Az épületgépészeti technológiák fejlődése a régi időktől napjainkig

Milyen volt a vízellátás-csatornázás és a fűtéstechnika az ókori Római Birodalom területén, és hogyan nézett ki egy szellőző- és klímaberendezés ötezer évvel ezelőtt? 
A cikkben azt kívánjuk bemutatni, hogy az ókortól kezdődően az egyes épületgépészeti szakágak milyen változáson mentek keresztül, és napjainkra milyen szintet értek el, és hogy bizonyos esetekben a technológiai fejlődés hogyan szolgálta a gazdaság és a társadalom alakulását valamint a fenntarthatóság követelményének érvényesítését.  

Az épületgépészet fejlődését meghatározó törekvések

Az épületgépészet fejlődését évszázadokon, sőt évezredeken át a következő három törekvés határozta meg: 

[1] Az emberiség mindig törekedett a hőérzeti és levegőminőségi komfort növelésére a fűtési és szellőzési módszerek kapcsán, továbbá minden épületgépészeti szakágban a kényelem növelésére (beleértve a berendezések kezelésének kényelmét is), és az ember egészségének megóvására.  

[2] Az emberiség praktikusan azokat az energiaforrásokat és természeti javakat használta fel, amelyek a közvetlen környezetében elérhetőek voltak. 

[3] Végül már a régi időkre visszanyúlóan megfigyelhető egy olyan törekvés is, amelynek célja, hogy csak annyi energiát és természeti kincset használjunk fel, amennyi a tényleges, és persze egyre növekvő igényeinknek megfelel, vagyis takarékosan bánjunk úgy az energiahordozókkal, mind a természeti javakkal is. 

A cikkben az említésre kerülő műszaki megoldások után szögletes zárójelbe téve jelezzük, hogy az a három, előbb említett törekvés közül melyik érvényesítését célozza. 

A fő épületgépészeti szakágaink a következők:

• a fűtéstechnika, beleértve az energiatermelést és -ellátást is,
• a vízellátás és szennyvízelvezetés, valamint
• a szellőzés- klíma- és hűtéstechnika. 

Néhány fontos fejlődési lépcsőfok a vízellátás és szennyvízelvezetés területén

Ahogyan például a jogtudományban is szokás, válasszuk mi is zsinórmértékül az ókori rómaiakat. Kezdjük tehát a Cloaca Maxima-val, vagyis a Nagy Szennycsatornával. Ezt Priscus etruszk származású római király az i.e. 6. században terveztette és kezdte el építtetni, a befejezése a következő évszázadra tolódott el. A Cloaca Maxima 900 m hosszú, helyenként 4,2 m magas és 3,2 m széles. A létesítmény az emberi fekália elvezetése révén nagy mértékben hozzájárult a járványok megelőzéséhez [1]. 

Az ókor vízellátásának technikatörténetéhez hozzátartozik még, hogy a vízvezetékekbe bronzból készült vízcsapokat építettek be. Ilyeneket találtak a régészek Tiberius császár i.e. II. században épült capri palotájában, és a Pompeji melletti Tagianaban is [3]. A Róma vízellátását biztosító egyik vezeték, az Aqua Claudia pedig i. sz. 52-re készült el, és két fő forrásból, 69 km távolságból hozta a vizet, biztosítva a Palatinus császári palotáinak vízzel történő ellátását [1]. Napi vízhozama 184 – 191 ezer m³ volt.

A szennyvíztechnológia területénjelentős lépcsőfok volt a WC (water closet, vagyis vízöblítéses angolvécé) feltalálása 1589-ben Sir John Harington által. Azon túl, hogy az angolvécék az árnyékszékekkel szemben az épületen belül kerültek elhelyezésre, és így nagyfokú kényelmet biztosítottak, kielégítették a higiéniai igényeket is [1]. 

Végül felsorolás-szerűen álljon itt néhány olyan fejlesztés, ami a legutóbbi évek és évtizedek munkájának eredménye:

• Korszerű, napkollektoros használati melegvíztermelő rendszerek [2], [3].
• Kis/nagy öblítés és öblítés-stop funkciók a WC-tartályokon [3].
• A fürdésből/zuhanyozásból és mosakodásból származó szürke szennyvíz házi megtisztítása és újrahasznosítása WC-öblítésre, takarításra és kertöntözésre [3].
• Belépő ajtóval kialakított fürdőkádak [1].
• Zuhanytálcákba beépített hőcserélő az elfolyó meleg szennyvíz hőtartalmának hasznosítására a hidegvíz előmelegítés céljából [3].  
• WC-liftek a WC-csésze használati magasságának állítására [1]. 
• Infravörös érzékelővel ellátott, érintésmentes csaptelepek [1] [3].        

