Dr. Gável Viktória: Hatékony energiagazdálkodás a betonépítészetben
Az utóbbi időben, amikor az energiahatékonyság nemcsak gazdasági, hanem környezetvédelmi szempontból is egyre fontosabb, a beton alkalmazási lehetőségének kérdése is mindinkább előtérbe kerül a környezetbarát megoldások kidolgozásánál. Ebből a szempontból két irányvonal van kibontakozóban, melyek egyaránt a beton hőtároló képességét igyekeznek kihasználni:
A beton jó hőtároló képességét elsősorban viszonylag nagy tömege biztosítja. Alapelvét tekintve ugyanúgy működik, mint az évszázadokkal ezelőtt épült várak és templomok vastag kőfalai.
A 2. pontban említett alkalmazás, mondhatni, teljesen „új a nap alatt”. Ekkor a naphőerőmű által összegyűjtött hőenergiát egy hőtároló közegbe vezetik, ahonnan az energiaátalakító rendszer egyenletes működését biztosítják.
A betonnak mint energiatároló közegnek a felhasználása igen széles területet ölelhet fel, de az elsődleges célterület mindenképpen az energiahatékony és környezetbarát megoldások fejlesztése. A beton számos kiváló tulajdonsága lehetőséget ad ezen új technológiákban történő felhasználására.
A HŐENERGIA TÁROLÁSÁNAK ALAPJA: A FAJHŐ
Különböző anyagok hőközlés hatására nem egyformán melegszenek. Az anyagok ezen tulajdonságának jellemzésére szolgál a fajhő (c), vagy pontosabban a fajlagos hőkapacitás, mely megadja, hogy mennyi hőt (Q) kell közölni egységnyi tömegű (m) anyaggal ahhoz, hogy hőmérséklete (T) egy fokkal emelkedjen. 
A fajhőnek nagy jelentősége van a hőhordozó közegek kiválasztásánál. Ugyanis például a levegő fajhője kicsi, ezért egy adott mennyiségű hőt csak több levegő képes elvinni, mint a víz, aminek a természetben nagy mennyiségben előforduló anyagok közül a legnagyobb a fajhője[1].
Építészeti szempontból azonban a beépített anyagoknak nem feltétlen a tömege az elsődleges, hanem az általa elfoglalt térrész, azaz a térfogata. Ha a fajhő értékeket átszámítjuk térfogategységnyi anyagra, akkor mindjárt jobban kitűnik a beton kedvező hőkapacitása. Eszerint 1 m3 beton 3-szor több hőt képes tárolni, mint például 1 m3 fenyőfa[2]. Ugyanakkor például a fémes épí- tőanyagokat – kedvező hőkapacitásuk ellenére – nem előnyös hőenergia tárolására használni egyéb, ebből a szempontból kedvezőtlen tulajdonságaik miatt (1. táblázat).
1. táblázat: Néhány építőanyag fajlagos fontosabb hőtechnikai tulajdonságai [2-4]
A „20-20-20” CÉL
A beton mint energiatároló anyag épületekben történő felhasználásának kérdése az Európai Parlament és a Tanács 2010/31/EU Irányelve (2010. május 19.) az épületek energiahatékonyságáról (továbbiakban: Irányelv) kapcsán került előtérbe. Ez az Irányelv ugyanis számos olyan elvárást fogalmaz meg, melyek teljesítésében jelentős szerepet játszhat a beton mint építőanyag eddiginél szélesebb körű felhasználása.
1. ábra: Az Unió teljes energiafogyasztásának megoszlása [5]
Az Irányelv szerint az unió teljes energiafogyasztásának 40%-a az épületekkel kapcsolatos (1. ábra), ezen belül az épületek energiafogyasztásának 2/3-a fűtésre/hűtésre fordítódik.
Ezért az energiafogyasztás csökkentése az épületekben valamint a megújuló forrásból származó energia felhasználása szükséges, fontos intézkedés az unió energiafüggőségének és az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának csökkentéséhez. Ezt az Irányelvet gyakran „20-20-20-cél”-ként is említik, mivel az unióra vonatkozóan az alábbi, 2020-ig elérendő, igen ambiciózus célkitűzéseket tartalmazza:
Az Irányelv további elvárásokat is megfogalmaz, melyeket a fenti célok elérésekor mindenképpen figyelembe kell venni. Ezek egyike, hogy az intézkedések nem érinthetik az épületekre vonatkozó olyan követelményeket, mint az akadálymentesség, a biztonság és a rendeltetésszerű használat. Ebből a szempontból is előnyös lehet a betonszerkezetek építése, hiszen az említett elvárások teljesítése mellett teherbírásából és ellenállóképességéből adódóan a beton alkalmas bizonyos berendezések befoglalására. Ez utóbbi azért is fontos, mert az Irányelv kitér a környezetbarát tervezésre vonatkozó követelményekre és a becsült gazdasági élettartamra, melyek vonatkozásában a beton vitathatatlan előnyökkel rendelkezik.
