Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΣΙΑ ΧΡΙΣΤΟΔΟΥΛΟΥ ΤΟΥ ΣΤΕΦΑΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6613 Θέμα «Μελέτη και εφαρμογή τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας σε δημόσιους χώρους και σε χώρους παραγωγής» Επιβλέπων ΓΑΒΡΙΗΛ Β. ΓΙΑΝΝΑΚΟΠΟΥΛΟΣ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Απρίλιος 2012

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη και εφαρμογή τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας σε δημόσιους χώρους και σε χώρους παραγωγής» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΤΣΙΑ ΧΡΙΣΤΟΔΟΥΛΟΥ ΤΟΥ ΣΤΕΦΑΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6613 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων ΓΑΒΡΙΗΛ Β. ΓΙΑΝΝΑΚΟΠΟΥΛΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ο Διευθυντής του τομέα ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη και εφαρμογή τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας σε δημόσιους χώρους και σε χώρους παραγωγής» Φοιτητής: Επιβλέπων: ΧΡΙΣΤΟΔΟΥΛΟΣ ΠΑΤΣΙΑΣ ΓΑΒΡΙΗΛ Β. ΓΙΑΝΝΑΚΟΠΟΥΛΟΣ Περίληψη Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των κύριων τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας που βρίσκουν εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος και τα ενεργειακά συστήματα τόσο των δημόσιων χώρων, όσο και των χώρων παραγωγής, η παράθεση του τρέχοντος σχετικού νομοθετικού πλαισίου, η μελέτη της ενεργειακής συμπεριφοράς κάποιου υφιστάμενου κτιρίου και η αναβάθμιση αυτής με την εφαρμογή κατάλληλων τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας. 3

4 Περιεχόμενα Περιεχόμενα 4 1. Εισαγωγικό Κεφάλαιο Εισαγωγή Η σύγχρονη ενεργειακή κατάσταση Η σύγχρονη περιβαλλοντική κατάσταση Η σημασία της εξοικονόμησης ενέργειας Το αστικό μικροκλίμα Εισαγωγή Το αστικό περιβάλλον Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας Το φαινόμενο της αστικής χαράδρας Αύξηση ρύπων Οδηγίες για τη βελτιστοποίηση του αστικού μικροκλίματος Οι δημόσιοι χώροι και οι χώροι παραγωγής Μια εισαγωγή Εισαγωγή Κατηγορίες κτιρίων Δημόσιοι χώροι Χώροι παραγωγής Σύνοψη Βασικές ιδιότητες των δομικών υλικών Ο ρόλος του κτιρίου Εισαγωγή Οικοδομικά στοιχεία Τοιχοποιία Κονιάματα σύνδεσης Επιχρίσματα Δομικά στοιχεία κτιριακού κελύφους Θερμική συμπεριφορά δομικών στοιχείων Ροή θερμότητας στα υλικά - Βασικές έννοιες Αποθήκευση και επαναπόδοση θερμότητας από τα δομικά στοιχεία Θερμομονωτικά υλικά και ιδιότητές τους Ανακλαστικότητα και απορροφητικότητα δομικών στοιχείων Εσωτερικό περιβάλλον κτιρίων Γενικά Θερμική άνεση Οπτική άνεση Ποιότητα εσωτερικού αέρα Βιοκλιματική αρχιτεκτονική κτιρίων Εισαγωγή Οι βασικές αρχές της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής Παθητική θέρμανση κτιρίων Γενικά Το κτίριο ως ένας φυσικός ηλιακός συλλέκτης Αποθήκευση θερμότητας Διατήρηση θερμότητας Παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης Γενικά Παθητικά ηλιακά συστήματα άμεσου ηλιακού κέρδους Παθητικά ηλιακά συστήματα έμμεσου ηλιακού κέρδους Παθητικά ηλιακά συστήματα απομονωμένου ηλιακού κέρδους