Fűtéstechnika és energiatermelés

A fűtéstechnika fejlődésének áttekintését is kezdjük az ókori rómaiaknál. Az ő hypokausztum fűtésük, amelyet padló- és/vagy falfűtésként alakítottak ki, a korszerű felületfűtés elődjének tekinthető [1]. A hypokausztumok építői mintha felismerték volna azt a ma már tudományosan bizonyított tényt, hogy fűtés esetén az ún. sugárzási hőmérséklet-aszimmetria miatt a termikus környezetükkel elégedetlenek aránya meleg falfelület esetén a legkisebb, vagyis a falfűtés a benntartózkodók részére kiváló hőkomfortot biztosít.

A későbbi korokban a rómaiaknak ez a központi fűtési rendszere feledésbe merült, és az épületek fűtésére helyiségenkénti egyedi fűtéseket (fa- vagy széntüzelésű kandallókat, kályhákat, cserépkályhákat alkalmaztak) [2]. A középkori kastélyok cserépkályháit a szolgák sok esetben kívülről, egy szervízfolyosóról fűtötték, elkerülve ezzel uraik felé azokat a kellemetlenségeket, amelyeket a kézi tüzelés, valamint a hamu- és salakeltávolítás okozott [1]. A középkori Európában a települések körüli erdőket építőanyagok, szerszámok, bútorok, és közlekedési- valamint szállítóeszközök alapanyagának, és nem utolsósorban a tüzelőanyag biztosítása céljából olyan mértékben kiirtották, hogy már akkor felmerült a tüzelőanyag-takarékosság kényszere [3]. Példának okáért 1325-ben a passaui Emmerich Kuhlmann részére privilégiumot – a mai fogalmainkkal élve  szabadalmi oltalmat – jegyeztek be egy takarékos üzemű, fatüzelésű kályhára, az ún. Holzsparofen-re. 

A központi fűtés gondolata újra, gőzzel, vagy forróvízzel mint hőhordozóval 1594-től kezdve többször is felmerült, elsősorban Angliában, és az angol királyi család üvegházainak fűtésére, ahol a gyarmatokról behozott egzotikus növényeket nevelték. Az európai kontinensen az elsők között volt az a csőfűtőtestekkel kialakított gőzfűtés, amelyet a svájci Sulzer cég 1841-ben a wintherturi fiúiskolában létesített. A fűtött légköbméter 7792 m³, a beépített teljesítmény 185 kW, a tüzelőanyag pedig a közelben kitermelt tőzeg volt [1], [2]. A Sulzer cég eredetileg vasöntéssel foglalkozott, de a társadalmi igényeket felismerve, és azokhoz alkalmazkodva, a cégnél ebből nőtt ki a fűtéstechnikai üzletág, amellyel egy új gazdasági ágazat, a fűtésszerelés alakult ki. Gondoljuk csak bele, hogy amíg egy vaskályhát csak el kell helyezni a helyszínen, és be kell kötni a kéménybe, addig egy központi fűtési rendszert meg kell tervezni, méretezni kell, és a sokféle munkanemet tartalmazó kivitelezést el kell végezni, végül az elkészült rendszert üzembe kell helyezni. A keringető szivattyús, melegvizes központi fűtési rendszerek esetén pedig a munkanemek száma még eggyel, a villamos munkákkal növekszik. A központi fűtéssel kapcsolatos szakismeretek már egyetemi szintű oktatást követeltek meg, így 1885-ben Hermann Rietschel a Berlini Műszaki Egyetem elődjénél megalapította a világ első épületgépészeti tanszékét. A szakismeretek minél szélesebb körű terjesztése érdekében pedig 1893-ban kiadta a „Leitfaden zum Berechnen und Entwerfen von Heizungs- und Lüftungsanlagen“ című művét, amelynek címe magyarul Vezérfonal a fűtő- és szellőző-berendezések számításához és méretezéséhez. 