LAKOSSÁGI FELHASZNÁLÁS
Mivel a beton hőtároló képességét nagy tömege biztosítja, alapelvét tekintve ugyan úgy működik, mint az évszázadokkal ezelőtt épült várak és templomok vastag kőfalai. Ez tulajdonképpen a beton hőtároló képességének passzív használata.
A beton mint hőenergiatároló közeg aktív módon is használható.
2. ábra: Termikusan aktivált betonelemek („betonmagtemperálás”) [8]
Ez esetben lakossági épületeknél (lakóépületek, közösségi épületek, irodák) történő alkalmazásakor a fűtő/ hűtőrendszer csővezeték hálózata a betonelemek „magjában” fut és ezzel a masszív épületelemek energiatároló viselkedését használják ki (2. ábra)[2][6][7][8]. Így a „betonnal fűtésnél/hűtésnél” a beton épületelemek tartószerepük mellett energiatároló funkciót is betöltenek. Ez az energiatárolás önszabályozó, mivel a hőáramlás fizikailag meghatározott (melegtől a hideg felé), ami viszont tudatosan irányítható azáltal, hogy a csöveken keresztül meleg/hideg vizet vezetnek és az érintett épületelemet felmelegítik/lehűtik.
Ez az önszabályozó viselkedés egy állandó hőmérséklet-kiegyenlítődést eredményez a szobalevegő és a lehatárolt épületrész között, mivel a hőmérsékletcsúcsok önműködően kiegyenlítődnek mindkét irányba.
A felületegységre vonatkoztatott energiaszükséglet alacsonyan tartása érdekében lehetőség szerint a mennyezetet, a padlót és a falakat is fűtőtestként kell használni (2. ábra). Ugyanis minél nagyobb ezen sík fűtőtest felülete, annál kisebb a fűtési rendszer hőterjedelme, azaz a fűtővezeték bemenő és visszatérő ága közötti hőmérsékletkülönbség. Emellett mivel a fűtő/hűtő közeg és a belső tér levegője között csekély a hőmérsékletkülönbség (a közeg hőmérséklete fűtéskor max. 28 °C, hűtéskor legalább 18 °C), így minden beépített felület egyenletes hőmérsékletű, nem alakulnak ki hőmérsékleti csúcsok és nem lép fel huzat.
A rendszer további előnye, hogy nem szükséges újabb elemeket betervezni az épületbe, hanem felhasználhatók az egyébként is beépítendő betonelemek. Az aktivált betonelemek alacsony üzemi hőmérséklete pedig ideális a megújuló energiaforrások kihasználásához, mint például a napenergia, a geotermikus energia és fapellet. Továbbá alacsonyak a fenntartási és üzemeltetési költségei.
IPARI (NAPHŐERŐMŰVI) FELHASZNÁLÁS
A beton „aktív” eleme lehet az energiatermelő rendszereknek is. Ugyanis míg a hagyományos energiahordozókat felhasználó erőművekkel viszonylag egyszerűbben tartható a villamosenergia fogyasztás-termelés egyensúlya, addig ez a naphőerőműveknél már komolyabb kihívás. Éppen ezért a naphőerőművek valójában gyakran hibrid erőművek, melyek az éjszakai órákban szükséges villamos energiát szintén hagyományos energiahordozókból állítják elő.
Mivel a villamosenergia fogyasztás csúcsidőszaka a napnyugtát követő órákban van, ezért elterjedt az a megoldás, hogy a nappal összegyűjtött hőenergiát egy hőtároló közegbe vezetik, ahonnan később az energiaátalakító rendszer egyenletes működését biztosítják[9]. Mivel ezek az ipari létesítmények a szobahőmérsékletnél már lényegesen magasabb hőmérsékleten, ill. szélesebb hőmérsékleti tartományban üzemelnek, ezért számos műszaki kihívás elé állítják a szakembereket. Így például a jelentős hőtágulás miatt a nagy fajhőjű folyadékokat tartalmazó tartályok alkalmazása komoly nehézséget jelenthet. Az ilyen hőtároló folyadéktartályok kiváltására való törekvés vezetett a beton mint ipari hőenergia tároló felhasználásához. Ugyanakkor ezen alkalmazásánál a betonnak is fokozott igénybevétellel kell szembenéznie, mivel az energiatároló elemek üzemi hőmérséklete akár a 600 °C-ot is elérheti.
