújtani a rendszer.
• A nyári időszakokban éjszakai átszellőztetéssel csökkentettük a hűtési igényt.

A tervezett rendszerek ismertetése
Nem kívánom az egész épület teljes gépészeti rendszerét ismertetni, sok olyan ismert, különlegességet nem tartalmazó rész van, aminek a leírását feleslegesnek tartom. Amit kiemelnék, azok a következők:

Primer energia ellátás

A villamos energiát a hálózatról biztosítjuk. A villamos energia csökkentésére napelemek telepítését terveztük. Az esetleges fölös energiát a hálózatba juttatjuk vissza, mivel a villamos energia tárolása túl sok problémát vet fel, illetve jelen környezetben nem célszerű.

A használati melegvíz nem jelentős, erre a 10 db, egyenként 2,0 m2-es napkollektor elégséges, 40%-os fedettséget biztosít.

Hűtés-fűtés

Először kútvizes hőszivattyús rendszer kialakítását terveztük. A terület adottságai elvileg erre lehetőséget adnak, a tervezés közben végzett vizsgálatok alapján azonban el kellett vetnünk ezt a megoldást.

Végül a jobban tervezhető, nagyobb üzembiztonságot nyújtó függőleges talajkollektoros rendszert terveztük meg. Ennek hatásfoka valamivel rosszabb, de még mindig jobb, mint a többi számításba vehető megoldás.

A hűtő-fűtő felületek vakolatos mennyezeti felületi elemek, valamint kaloriferek a fan-coil és légkezelő berendezésekben. A tervezett fűtővíz hőmérséklet 45/40/-15 °C, a hűtővíz hőmérséklet 10/15 °C a kaloriferekben, illetve 16/19 °C a felületi hűtőelemekben.

Uponor rendszerű, vakolatos felületfűtés szereléskor

A felületi hűtő-fűtő rendszerek közül a vakolatos rendszert választottunk. Ennek oka, hogy az álmennyezeti rendszerek rendkívül drágák, a födémszerkezetbe ágyazott rendszereknek pedig nagy a hőtehetetlensége. 2 400 m2 vakolatos felületi fűtő-hűtő rendszert sikerült kialakítanunk.

Jelentős problémát okozott, hogy egy ilyen közösségi épületben sok álmennyezeti részt kellett kialakítanunk, ahol a villamos energiaellátó rendszer, a légtechnika és a gépészeti csövek haladtak. Ennek megfelelően bizonyos területeket csak fan-coil berendezéssel tudtunk kiszolgálni.

A hűtő- és fűtőenergia-ellátás elvi sémája

Kétcsöves rendszert terveztünk, azaz az épületben hűteni, vagy fűteni lehet a rendszerrel. Ez a megoldás sok dilemmát okozott, hiszen számtalan olyan közösségi épület van, ahol egyszerre jelentkezik hűtési és fűtési igény. A részletes elemzés viszont azt mutatta, hogy az épület belső térkialakításait, valamint ezek kapcsolódását a külső térhez olyan szerencsés formában alakították ki, hogy egy napon belül nincs szükség egyszerre hűtésre és fűtésre. Természetesen az üzemeltetésnél gondosan kell eljárni, mert átmeneti időben könnyen lehet olyan időjárás-változás, hogy egyik nap fűteni kell, a másik nap pedig már hűteni. Az átállás éjszaka biztonságosan elvégezhető.
A hűtő-fűtő rendszerről egy egyszerűsített kapcsolási sémát készítettünk (lásd fent). Ezen jól látható a kétcsöves rendszer kialakítása.

A tervezett rendszer jellemző adatai a következők:

Felépítés:
• Függőleges talajkollektor rendszer
• A kollektorok és a gépészeti központ közötti csőhálózat
• Hűtő/fűtő központ a hőszivattyúkkal, primer és szekunder oldali hidraulikus ellátó rendszerrel.
A talajkollektoros rendszer adatai:
• Fajlagos kollektor-teljesítmény: 45 W/m
• Méretezési terhelés: 219 kW
• A kollektorhossz összesen: 4900 m
• A függőleges kollektorok darabszáma (100 m/db): 50 db
• Területigény (22 m2/db): ~1060 m2
A kollektorok talajterhelése:
• Csúcsigény (fűtés + HMV, tél): 240 kW
• Heti terhelés (fűtés + HMV, tél): 26 000 kWh/hét
• Éves terhelés (fűtés + HMV, tél): –117 000 kWh/év
• Éves terhelés (hűtés): +36 000 kWh/év
• Éves eredő terhelés: –81 000 kWh/év
A kollektor-rendszer méretezési folyadékhőmérséklete:
• Télen: –3,60 / +0,00 °C
• Nyáron: 29 / 35 °C

A méretezés a fűtés szempontjából mértékadó – a hűtésre számottevő többletkapacitás adódik ki –, az adatok megfelelnek a próbaszonda adataiból készített tanulmánynak, amely alapján a minimális kivehető folyadékhőmérséklet 25 éves távlatban –1,9 °C. A szakirodalom alapján 25 éves időtávlat után stacioner üzeműnek tekinthető a talajkollektor-rendszer.