A központi fűtéssel és a szellőzéssel kapcsolatos szakismertetek megismerése iránti igények további kielégítése céljából Hermann Recknagel néhány évvel később, 1897-ben kiadta a Kalender für Gesundheitstechniker (Az egészségügyi mérnökök kalendáriuma) című könyvét, amely egy 173 oldalas mű volt. Ezt a könyvet két-három évente újra és újra kiadják, az újabb kiadásokba beépítve a műszaki fejlődés aktuális, legújabb ismeretanyagát, és eredményeit. A könyv módosított címe Taschenbuch für Heizung+ Klimatechnik (A fűtés+klímatechnika kézikönyve), és annak nyomtatott változata 2023-ra (81. kiadás) már több mint 2000 oldal terjedelemre bővült. A 81. kiadástól kezdve a mű  -igazodva a technikai lehetőségekhez, és kielégítve az olvasói elvárásokat is – digitális kiegészítő tartalommal jelenik meg, amely egyes témákban pdf-formátumban további szakirodalmat és mélyebb szakismereteket, valamint számítási példákat és bemutató videókat is tartalmaz.            

Visszatérve a fűtéstechnikára, említést érdemel, hogy „A szükség találékonnyá tesz!” szlogen szellemében az 1970-es évek két olajválságának a következő három jelentős fejlesztést köszönheti szakmánk a fűtéstechnika területén: 

1. 1978-ban Hollandiában megkezdték az első generációs kondenzációs kazánok sorozatgyártását, amellyel az égés során keletkező vízgőzt lekondenzáltatva, és annak rejtett hőjét hasznosítva a tüzeléstechnikai hatásfokot lényegesen meg lehetett növelni, és így kevesebb gázenergia felhasználásával ugyanazt a hőmennyiséget lehetett megtermelni [3].
2. Az 1980-as években már tömeges felhasználásra kerültek hazánkban is a korszerű termosztatikus radiátorszelepek, amelyek érzékelve a fűtött helyiségek belső hőfejlődéséből és a napsugárzásból származó hőmérsékletnövekedését, lecsökkentették a radiátorokba beáramló fűtővíz mennyiségét, és ezzel bizonyos energiamegtakarítást tettek lehetővé [1], [3].  
3. Ugyancsak az 1980-as években kezdtek elterjedni a változtatható fordulatszámú fűtési keringető szivattyúk, amelyek akkori első típusain a hőigények szerint kézzel kellett átkapcsolni két vagy három fordulatszám-fokozat között. Ismert tény, hogy a szivattyú fordulatszámának megfelezésével a szivattyú energiafelvétele a nyolcadára csökken, így ezzel a megoldással a villamosenergia vonatkozásában jelentős volt az energiamegtakarítás [3].

Végül ismét csak néhány olyan fejlesztés az utóbbi időszakból (a teljesség igénye nélkül), amit kiemelkedőnek tartunk a fűtéstechnika területén:

• Kapcsolt hő- és áramtermelő berendezések (gázmotorok, mikro-gázturbinák, tüzelőanyagcellák) akár családi házakhoz alkalmas teljesítményekben is [3]. 
• Műanyagcsöves felületfűtési rendszerek (padló- fal- és mennyezetfűtések) [1], [3].
• Földgáz-hidrogén-keverék-tüzelésű kazánok, és tisztán hidrogén-tüzelésű kazánok [2].
• A gázkazánoknál olyan energiahatékony részmegoldások alkalmazása, mint pl. a modulációs tartomány kiterjesztése 1:10 arányig, a gáz-levegő-arányszabályozó, majd a gáz adaptív kontrol szabályozó [3].
• Különböző rendszerű és különböző hőforrású hőszivattyúk széles választéka (köztük adszorpciós hőszivattyúk is) [2] [3].
• Háztartási napelemes rendszerek létesítése nem utolsósorban a hőszivattyúk betáplálására [2] [3]. 
• Hybrid fűtési rendszerek a gázkazánok és hőszivattyúk rendszerbe kapcsolásával, és ezek vezérlőberendezései, akár a működésnek a kétféle energiahordozó aktuális egységárán alapuló optimalizálásával [3]. 
• Okos megoldások (pl. okostermosztátok) elsősorban a szabályozástechnika területén [1], [3].
• Távbeavatkozás lehetősége akár az üzemeltető, akár a szerviz részéről [1], [3].