5 5.4. Παθητικός δροσισμός κτιρίων Γενικά Μείωση εσωτερικών θερμικών κερδών Συστήματα ηλιοπροστασίας Φυσικός αερισμός Γενικά Τεχνικές φυσικού αερισμού Συστήματα παθητικού δροσισμού με εξάτμιση Συστήματα παθητικού δροσισμού από το έδαφος Συστήματα παθητικού δροσισμού με νυχτερινή ακτινοβολία Φυσικός φωτισμός κτιρίων Γενικά Χαρακτηριστικά φυσικού φωτός Παράγοντες μεταβολής του φυσικού φωτισμού εσωτερικών χώρων Μέθοδοι υπολογισμού φυσικού φωτισμού κτιρίων Μέθοδοι φυσικού φωτισμού Η συμμετοχή της βλάστησης στη βιοκλιματική αρχιτεκτονική Σύνοψη Επεμβάσεις στο κτιριακό κέλυφος Εισαγωγή Υγρομόνωση Γενικά Υγρασία και ατμοσφαιρικός αέρας Υγρομονωτικά υλικά Είδη υγρασίας και αντίστοιχες τεχνικές υγρομόνωσης του κελύφους Θερμομόνωση Γενικά Θέση μόνωσης στο περίβλημα του κτιρίου - Θερμογέφυρες Θερμομόνωση δομικών στοιχείων Ανοίγματα κτιριακού κελύφους Γενικά Πλαίσια Υαλοπίνακες Διαφανείς προσόψεις Συμβατικά ενεργειακά συστήματα Εισαγωγή Συστήματα θέρμανσης χώρων Γενικά Συστήματα κεντρικής θέρμανσης Εξοικονόμηση ενέργεια στα συστήματα κεντρικής θέρμανσης Συστήματα τοπικής θέρμανσης Συστήματα ψύξης χώρων Γενικά Ψυκτικοί κύκλοι Κεντρικά συστήματα ψύξης Τοπικά συστήματα ψύξης Επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα ψύξης Το ενδοδαπέδιο σύστημα Συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού χώρων Γενικά Θερμικές ζώνες κτιρίου 132 5

6 Συστήματα αερισμού Γενικά Συστήματα μηχανικού αερισμού Συστήματα υβριδικού αερισμού Συστήματα κλιματισμού Γενικά Κεντρικά συστήματα κλιματισμού Ημικεντρικά συστήματα κλιματισμού Τοπικά συστήματα κλιματισμού Παρεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα HVAC Εγκαταστάσεις ζεστού νερού χρήσης Γενικά Εναλλάκτες θερμότητας Θερμαντήρες Συστήματα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης Επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας για το ζεστό νερό χρήσης Συστήματα τεχνητού φωτισμού κτιρίων Γενικά Είδη φωτισμού φωτιστικών συστημάτων Λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας Φωτιστικά σώματα Συσκευές σύνδεσης Συστήματα ελέγχου του τεχνητού φωτισμού Συνδυασμός συστημάτων τεχνητού φωτισμού με το φυσικό φωτισμό Ενεργειακά αποδοτικός σχεδιασμός συστήματος τεχνητού φωτισμού Συντήρηση συστήματος τεχνητού φωτισμού Συστήματα αυτομάτου ελέγχου Γενικά Συστήματα ενεργειακής διαχείρισης κτιρίων (BEMS) Συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Εισαγωγή Ηλιοθερμικές εγκαταστάσεις Γενικά Ηλιακοί συλλέκτες Θερμικές αποθήκες Κύκλωμα ηλιακών συλλεκτών Ηλιοθερμικά συστήματα Εγκατάσταση, διαστασιολόγηση, σύνδεση επίπεδων ηλιακών συλλεκτών Φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις Γενικά Φωτοβολταϊκή μετατροπή Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φ/β στοιχείων Τύποι φ/β στοιχείων Σύνδεση φ/β στοιχείων Συσκευές φ/β συστημάτων Φωτοβολταϊκά συστήματα Εγκατάσταση φ/β πλαισίων Ανεμογεννήτριες Γενικά Είδη ανεμογεννητριών Χαρακτηριστικά στοιχεία ανεμογεννητριών Τύποι ηλεκτρικών μηχανών με χρήση ως ανεμογεννήτριες

