Az épületek utólagos hőszigetelési munkáinál rendszeresen visszatérő kérdés: mit kockáztatunk, ha nem szigeteljük körbe a vasbeton erkélylemezeket? Megéri-e az evvel járó többlet költségeket vállalni?

A válaszok megfogalmazásához szeretne támpontot adni írásunk, hangsúlyozva, hogy minden eltérő szerkezetet számításokkal kell megvizsgálni.

A VIZSGÁLT SZERKEZETEK

A bemutatott példában egy hazánkban tipikusnak mondható falszerkezetet és konzolos erkélylemez megoldást választottunk ki. A külső térelhatároló falazat 38 centiméter vastagságú vázkerámia falazóelemekből, hagyományos falazóhabarcs felhasználásával épült, mindkét oldalán vakolt felülettel. A monolit vasbeton födémszerkezet a belső terek között 20 centiméter, az erkélyen 15 centiméter vastagságú, átmenő lemezkonzolként van megoldva. A padlószerkezet 10 centiméter összvastagságú, benne 3 centiméter úsztató réteggel. Az erkélyen 5-7 centiméter között változó vastagságú, lejtést adó betonra készített kerámia lapburkolatot vettünk számításba. A vasbeton koszorú külső oldalán 8 centiméter vastagságú hőszigetelést feltételeztünk. Az alsó és a felső teret egyaránt fűtöttként vettük számításba.

A SZÁMÍTÁSI MODELL

Kétdimenziós végeselemes hőhídszimulá­ciós program (LBNL THERM 7.0.20.0.) segítségével meghatároztuk az alsó és a fölső térben a legalacsonyabb felületi hőmérsékleteket, amelyek a külső fal belső síkjának a födémmel, illetve a padlósíkkal történő metszésénél, a hajlatban találhatók. Ezek a hőmérsékletek a csomópont állagvédelmi és hőérzeti megítélése során érdekesek.

A felületi állagvédelmi ellenőrzést az MSZ-04-140-2:1991 [2] szabvány 6. fejezete szerint elvégezhetjük. A szabvány hiányossága, hogy nem szabja meg, hogy például egy lakóépületben a hőhidak felületi hőmérsékletének mi az elvárt legalacsonyabb értéke, illetve mi a megengedhető nedvességtartalom elvárt legalacsonyabb értéke. A szabvány csak azt a követelményt támasztja, hogy a rendeltetésszerű használatnak megfelelő belső léghőmérséklet, nedvességfejlődés és légcsere mellett a határoló szerkezet legkedvezőtlenebb szakaszán a belső felületi hőmérséklethez tartozó relatív levegő nedvességtartalomnak alacsonyabbnak kell lennie a lehűlő határolószerkezetek belső felülete mentén lévő határrétegben fellépő azon relatív légnedvességnél, amely mellett a felületképző rétegben a kapilláris kondenzáció megkezdődik. A szabvány a saját léptékben mért hőmérséklet legalább 0,65 értéke, és egyidejűleg legalább 25 m³/óra/fő légcsere fennállása esetén megengedi a részletes vizsgálat elhagyását. A légcserének természetesen fűtőteljesítmény fedezettel kell rendelkeznie.

A magyar szabványhoz igen hasonló a DIN-4108-2 [1] amely „ökölszabályszerűen" alkalmazható. A saját léptékben mért hőmérséklet határértékét ≥ 0,7 értékben adja meg Θ_e = –5 °C külső és Θ_i = 20 °C belső léghőmérséklet, valamint φ_i = 50%-os belső relatív páratartalom mellett. A különbség mindössze annyi, hogy a magyar szabvány nem adja meg az elvárt belső páratartalom értékét.