Szellőzés- klíma- és hűtéstechnika

A szellőzés- klíma- és hűtéstechnika alapjai a  forró éghajlati övezetekben, így Mezopotámiában is egészen régmúlt időkre nyúlnak vissza. Az ott alkalmazott hűtési technológiát a 2. ábra mutatja, amely ugyanúgy, mint a mai korszerű hűtőgépek esetén a párolgás során elvont hőenergián alapul. Csak itt nem egy zárt körben keringetett hűtőközeg párolog el, hanem egy nyitott vízmedence felületén a víz. 

A szakágon belül érdemes külön megvizsgálni a hűtéstechnika XIX. századi fejlődését, amelyet az alábbi mérföldkövek szegélyeznek:

1834: Jakob Perkins – szabadalmi bejegyzés gőzkompressziós hűtési ciklusra, és éterrel működő kompresszoros hűtőgép konstruálása 

1859 és 1867: Edmund Carre – abszorpciós hűtőgép és ammóniával működő kompresszoros hűtőgép megalkotása

1876: első műjégpálya, Chelsea

1868: E. W. Devis – szabadalmi bejegyzés hűtött vasúti vagonra

1881, 1882: Hűtőházak építése Bostonban, Londonban és Brémában

Az évszámok alapján látható, hogy a hűtéstechnika korszakos találmányai az ipari forradalom idejére, és az azt szorosan követő néhány évtizedre esnek. Ekkor egyrészt ki kellett elégíteni a nagyvárosokba tömörült munkásság frissen tartott élelmiszerrel való ellátását [1], ami hűtőgépeket, hűtőházakat igényelt, és a hűtve szállítás lehetőségét követelte meg. Másrészt pedig a komforthűtés területén a feltörekvő polgárság jelentkezett a korábbi évszázadokban még nem tapasztalt komfortigényekkel. Ennek szellemében elsősorban az olyan reprezentatív épületeket, mint a színházak és kaszinók a központi fűtésen túl szellőző-, klíma- és hűtőberendezésekkel is kezdték ellátni [1].

Végül ismét csak néhány olyan fejlesztés az utóbbi időszakból (a teljesség igénye nélkül), amit kiemelkedőnek tartunk a szellőzés- klíma- és hűtéstechnika területén:

• Különböző elven működő (regeneratív és rekuperatív) hővisszanyerő rendszerek [3].
• EC-hajtással rendelkező, és szabadonfutó járókerekű ventilátorok [3]. 
• VRV-  (VRF)-rendszerek egy épület egyidejű hűtésének és fűtésének biztosítására is a hulladékhő hasznosításával  [1], [2], [3].
• Többek között műanyagcsöves felületi hűtési rendszerek és hűtőgerendák [1], [3].
• Split- és multisplit-rendszerű hűtési berendezések inverteres megoldással a fokozatmentes teljesítményszabályozáshoz [1], [3].
• Passzív hűtési megoldások [2].
• Fejlesztések a kompresszortechnikában (pl. scroll-kompresszorok) [3]. 
• Okos megoldások (pl. okostermosztátok) elsősorban a szabályozástechnika területén [1], [3].
• Távbeavatkozás lehetősége akár az üzemeltető, akár a szerviz részéről [1], [3].

Összegzés

Megfigyelhetjük, hogy a gazdasági és társadalmi igények új technológiák kialakulását kényszerítik ki, és fordítva, a technológia fejlődése új társadalmi igényeket teremt, azok kielégítése pedig  gyártóművi és szerelési aktivitásokat indikál, valamint a szakember-igény kielégítésére új képzési területeket indít be.

Ilyen újabb képzési terület hazánkban például az Óbudai Egyetem által idén beindított domotika-szakmérnök képzés. Erre azért jelentkezik társadalmi igény, mert a nagyléptékű műszaki fejlődés már kezdte szétfeszíteni a hagyományos épületgépészeti képzés kereteit. Az utóbbi években különösen az elektronika, az épületautomatizálás, valamint az informatika fejlődött rohamléptekkel.  A domotikában pedig a változó igények kielégítésére megtörténik az épületgépész és az épületvillamos szakterületek, valamint az informatika összekapcsolása.

Dr. Vajda József