7 Συσκευές των συστημάτων ανεμογεννητριών Συστήματα ανεμογεννητριών Μηχανικός και ηλεκτρονικός έλεγχος ανεμογεννητριών Εγκατάσταση αιολικών συστημάτων Βιομάζα Γενικά Παραγωγή ενέργειας από βιομάζα Θέρμανση/ψύξη εσωτερικών χώρων με χρήση βιομάζας Άλλες χρήσεις της βιομάζας Μη συμβατικά ενεργειακά συστήματα Εισαγωγή Συστήματα ανάκτησης θερμότητας Γενικά Εναλλάκτες θερμότητας ως συσκευές ανάκτησης θερμότητας Εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας Οφέλη από τις εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας Συστήματα συνδυασμένης παραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Γενικά Θερμικές μηχανές Συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας Τρόπος λειτουργίας των συστημάτων συμπαραγωγής Η χρήση του φυσικού αερίου Χώροι παραγωγής βιοτεχνικών - βιομηχανικών μονάδων Εισαγωγή Ενεργειακή επιθεώρηση Ενεργειακή διαχείριση Ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα Λειτουργία Επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας Θερμομόνωση στοιχείων παραγωγικής διαδικασίας Λέβητες-φούρνοι-κλίβανοι Συστήματα ατμού Λειτουργία των συστημάτων ατμού Επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα ατμού Βιομηχανική ψύξη Πεπιεσμένος αέρας Νομοθετικό πλαίσιο και προγράμματα εξοικονόμησης ενέργειας Εισαγωγή Από τον Κανονισμό Θερμομόνωσης στον Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κανονισμός Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων Νομοθετικό πλαίσιο ΑΠΕ και Συμπαραγωγής Πρόγραμμα GreenBuilding Πρόγραμμα «Χτίζοντας το μέλλον» Αξιολόγηση αναβάθμιση της ενεργειακής συμπεριφοράς υφιστάμενου κτιρίου Γενικά Το εξεταζόμενο κτίριο Λογισμικό ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ κατηγορίες ενεργειακής απόδοσης κτιρίων Δεδομένα εξεταζόμενου κτιρίου για εισαγωγή στο λογισμικό ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ Κατανάλωση ενέργειας ενεργειακή κατηγορία εξεταζόμενου κτιρίου Σενάρια επεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας για το εξεταζόμενο κτίριο Γενικά

8 Παρουσίαση 1 ου σεναρίου εξοικονόμησης ενέργειας Παρουσίαση 2 ου σεναρίου εξοικονόμησης ενέργειας Παρουσίαση 3 ου σεναρίου εξοικονόμησης ενέργειας Σύγκριση των σεναρίων εξοικονόμησης ενέργειας. 283 Παράρτημα. 286 Βιβλιογραφία. 291 Ιστοσελίδες

9 1. Εισαγωγικό Κεφάλαιο Εισαγωγή. Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο την παρουσίαση των κυριότερων τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας που μπορούν να εφαρμοστούν σε δημόσιους και παραγωγικούς χώρους. Γενικότερα, το ζήτημα της εξοικονόμησης ενέργειας σε οποιαδήποτε πτυχή της σύγχρονης κοινωνίας αποτελεί πλέον μια επιτακτική επιδίωξη εξαιτίας μιας σειράς λόγων, οι οποίοι εξετάζονται σε αυτό το εισαγωγικό κεφάλαιο. Με την παρουσίαση των αιτίων που οδηγούν στην ανάγκη εξοικονόμησης ενέργειας θα φανεί και η σπουδαιότητα όχι μόνο της προσπάθειας εξοικονόμησης ενέργειας, αλλά και της ανάγκης αυτή η προσπάθεια να είναι επιτυχημένη Η σύγχρονη ενεργειακή κατάσταση. Η σύγχρονη εποχή παραμένει μια εποχή κυριαρχίας των ορυκτών ή συμβατικών καυσίμων. Η λειτουργία