A kollektorok és az épület között 2x NÁ160 méretű, 1,0 m-es homokágyba fektetett, hegesztett PE csőből alakítottuk ki a kapcsolatot.

A puffertartályról télen 45/40 °C-os fűtővízzel, nyáron 8/14 °C-os hűtővízzel szolgáljuk ki az épületet. A következő hidraulikai köröket terveztük:
• Légkezelőket kiszolgáló hidraulikai kör
• Fan-coil berendezéseket kiszolgáló hidraulikai kör
• Felületi fűtő-hűtő berendezéseket kiszolgáló hidraulikai kör

A tervezett rendszer főbb műszaki adatai
• Fűtési igény (transzmisszió + filtráció): 155 kW
• Légtechnika: 141 kW
• Összesen: 296 kW
• A minimálisan figyelembe vehető belső hőterhelés: 32 kW
(A minimális belső hőterhelést annak megfelelően számoltuk, hogy a légtechnika akkor üzemel 100%-on, ha az épületben lévő létszám legalább 200 fő, és az egyéb belső hőtehelések is legalább a 200 fővel azonos nagyságrendű hőterhelést képviselnek.)
• Egyidejű fűtési igény: 264 kW

• Hűtési igény (transzmisszió + filtráció): 19 kW
• Egyidejű szoláris hőterhelés: 32 kW
• Egyidejű belső hőterhelés (emberek + technika): 55 kW
• Légtechnika: 107 kW
• A légtechnikával a belső térből elvitt hőenergia: –47 kW
• Egyidejű hűtési igény: 166 kW
A beépített hűtési kapacitás, a hűtőegységek oldaláról:
• Felületi hűtés összesen: 106 kW
• Légtechnika, belső térben érezhető: 47 kW
• Fan-coil berendezések: 63 kW
• Összesen: 216 kW

• A tervezett fűtőteljesítmény: 290 kW (45 / 40 °C, -3,6 / 0,0 °C)
• Tervezett hűtőteljesítmény: 332 kW (8/14 °C, 30/35 °C)

A tervezett hőszivattyú AERMEC WSH 0701X. Jellemzői:
• Fűtés: 145 kW (COP: 3,52 t = 45 / 50 / -3,6/0,0 °C)
• Hűtés: 166 kW (EER/ESEER: 4,61 / 5,11)
• Hangteljesítmény: Lw = 78 dB(A)
A puffertartály mérete: 1,00 m3
A felületi hűtési vezetékhálózatban minden egyes felület egység térfogatáram szabályozó szelepet kapott, típus: Danfoss ABQM, elektrotermikus motorral.

Légtechnika

A légtechnikai rendszerek elsődleges feladata – a konferencia- és előadótermek kivételével – a helyiségek frisslevegő-ellátása. A befújt kezelt levegőt előhűtjük és előfűtjük, de ez önmagában nem biztosítja az egyes helyiségek hűtését, fűtését.

A fűtésnél a helyiségben csak a transzmisszióhoz és a filtrációhoz szükséges hőteljesítményt kell biztosítani.
A hűtésnél a befújt levegő figyelembe vehető a hűtési teljesítménynél, azaz ha egy helyiségbe 200 m3/h kezelt, előhűtött levegőt juttatunk be, akkor a helyiségbe telepített hűtőegységnek 400 W-tal kisebb a hűtési teljesítmény-igénye.

A kialakított légtechnikai rendszerek

L-1 Nagyelőadó és konferencia termek – (AHU-1)

Ez a légtecnikai rendszer a többitől eltérően a kiszolgált terek fűtését és hűtését is biztosítja. A termekben nincs felületi hűtés-fűtés. A kiselőadó terem esetében utófűtőt és utóhűtőt terveztünk a rendszerbe, amely a terem használatát megelőzően elő tudja fűteni, illetve hűteni a helyiséget, önálló recirkulációs ventilátor segítségével.

A nagyelőadó terem felső befúvást kap, ami a tartózkodási terület szempontjából egy oldalsó elárasztásos szellőzésnek felel meg, az elszívás a felső álmennyezeten keresztül történik. A légcsatorna-hálózatba könyök és kulisszás hangcsillapító elemeket, míg a kiselőadó terem esetében elárasztásos befúvást és mennyezet alatti elszívást terveztünk.

A levegőkezelést egy 17 100 m3/h (45 m3/h/fő) teljesítményű, építőelemes légkezelő biztosítja, hővisszanyerővel, by-pass ággal, frekvenciaváltós, direkt hajtású ventilátorokkal. A szükséges frisslevegő 30 m3/h, téli idényben (tk <–5 °C) 20 m3/h.