A DIN szabványban rögzített peremfeltételek (külső és belső léghőmérséklet és relatív páratartalom) a saját léptékben mért hőmérséklet 0,7 értéke azt hivatott biztosítani, hogy a szerkezet felülete sehol sem hűl 12,5 °C alá, ami az adott légállapotok (20 ºC és 50 százalék) mellett 80 százalékos relatív páratartalomnak felel meg a felületen (a penészspórák csírázásának megindulásához nem szükséges a 100 százalékos páratartalom elérése). Mivel ez a viszonylag egyszerű számítási módszer, csak a szerkezet stacioner (időben) állandó hővezetését veszi figyelembe – a valóságban meglévő termikus késleltetés és csillapítás, valamint a nedvességvezetés és tárolás különféle folyamatait nem –, ezért megfelelő „biztonsági tényezőket" alkalmaz annak érdekében, hogy a kapott eredmény lehetőleg a biztonság javára tévedjen. Ezért a belső felületi hőátadási tényező az energetikai számításoknál megszokott értékénél egy jóval kisebb: h_i = 4 W/m²K –es értéket vesz figyelembe, ami egy jóval megnövelt felületi ellenállásnak felel meg, és így a szokványostól alacsonyabb felületi hőmérsékleteket eredményez. Így vehetjük figyelembe a sarkokban kialakuló gyengébb konvekció, kisebb sugárzásos hőátadás és az esetleges bútorozás negatív hatását.

A saját léptékben mért hőmérséklet képlete:

f_Rsi = (Θ_si-Θ_e) / (Θ_i-Θ_e)

ahol:
f_Rsi [-]    a saját léptékben mért hőmérséklet
Θ_si [°C]  a vizsgált felületi hőmérséklet
Θ_i [°C]   a belső léghőmérséklet
Θ_e [°C]  a külső léghőmérséklet

Az energetikai számításokhoz, illetve az adott csomóponti megoldások energetikai értékeléséhez szükséges vonalmenti hőátbocsátási tényezőket is meghatároztuk a program segítségével. Ezen számítások az MSZ-EN-ISO 10211 szabvány [4], illetve az energetikai számításokhoz használatos szokványos felületi hőátbocsátási tényezők alapján történtek (lásd: MSZ-EN-ISO 6946 [3]).

A SZÁMÍTÁSI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE

A számítási eredményeket az 1. táblázat foglalja össze.

A táblázat első sorában tüntettük fel a kiinduló szerkezet megítéléséhez szükséges főbb adatokat. A vizsgált falazat egydimenziós hőátbocsátási tényezője mellett a belső méretek alapján számított vonal menti hőátbocsátási tényezőt, valamint mind a födém alján, mind a tetején a fal és a födém találkozásánál kialakuló legalacsonyabb felületi hőmérsékletet, illetve saját léptékben mért hőmérsékletet tüntettük fel.

Eredeti állapot

Látható, hogy a födém alsó síkján Θ_si,min = 12,1 ºC a legalacsonyabb felületi hőmérséklet Θ_e = –5 ºC külső, valamint Θ_i =20 ºC belső léghőmérséklet mellett.

A „saját léptékben mért hőmérséklet":  f_Rsi = 0,684, így egy 50 százalékos belső relatív páratartalmat feltételezve a kritikus pontban kialakuló felületi relatív páratartalom φ_max = 82,83 százalék. A kiinduló szerkezetünk nyilvánvalóan jelentős hőhidat képvisel és a DIN szabványban rögzített minimum felületi hőmérséklet kritériumnak nem is felel meg. Mivel azonban egy meglévő szerkezetről van szó, nem elégszünk meg a szabványos ellenőrzésnek való nem megfelelés megállapításával, egy egyszerű számítással vizsgáljuk meg, hogy mik a feltételei annak, hogy a szerkezet meghibásodás nélkül működjön.

A penészspórák kicsírázásához megfelelő táptalaj és megfelelő nedvességtartalom szükséges. Mivel építőanyagaink több-kevesebb felületi szennyeződéssel majdnem mindig alkalmasak valamilyen penészgomba kicsírázására, ezért gyakorlatilag az egyetlen vizsgálandó feltétel a megfelelő nedvességforrás. A penészspórák akkor képesek az életműködésükhöz szükséges nedvességet felvenni, ha a táptalajban legalább egy több molekula vastag vízréteg jelen van. A szilikát építőanyagok esetében a pórusfalakon kialakuló több molekula vastag vízfilm megjelenése a kapillárkondenzáció jelenségével van kapcsolatban. Kapillárkondenzáció alatt azt értjük, amikor a kisméretű pórusokban a telítési páranyomás elérése előtt is jelentősen megnő a pórusok vízfelvétele. A legtöbb építőanyag szorpciós izotermájából leolvasható (hirtelen növekedésnek indul az egyensúlyi nedvességtartalom) az a relatív páratartalom, ahol a kapilláris kondenzáció megindul. Ez ökölszabályként a legtöbb anyagnál a 80 százalékos relatív páratartalomnak felel meg (A MSZ-04-140-2:1991 szabvány [2] 75 százalékos relatív páratartalmat határoz meg.).