όλων των ενεργειακών συσκευών που χρησιμοποιούνται από τους ανθρώπους απαιτεί την κατανάλωση ενέργειας σε κάποια από τις δευτερογενείς μορφές της (πετρέλαιο ντίζελ, βενζίνη, κηροζίνη, ηλεκτρική ενέργεια, υγραέριο, πυρηνικά καύσιμα, κτλ.). Όλες οι δευτερογενείς μορφές ενέργειας προέρχονται από την επεξεργασία των πρωτογενών μορφών, οι οποίες είναι είτε ορυκτά καύσιμα (λιγνίτης, ανθρακίτης, τύρφη, ουράνιο, πετρέλαιο, φυσικό αέριο), είτε ανανεώσιμα καύσιμα (υδραυλική, γεωθερμική, ηλιακή, αιολική ενέργεια). Οι δευτερογενείς μορφές ενέργειας μετατρέπονται ακολούθως από αυτές τις συσκευές σε χρήσιμες μορφές ενέργειας (ηλεκτρισμός, θερμότητα), ώστε να καλύψουν τις διάφορες ενεργειακές ανάγκες του ανθρώπου. Το συμπέρασμα, λοιπόν, είναι πως η ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών της σύγχρονης κοινωνίας εξαρτάται σχεδόν απόλυτα από τη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Η εξάρτηση αυτή, όμως, προκαλεί ένα σημαντικότατο πρόβλημα, το οποίο απειλεί να καταστρέψει εκ θεμελίων την ήδη διαμορφωμένη αυτή κατάσταση στο χώρο της ενέργειας. Το πρόβλημα αυτό είναι η περιορισμένη ποσότητα διαθέσιμων ορυκτών καυσίμων, ποσότητα που ήδη έχει ελαττωθεί σημαντικά και θα συνεχίσει να ελαττώνεται με την πάροδο των χρόνων. Μάλιστα, σύμφωνα με εκτιμήσεις διαφόρων ειδικών, τα κοιτάσματα κάποιων ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο) θα εξαντληθούν πριν το τέλος του αιώνα που διανύουμε, ενώ ακόμα και τα κοιτάσματα άλλων, πλουσιότερων σε ποσότητα καυσίμων (διάφορες μορφές γαιάνθρακα) θα έχουν εξαντληθεί πολύ πριν το τέλος του επόμενου αιώνα. Είναι, λοιπόν, φανερή η δεινή ενεργειακή θέση στην οποία βρίσκεται πλέον η σύγχρονη κοινωνία. Η μόνη λύση εξόδου της κοινωνίας από αυτή τη δυσχερή κατάσταση είναι ασφαλώς η απεξάρτησή της από τη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Η απεξάρτηση αυτή οφείλει να είναι σταδιακή, ώστε να μην προκύψουν προβλήματα από τη ξαφνική εγκατάλειψη των ορυκτών καυσίμων, αλλά συγχρόνως πρέπει να είναι άμεση, ώστε να έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία της πριν δημιουργηθούν φαινόμενα ενεργειακής κρίσης στον πλανήτη. Δυστυχώς, τα τελευταία χρόνια υπάρχουν ενδείξεις πως αυτή η ενεργειακή κρίση είναι ίσως πιο κοντά από ότι αρχικά υποθέταμε, γεγονός που πρέπει να επισπεύσει τη δρομολόγηση των διαδικασιών της άμεσης απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα. Βέβαια, αυτή η απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα δεν μπορεί να είναι απόλυτη. Ο λόγος είναι πως η παρασκευή ορισμένων βασικών προϊόντων (συνθετικά υφάσματα, μελάνη, ασπιρίνη, κτλ.) απαιτεί απαραιτήτως τη χρήση ορυκτών καυσίμων. Επομένως, ένας βασικός στόχος της κοινωνίας πρέπει να είναι η εξοικονόμηση των διαθέσιμων αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων για την παρασκευή αυτών των αγαθών. Ο στόχος αυτός μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω της εξοικονόμησης ενέργειας και κυρίως μέσω της χρήσης 9