3. ábra: A University of Arkansas termoklin betonja [10]
A University of Arkansas kutatói[10] úgy orvosolták ezt a problémát, hogy az összetétel optimalizálásával termoklin (meleget kedvelő) betont állítottak elő, melyből nem egyetlen nagy hőtároló tömböt, hanem egymással paralel paneleket készítettek (3. ábra), melyekben a hőelnyelés hatásfoka 93,9%. Fejlesztésük eredményeként sikerült növelniük a hőátadás sebességét a beton és a hőátadó folyékony közeg között, és csökkenteniük a beton valamint a vasalás hőtágulási együtthatójának különbségét. Mindezek mellett a betontulajdonságok céltudatos változtatásával a beton előállítási költségeit is mérsékelték. Kifejlesztettek egy olyan technológiát is, ahol csövek alkalmazása nélkül a folyékony közeg közvetlenül a betonnak adja át a hőt. Ilyen körülmények között azonban már extrém tartósságú beton szükséges.
A naphőerőművek energiájának „betonelemekben” történő tárolására irányuló kutatások, fejlesztések Európában is folynak[9]. A kutatások célkitűzése ez esetben is olyan, magas hőmérsékletű energiatárolásra alkalmas betonkeverék létrehozása, mely lehetővé teszi a hibrid naphőerőművekben minimum 50%-ban a napenergia felhasználását. A CONTEST Project keretében számos műszaki problémára keresnek megoldást, mint például a hőfeszültségből adódó repedezés, a hőcserélő és a beton közötti hézagképződés, a hőkapacitás maximalizálása, a hővezetés optimalizálása, stb.
4. ábra: Az almeriai naphőerőműbe tervezett hőtároló betonelemek [9]
Mindezt egy bazalt adalékanyagú betonösszetétel kifejlesztésével kívánják elérni, mely akár 30 évig is elviseli a 200 °C/400 °C fűtési/hűtési ciklusokat (4. ábra). A betonelemek kipróbálására az Almeriaban található naphőerőműben került sor, és a fejlesztések jelenleg is folyamatban vannak.
A fejlesztők a hőtároló betonelemek alkalmazásának előnyeit az alábbiakban látják:
ENERGIATERMELŐ BETON
Végezetül érdekességképpen nagyon röviden arról, hogy a betonnal valóban lehetséges energiát termelni.
5. ábra: A Grätzel-cella működése [12]
Ennek alapja egy viszonylag új találmány, a nem szilícium félvezetőn alapuló, fotoszintézist utánzó ún. festékérzékenyített napelem, melyet kifejlesztője – Grätzel professzor – után Grätzel cellának is neveznek (5. ábra) [11].
A Grätzel cella elvét felhasználva a Kasseli Egyetem kutatói egy újfajta, DysCrete-nek nevezett építőanyag kifejlesztésén dolgoznak [13].
6. ábra: DysCreteTM prototípus [14]
Ez tulajdonképpen egy olyan festékérzékenyített napelem, ahol a beton egyben az egyik elektróda szerepét is átveszi (6. ábra).
ÖSSZEFOGLALÁS
A beton, kedvező tulajdonságai és a folyamatos fejlesztések révén, már nemcsak „közvetett”, hanem „közvetlen” szerepet is játszhat a környezetbarát energetikai rendszerek működésében. Már eleve tartószerkezeti funkcióját tekintve is környezetbarátabb más anyagfajtáknál, főleg, ha figyelembe vesszük hosszú használati élettartamát, tartósságát. Az újabb kutatások eredményeképpen pedig sikerült kihasználni a beton, elsősorban nagy tömegéből adódó, kedvező hőtechnikai tulajdonságait is, minek köszönhetően „aktív” eleme lehet az energiatermelő és a hatékony energiahasznosító rendszereknek. Így a beton manapság már nem csak egyszerű eltakarni, beburkolni való tartószerkezet, hanem igen fontos részét képezheti az energiahatékony és környezetbarát építészeti megoldásoknak.