Ebből is látható, hogy a penészesedés kockázatának megítéléséhez, nem a kondenzáció, hanem a körülbelül 80 százalékos (75 százalékos) felületi relatív nedvességtartalom meglétét kell támasztani.

A penészmentesség feltétele, hogy a csomópontban ne indulhasson meg a kapilláris kondenzáció. Mivel a felületi hőmérsékleten adott szerkezet esetén nem tudunk változtatni, ezért a belső levegő nedvességtartalmát kell úgy szabályoznunk, hogy ne alakuljanak ki a penészesedés előbb ismertetett feltételei.

Az MSZ-04-140-2:1991 szabvány [2] M.4.2. Mellékletében megadott grafikon a belső tér nedvességterhelése, a szellőzés és a kapilláris kondenzáció összefüggéseit mutatja. Segítségével közelítőleg meghatározhatjuk, hogy adott nedvességfejlődés és saját léptékben mért felületi hőmérséklethez mekkora légcserét kell biztosítanunk ahhoz, hogy a belső levegő relatív nedvességtartalmát a kritikus hőhidunk szempontjából elfogadható szinten tartsuk.

A diagramból kiolvasható, hogy a vizsgált csomópont penészmentes állapotának fenntartásához a szellőző levegővel köbméterenként és óránként legfeljebb 5,2 g vízpárát szállíthatunk el. Az M.4.4 Melléklet diagramjaiból kiolvasható, hogy a megkapott kritikus felületi hőmérséklet (Θ_si,min = 12,1ºC ) alapján a megengedhető relatív nedvességtartalom a belső térben 44 százalék. A fejlődő pára pontos ismeretében ez alapján kiszámítható a légállapot fenntartásához szükséges szellőzőlevegő térfogatárama (1. ábra).

Kívülről hőszigetelt falazat az erkélylemez hőszigetelése nélkül

A továbbiakban megvizsgáltuk a példaként választott szerkezetünket 8 centiméter vastagságú, külső oldalról felragasztott hőszigeteléssel és vékonyvakolattal. Az erkély padlószerkezetét változatlanul hagytuk ebben az esetben.

Az eredményeket a táblázat második sorában tüntettük fel. Az épületenergetikai szempontból lényeges hőátbocsátási tényező, és vonalmenti hőátbocsátási tényező értékei a várakozásoknak megfelelően csökkentek. A saját léptékben mért hőmérséklet a födém alsó síkján pedig emelkedett: f_Rsi = 0,74. A már hivatkozott szabvány [2] M.4.4 Mellékletének diagramjaiból kiolvasható, hogy a megengedhető relatív légnedvesség a belső térben 48 százalék. A penészmentes állapot fenntartásához a szellőző levegővel m³-ként 6,1 g vízpárát szállíthatunk el. Látható, hogy a belső térben magasabb páratartalom engedhető meg, hiszen 44 százalékról 48 százalékra nőtt a levegő megengedhető relatív nedvességtartalma. Változatlan nedvességterhelés mellett pedig 15 százalékkal kevesebb légcserével biztosítható a penészmentes belső felület (2. ábra).

Kívülről hőszigetelt falazat az erkélylemez körbehőszigetelésével

Az erkély szerkezetének körbe hőszigetelésének épületenergetikai és épületfizikai hasznát vizsgáltuk meg a következőkben. Ehhez természetesen el kell bontani a vasbeton erkélylemez felett lévő rétegeket: a lejtést adó betont és a burkolatot. A födémre alulról és felülről egyaránt 5 centiméter vastagságú hőszigetelés beépítését tervezzük. Az alsó oldalon tapaszágyba fektetett üvegszövetháló, valamint vékonyvakolat készül. A felső oldalon vasalt beton, csapadékvíz elleni bevonatszigetelés és lapburkolat kerül a hőszigetelésre. A belső térben lévő, mindössze 10 centiméter vastagságú padozati vastagság megnehezíti, illetve szűk határok közé szorítja az erkélylemezre kerülő rétegrend kialakítását.A táblázat harmadik sorában tüntettük fel az erkélylemez körbe hőszigetelésének figyelembe vételével kapott számítási eredményeket.Megállapítható, hogy a vonalmenti hőátbocsátási tényező 41 százalékkal csökkent a körbe hőszigetelés eredményeként. A saját léptékben mért hőmérséklet: f_Rsi = 0,824 értékre növekedett.