10 των ανανεώσιμων ή ήπιων μορφών ενέργειας (ηλιακή, αιολική, υδραυλική, γεωθερμική ενέργεια) αντί των ορυκτών καυσίμων, γεγονός που εξασφαλίζει τη διαφύλαξη των πολύτιμων ποσοτήτων των τελευταίων για εφαρμογές, όπου η χρήση τους είναι πραγματικά απαραίτητη Η σύγχρονη περιβαλλοντική κατάσταση. Οι λόγοι για τους οποίους το περιβάλλον αποτελεί ένα πολύ ευαίσθητο και μείζον θέμα για τη σύγχρονη κοινωνία είναι προφανείς. Η κατακόρυφη αύξηση της σημασίας αυτού του θέματος, η οποία παρατηρείται τις τελευταίες δύο με τρεις δεκαετίες και συνεχώς ενισχύεται, οφείλεται στην κοινή πλέον διαπίστωση της ευρείας και σοβαρής επιβάρυνσής του από τις διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες με το πέρασμα του χρόνου. Η κυριότερη αιτία επιβάρυνσης του περιβάλλοντος είναι η καύση των ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή των χρήσιμων μορφών ενέργειας. Εξαιτίας της καύσης των ορυκτών καυσίμων απελευθερώνεται μια πλειάδα αερίων, τα οποία προκαλούν σοβαρές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Τα κυριότερα από αυτά τα αέρια είναι το διοξείδιο του άνθρακα, το μονοξείδιο του άνθρακα, το διοξείδιο του θείου και τα οξείδια του αζώτου. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το αέριο που ευθύνεται για τη δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου, την υπ αριθμόν ένα απειλή κατά του περιβάλλοντος. Το μονοξείδιο του άνθρακα αποτελεί ένα δηλητηριώδες αέριο, του οποίου η εισπνοή οδηγεί στην ασφυξία και συνακόλουθα στο θάνατο. Το διοξείδιο του θείου ευθύνεται για την όξινη βροχή, η οποία είναι έχει καταστρεπτικές συνέπειες στη χλωρίδα, την πανίδα, τον υδροφόρο ορίζοντα, αλλά και στις ανθρώπινες κατασκευές. Τέλος, τα οξείδια του αζώτου προκαλούν σοβαρά αναπνευστικά προβλήματα στον άνθρωπο, ενώ καταστρέφουν το ανοσοποιητικό σύστημα των φυτών, με αποτέλεσμα τον αναπόφευκτο θάνατό τους αφού αδυνατούν να αντιμετωπίσουν τις ασθένειές τους. Η επιβάρυνση του περιβάλλοντος με τα παραπάνω βλαβερά αέρια, καθώς και πολλά άλλα σχεδόν εξίσου επικίνδυνα αέρια, τα οποία προέρχονται από την καύση των ορυκτών καυσίμων είναι μια κατάσταση, η οποία δεν μπορεί προφανώς να συνεχιστεί, καθώς θα οδηγήσει στη διαμόρφωση συνθηκών αφιλόξενων για τη διατήρηση της ανθρώπινης ζωής στον πλανήτη. Η λύση για την αντιμετώπιση του περιβαλλοντικού προβλήματος είναι, επίσης, η εξοικονόμηση ενέργειας, η οποία θα οδηγήσει σε σημαντική μείωση των εκπομπών επικίνδυνων αερίων από την καύση των ορυκτών καυσίμων και η αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπου κάτι τέτοιο είναι δυνατό. Τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας παράγουν ελάχιστες ή μηδενικές ποσότητες βλαβερών αέριων ρύπων, όπως θα δούμε και στο σχετικό κεφάλαιο. Επιπρόσθετοι περιβαλλοντικοί παράγοντες, οι οποίοι ενισχύουν την ανάγκη λήψης μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας, θα παρουσιαστούν στο επόμενο κεφάλαιο Η σημασία της εξοικονόμησης ενέργειας. Από τα προαναφερόμενα μπορεί εύκολα κανείς να συμπεράνει τους λόγους, οι οποίοι επιβάλλουν την εξοικονόμηση ενέργειας από ενεργειακής και περιβαλλοντικής άποψης. Η εξοικονόμηση