Ezek alapján a berendezés max. fűtési igénye tk = –20 °C-nál, 70%-os hővisszanyerés mellett a következőképpen alakul:
• Frisslevegő: 7 600 m3/h
• Visszakevert levegő: 9 500 m3/h
• Belső hőterhelés: 34 600 W
• Befújt léghőmérséklet: +22 °C
• Elszívott léghőmérséklet: +28 °C
• A hővisszanyerő utáni primer levegő hőmérséklet: +14 °C
• A hővisszanyerő szabályozott hatásfok-igénye: 67%

Mivel a hővisszanyerő hatásfoka maximum 70% lehet, ezért a berendezést vissza kell szabályozni (!), azaz nincs szükség a befújt levegő utófűtésére (!!!).

Nagy előadóterem, elszívás a lámpa csíkok közötti résen, befúvás az alacsonyabb belmagasságú részen két oldalt, végig

L-2 Általános területek légkezelő berendezése (AHU-2)

A légvezetés felső befúvás, felső elszívás kialakításúak. Egy 14 430 m3/h teljesítményű, építőelemes légkezelő biztosítja a légkezelést. A légkezelő felépítése azonos az AHU-1 berendezéssel

L-3 Az átrium frisslevegő és mellékhelyiségek elszívó rendszere (AHU-3)

Ennek a rendszernek a feladata az átrium frisslevegő ellátása, valamint az átriumon keresztül – ajtóba, illetve falba épített átszellőzőkön – a mellékhelyiségek elszívásának biztosítása. Külön befúvó elszívó egységet terveztünk, közvetítő közeges hővisszanyeréssel.

L-4 Éjszakai átszellőztető rendszerek

Az eredeti elképzeléstől eltérő éjszakai átszellőztetést terveztünk. Ennek oka az épület belső térbeli megosztottsága, valamint a biztonságtechnikai elvárások kielégítése. Az épület éjszakai átszellőztetését az AHU-1, -2, -3 jelű üzemi szellőzőrendszer működtetésével tudjuk biztosítani.

Átmeneti és nyári időszakban, amennyiben a belső és külső hőmérséklet különbség meghaladja a 6 °C-ot, az átszellőztetés COP értéke jobb, mintha hűtő rendszerrel biztosítanánk az épület hűtését.

Május 15-től augusztus 31-ig – amikor a hűtésre szükség lehet – átlagosan a 109 napból 69 olyan nap van, amikor legalább két órán keresztül üzemelhet az éjszakai átszellőztetés.

A rendszerhez plusz gépészeti berendezésre nincs szükség, csak az épületfelügyeleti szoftvert kell kiegészíteni ezzel a funkcióval.

Automatika

Az épület gépészeti rendszereit szabadon programozható épületfelügyeleti rendszer szolgálja ki, amely a következő berendezéseket vezérli, illetve felügyeli:
• Tüzivíz nyomásfokozó szivattyú
• Hűtő-fűtő központ
• Használati melegvíz ellátás
Az automatika szabályozza, vezérli, illetve felügyeletet tart a következő rendszereken:
• A helyiségek hűtése, fűtése, a légtechnika és a fűtő/hűtő egységek optimális szabályozásával.
• A légtechnikai rendszerek szabályozása, felügyelete.
• A hűtő- és fűtőenergia-ellátás szabályozása, felügyelete.
• A vészüzemi rendszerek vezérlése, felügyelete.

A felügyeleti rendszerre felkerült az összes rendszer szabályozási-vezérlési sémája, üzemi és beállított paraméterek, beavatkozók megjelenítésével, időbeli beosztásával.

Az épület-felügyeleti rendszer lehetővé teszi az épület gépészeti rendszereinek optimális illesztését az épület igényeihez, ezzel biztosítva a legmagasabb komfortot és a leghatékonyabb energia felhasználást, valamint az üzemeltetés, karbantartás, hibakijavítás időbeli követését, dokumentálását.

Az épület üzemeltetésében célszerű évenként felülvizsgálni a rendszer vezérlő programjait és illeszteni-módosítani az előző év üzemi tapasztalatai, valamint a berendezésben felhalmozott adatbázis alapján.

Összefoglalás
• Nem kívántunk csodát tenni.
• Pusztán azt tettük, ami a mai elérhető technikai szinten már kipróbált, biztos lábakon álló technológia, amivel nem kerülhet váratlan, kellemetlen helyzetbe az építtető, az üzemeltető.
• Ennek ellenére azt látjuk, hogy a gépészeti rendszerek a legtöbb mai középületben ritkán állnak össze ilyen mértékben.
• A talajkollektoros hőszivattyúval, a hozzá installált alacsonyhőmérsékletű felületi fűtő-hűtő rendszerrel, valamint a légtechnikai rendszer változó térfogatáramával, forgódobos hővisszanyerésével a maximumot hoztuk ki a ma rendelkezésre álló technológiából.
• Amit kiemelnék a munkánkban, hogy ezt az érintett szakágak komplex kezelésével próbáltuk megoldani.

Mangel Zoárd