A már hivatkozott szabvány [2] M.4.4 Mellékletének diagramjaiból extrapolálva, a megengedhető relatív légnedvesség a belső térben kb. 55 százalék. Látható, hogy a belső térben magasabb páratartalom engedhető meg, hiszen 44 százalékról 55 százalékra nőtt a levegő relatív nedvességtartalma. Változatlan nedvességterhelés mellett pedig 27 százalékkal kevesebb légcserével biztosítható a penészmentes belső felület. Az MSZ-04-140-2:1991 szabvány [2] M 4.2 diagramjából kiolvasható, hogy a penészmentes állapot fenntartásához a szellőző levegővel köbméterenként 7,1 g vízpárát szállíthatunk el. A fejlődő pára ismeretében ez alapján kiszámítható a légállapot fenntartásához szükséges szellőzőlevegő térfogatárama (3. ábra).

Megvizsgáltuk a csomópont termikus tulajdonságainak alakulását 8 centiméter vastagságú, a homlokzati falra belső oldalról felragasztott hőszigetelés esetén is annak érdekében, hogy a külső és belső oldali hőszigetelés közötti különbségre rávilágítsunk. A táblázat negyedik sorában tüntettük fel a számítás eredményeit. Látható, hogy a vonal menti hőátbocsátási tényező magasabb, mint a külső oldali hőszigetelés esetén.

Látványosabb a különbség a csomópont legalacsonyabb felületi hőmérsékletében (12,6 ºC). A saját léptékben mért hőmérséklet: f_Rsi = 0,704 értékre változott. A hivatkozott szabvány [2] M.4.4 Mellékletének diagramjaiból kiolvasható, hogy a megengedhető relatív légnedvesség a belső térben 45 százalék. Az M 4.2 Melléklet diagramjából kiolvasható, hogy a penészmentes állapot fenntartásához a szellőző levegővel köbméterenként 5,5 g vízpárát szállíthatunk el. Látható, hogy a belső térben csak 1 százalékkal magasabb páratartalom engedhető meg, mint az eredeti állapotban (4. ábra).

Végül megvizsgáltuk azt a lehetőséget, hogy csak az erkélylemezt szigeteljük, anélkül, hogy a homlokzat hőszigetelését elkészítenénk. A számítások eredményeit az 1. táblázat 5. sorában láthatjuk. Ezzel az intézkedéssel a kritikus csomópont saját léptékben mért hőmérséklete jelentősen megemelkedett. Az eredeti állapot f_Rsi = 0,684 értéke f_Rsi =0,748-ra növekedett. Ami a gyakorlatban azt jelenti, hogy a megengedhető relatív légnedvesség 44 százalékról 50 százalékra növekedett (5. ábra).

A számítási eredmények összefoglalása és a tanulságok

Ismét ki kell emelnünk, hogy a jelen cikkünkben bemutatott számítások csak egy aktuális probléma szemléletes körbejárását szolgálják, nem tekinthetőek a vizsgált szerkezeti megoldások bármilyen értékelésének. A valóságban minden egyes tervezési feladat egyedi elbírálást igényel. Továbbá a könnyű érthetőség kedvéért a kiválasztott számítási módszerek komoly egyszerűsítéseken alapulnak, ezért több, a penészesedés szempontjából igen fontos tényezőt nem tudnak figyelembe venni. Azonban így is lehetőségünk volt bizonyos tendenciák megállapítására melyek a tervezőnek hasznára válhatnak.

Az eredeti állapotban a teljesen hőszigeteletlen erkélylemez igen jelentős hőhidat képvisel. Egy átlagos lakást és körülbelül 3 méteres szintmagasságot feltételezve egy vízszintes folyóméterre vetítve a falazat és az erkélylemez hőveszteségeinek aránya kb. 2:1. A kialakuló igen alacsony felületi hőmérsékletek mellett, csak a megfelelően nagy légcsere biztosíthatja a lakás higiénikus használatát, ami további jelentős energiaveszteségeket jelent. A penészmentes állapot „megfelelően rossz" légzárású ablakokkal és elégséges szellőztetéssel esetleg fenntartható. Egy esetleges ablakcsere és fűtéskorszerűsítés után – különösen nagy lakósűrűség esetén –, megnövekedett légzáróság mellett pusztán kézi szellőztetéssel már igencsak kérdéses a szükséges mértékű légcserét biztosítani.