ενέργειας επιδιώκεται, όμως, και για οικονομικούς λόγους, καθώς η εφαρμογή των τεχνικών της υπόσχεται τη σημαντική μείωση του λειτουργικού κόστους των ενεργειακών συστημάτων και συσκευών με προφανές οικονομικό όφελος και την τόνωση της εθνικής και τοπικής οικονομίας με την απεξάρτηση της χώρας από την ανάγκη εισαγωγής ορυκτών καυσίμων από τρίτες χώρες, τη δημιουργία χιλιάδων νέων θέσεων εργασίας και την παροχή νέων πηγών εισοδήματος για τους πολίτες. 10

11 2. Το αστικό μικροκλίμα Εισαγωγή. Το κλίμα σε κάθε περιοχή του πλανήτη μπορεί να περιγραφεί σε τρία διαφορετικά επίπεδα, πηγαίνοντας από το γενικό προς το ειδικό, από τη μεγαλύτερη κλίμακα στη μικρότερη: το μακρόκλιμα, το μεσόκλιμα και το μικρόκλιμα. Το μακρόκλιμα μιας περιοχής αφορά τα γενικότερα κλιματικά χαρακτηριστικά της. Ορίζεται από τα κλιματικά δεδομένα, όπως είναι η θερμοκρασία, η ηλιακή ακτινοβολία, η ηλιοφάνεια, ο άνεμος, η υγρασία, τα νέφη και οι βροχοπτώσεις. Το μεσόκλιμα μιας περιοχής είναι ο μετασχηματισμός του μακροκλίματος, λόγω τοπικών ιδιαιτεροτήτων, όπως είναι το ανάγλυφο του εδάφους, η ύπαρξη μεγάλων επιφανειών νερού και η βλάστηση. Το μικρόκλιμα μιας περιοχής είναι η διαφοροποίηση του μακροκλίματος και του μεσοκλίματος, η οποία οφείλεται κυρίως σε ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως π.χ. το δομημένο περιβάλλον ή οι γεωργικές καλλιέργειες Το αστικό περιβάλλον. Το αστικό περιβάλλον διακρίνεται σε δομημένο περιβάλλον, το οποίο περιλαμβάνει μεγάλο απόθεμα κάθε είδους υποδομών και κτιρίων που καλύπτουν τις ανάγκες διαμονής, εργασίας και αναψυχής του ανθρώπου, και στο φυσικό, το οποίο έχει υποστεί ανθρωπογενείς μεταβολές. Στο αστικό περιβάλλον, επομένως, διαμορφώνονται ιδιαίτερες κλιματικές και ατμοσφαιρικές συνθήκες, ως αποτέλεσμα της συνθετότητας του αστικού χώρου, τόσο σε επίπεδο λειτουργικό, όσο και σε επίπεδο μορφολογικό. Η πολυπλοκότητα των αστικών λειτουργιών συνεπάγεται και μια σειρά από ζητήματα διαχείρισης της ενέργειας και των περιβαλλοντικών παραγόντων. Συγκεκριμένα για την αναβάθμιση του δομημένου χώρου στις σύγχρονες πόλεις, αποτελεί πια επιτακτική ανάγκη ο προβληματισμός και η αναζήτηση λύσεων σε ζητήματα που αφορούν στην εξοικονόμηση ενέργειας, τη μείωση των παραγόμενων ρύπων και αποβλήτων, τη διατήρηση φυσικών στοιχείων και της φυσιογνωμίας του τοπίου μέσα στην πόλη αλλά και στην περιφέρειά της, την οικολογική σύσταση των υλικών που χρησιμοποιούνται στο δομημένο χώρο, τη βελτίωση του μικροπεριβάλλοντος, ζητήματα που επιδρούν καταλυτικά στην υγεία, τη συμπεριφορά και την ποιότητα ζωής του ανθρώπου. Ως γνωστόν, το κλίμα των πόλεων επηρεάζεται από το δομημένο περιβάλλον, το είδος και την ποιότητα των κτιρίων. Η πυκνή δόμηση και η βιομηχανοποίηση των υλικών, έχουν επιδεινώσει την ποιότητα του αστικού περιβάλλοντος, ενώ η απουσία οικολογικής προσέγγισης στο σχεδιασμό των πόλεων και των κτιρίων που τις συνιστούν, επιταχύνουν την περιβαλλοντική υποβάθμιση. Οι κλιματικές παράμετροι που επηρεάζονται από το αστικό περιβάλλον είναι αφενός η θερμοκρασία του αέρα, αφετέρου η ταχύτητα και η διεύθυνση του ανέμου. Δευτερευόντως η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, η νέφωση και το ύψος των βροχοπτώσεων. Δύο είναι τα φαινόμενα που συντελούν κυρίως στη μεταβολή της θερμικής και αεροδυναμικής συμπεριφοράς των πόλεων. Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας και το φαινόμενο της αστικής χαράδρας Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας. Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας (urban heat island effect) συνίσταται στην εμφάνιση θερμοκρασιών στο αστικό περιβάλλον κατά 1-10 o C υψηλότερες σε σχέση 11

12 με τις περιαστικές ή αγροτικές περιοχές. Στην ίδια την πόλη, η διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ των ακραίων περιοχών και του κέντρου μπορεί να φτάσει και κατά περιπτώσεις να ξεπεράσει τους 3 με 4 βαθμούς, ανάλογα με την πυκνότητα της δόμησης και της φύτευσης. Σχήμα 2.1. Γραφική παράσταση απεικόνισης του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας σε σχέση με την πυκνότητα δόμησης και φύτευσης. Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας αποκτά ιδιαίτερη σημασία κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, δεδομένου ότι οι υψηλές θερμοκρασίες επιδρούν στο αστικό περιβάλλον με την πρόκληση δυσφορίας στους κατοίκους, την αύξηση των δαπανών ψύξης και κλιματισμού και την αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τις ώρες αιχμής (με τα χαρακτηριστικά black out της θερινής περιόδου). Επιπλέον, το φαινόμενο της θερμικής νησίδας είναι συνήθως υπεύθυνο για τη δημιουργία των φωτοχημικών ρύπων, ειδικά στις πόλεις με μεγάλα διαστήματα ηλιοφάνειας, ενώ έχει επιπτώσεις και στα επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης και ειδικά στην αιθαλομίχλη, η οποία δημιουργείται από τις φωτοχημικές αντιδράσεις των ρύπων στον αέρα. Έχει πλέον παρατηρηθεί τις τελευταίες δεκαετίες ότι το μικροκλίμα των αστικών κέντρων έχει αλλάξει σημαντικά, με ολοένα και πιο υψηλές θερμοκρασίες να αναπτύσσονται στα αστικά κέντρα δημιουργώντας συνθήκες δυσφορίας στους κατοίκους. Μάλιστα δεν είναι καθόλου σπάνια τα περιστατικά θανάτων από θερμοπληξία, τα οποία αυξάνονται διαρκώς. Το φαινόμενο της θερμικής νησίδας, ουσιαστικά, δεν οφείλεται στο γεγονός ότι έχουμε υψηλές μέγιστες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της ημέρας αλλά, κυρίως στο ότι έχουμε άνοδο στις ελάχιστες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της νύχτας. Αυτό οφείλεται κυρίως στα κτίρια που κατά τη διάρκεια της νύχτας εκπέμπουν τεράστια ποσά θερμότητας. Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας οφείλεται σε μια πληθώρα διαφορετικών παραγόντων που έχουν άμεση σχέση με το σχεδιασμό και την κατασκευή των σύγχρονων πόλεων, καθώς και με τις διάφορες δραστηριότητες που αυτές ενσωματώνουν. Οι παράγοντες αυτοί, ανάλογα με την κλίμακα επιρροής τους είναι: Η αυξημένη επανεκπομπή θερμικής ακτινοβολίας από τον ουρανό. Η μειωμένη κυκλοφορία αέρα στον αστικό ιστό. Η ανθρωπογενής θερμότητα. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των αστικών δρόμων. Η μειωμένη εξατμισοδιαπνοή. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στις εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων και των υπαίθριων χώρων. 12