A várakozásoknak megfelelően a homlokzati hőszigetelés során a vasbeton erkélylemezek szigetelés nélkül hagyásával az elérhető energiamegtakarítás kisebb mértékű, mint a körbe hőszigetelt változatnál. De érdemes megjegyezni, hogy a falak hőszigetelésével önmagával a vasbeton erkélylemezt nem lehet még „hőhidasabbá" tenni. A falak és a vasbeton lemez hőveszteségeinek relatív különbsége nő, de az abszolút érték az erkélylemez esetében is valamelyest csökken (ha nem így lenne, az ellentmondana a termodinamika törvényeinek, hiszen a hővezetési ellenállást végeredményben növeltük). A külső hőszigetelés hatására a kritikus felületi hőmérséklet is megnövekedett, azonban a tetemes anyagi ráfordítással elvégzett felújítás ellenére továbbra is gyenge pontja maradt a szerkezetnek, ami épületfizikai meghibásodásokhoz vezethet.

Az erkélylemez körbe hőszigetelésével a kritikus felületi hőmérséklet jelentős növekedését lehet elérni, ami a belső térben megengedhető páratartalom magasabb értékét is lehetővé teszi, illetve jelentősen csökkenti a penészedés kialakulásának kockázatát. Változatlan nedvességterhelésű belső tér esetén a szellőzőlevegő szükséges mennyisége csökkenthető, ami további energiamegtakarítást jelent. Azonban érdemes megfigyelni, hogy a vasbeton lemez hőveszteségei továbbra is jelentősek, különösen a hőszigetelt falakhoz képest. Tehát körbehőszigeteléssel sem tehető egy erkély „hőhídmentessé", hiszen a külső és belső lehűlő felületek különbsége nem csökkenhet, a hőszigetelés miatt a belső térből „fűtött" erkélylemez a kültérben relatív magas hőmérsékletű marad és nagy felületen tud hőt leadni.

Az erkélylemez körbe hőszigetelése az energiatakarékosság mellett a belső tér javuló hőkomfortjával is hasznot hoz (mind a nagyobb belső felületi hőmérsékletek, mind a nagyobb, elérhető légzáróság miatt).

Amennyiben csak a belső térben kívánjuk a penészedés kialakulásának kockázatát csökkenteni, akkor az erkélylemez körbe hőszigetelésével is jelentős eredményeket érhetünk el bizonyos esetekben.

A belső oldali hőszigetelések általában csak védendő homlokzatú épületeknél szoktak szóba kerülni, azonban a szerkezeti lehetőségek teljességének ismerete végett érdemes ezt a megoldást is megvizsgálni. Bizonyos esetekben még akár viszonylag új épületeknél is szóba jöhet a belső oldali hőszigetelés (például kőburkolatos homlokzatok stb.). A belső oldali szigetelések épületfizikai méretezése önmagában is rendkívül összetett kérdés, ezzel cikkünkben nem kívántunk foglalkozni. A jó összehasonlíthatóság végett a külső és belső oldali szigetelésnél ugyanazt a 8 centiméteres vastagságot vettük figyelembe, mivel a belső oldalon általában ez az alkalmazható vastagság felső határa. Ennél a változatnál az erkélylemez okozta hőhíd hatása alig csökkenthető. Ez megmutatkozik a vonal menti hőátbocsátási tényező viszonylag magas értékében (ami azonban itt is alacsonyabb az eredeti szerkezethez képest), valamint a megengedhető páratartalomnál alig kimutatható növekedésnél. Belső oldali hőszigeteléseknél a hőszigetelés befordításával lehetséges további javulást elérni.

A kérdést minden esetben meg kell vizsgálni épületenergetikai és épületfizikai, állagvédelmi szempontból is. Ne hagyjuk figyelmen kívül, hogy a hőszigeteléssel egyidejűleg beépített új nyílászárók légzárása rendszerint lényegesen nagyobb, mint a régi szerkezeteké, ezért a helyiségek légcseréje spontán módon, filtrációval általában nem éri el a penészmentes állapot fenntartásához szükséges mértéket.

Bakonyi Dániel
okl. építészmérnök, doktorandusz, BME Épületszerkezettani Tanszék

Dr. Kakasy László
okl. építészmérnök, egyetemi adjunktus, BME Épületszerkezettani Tanszék