13 Αξιοσημείωτη θετική επίδραση του φαινομένου της θερμικής νησίδας είναι ότι η αύξηση της θερμοκρασίας των πόλεων εξαιτίας αυτού του φαινομένου, συμβάλλει στη μείωση των θερμικών απωλειών και κατά συνέπεια σε μικρότερη κατανάλωση συμβατικής ενέργειας για τη θέρμανση των κτιρίων Το φαινόμενο της αστικής χαράδρας. Το φαινόμενο της αστικής χαράδρας, αφορά τη μείωση της ταχύτητας και την αλλαγή της διεύθυνσης του ανέμου καθώς και τη θερμοκρασιακή διαστρωμάτωση του αέρα στους δρόμους των πόλεων. Η θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα σε πυκνά δομημένες αστικές περιοχές είναι συνήθως υψηλότερη από την αντίστοιχη θερμοκρασία των περιαστικών ή αγροτικών περιοχών. Οι κατακόρυφες όψεις που περιβάλλουν έναν αστικό δρόμο δρουν όπως τα πλευρικά τοιχώματα μιας φυσικής χαράδρας που μεταβάλλει τη στρωμάτωση των θερμοκρασιών και τα ανεμολογικά δεδομένα, ανάλογα με τα γεωμετρικά της χαρακτηριστικά και την απορροφητικότητα των επιφανειών. Η μεταβολή της θερμοκρασίας του αέρα σε ένα δρόμο εξαρτάται από τη μεταφερόμενη θερμότητα από τα υλικά προς τον αέρα και από την ποσότητα και τη θερμοκρασία του αέρα που εισέρχεται από τους γειτονικούς δρόμους και περιοχές. Η θερμοκρασία του αέρα μεταβάλλεται καθ ύψος και κατά πλάτος του δρόμου ανάλογα με τη θερμοκρασία των επιφανειών των κτιρίων και την κίνηση του αέρα. Κοντά στις επιφάνειες των τοίχων και γύρω από τα υλικά που δέχονται ηλιακή ακτινοβολία, δημιουργείται συνήθως ένα θερμό στρώμα αέρα. Ο χαρακτηρισμός της ροής του ανέμου σε ένα δρόμο γίνεται με βάση τη γωνία προσπτώσεως του ανέμου στο δρόμο καθώς και από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του δρόμου. Έτσι, σε σχέση με τη γωνία προσπτώσεως του ανέμου, το είδος της ροής ταξινομείται σε τρεις κατηγορίες: 1. Ροή ανέμου υπεράνω των κτιρίων με διεύθυνση παράλληλη με τον άξονα του δρόμου. 2. Ροή ανέμου υπεράνω των κτιρίων με διεύθυνση κάθετη προς τον άξονα του δρόμου. 3. Ροή ανέμου υπεράνω των κτιρίων με διεύθυνση η οποία να σχηματίζει γωνία προς τον άξονα του δρόμου. Σχήμα 2.2. Το φαινόμενο της αστικής χαράδρας. Όταν το ύψος των κτιρίων είναι μικρό και το πλάτος του δρόμου είναι μεγάλο ή όταν ανάμεσα στα κτίρια υπάρχουν ανοιχτοί χώροι, ο άνεμος διεισδύει και διατρέχει ένα μέρος του δρόμου και στη συνέχεια εξέρχεται. Έτσι επιτυγχάνεται η διάχυση των ρύπων που συσσωρεύονται στα χαμηλά στρώματα της ατμόσφαιρας καθώς και του θερμικού φορτίου και γενικότερα ο καλύτερος αερισμός του χώρου γύρω από τα κτίρια. Όταν το ύψος των κτιρίων ως προς το πλάτος του δρόμου, είναι σε μια αναλογία περίπου ένα προς 13

14 ένα, ο αέρας εισέρχεται στο δρόμο εν μέρει, κινείται κάθετα κατακόρυφα κοντά στις όψεις των κτιρίων και εξέρχεται σε ένα μέσο ύψος της κατακόρυφης διάστασης του δρόμου. Τέλος, όταν το ύψος των κτιρίων είναι μεγάλο και το πλάτος των δρόμων μικρό, σύνηθες φαινόμενο των αστικών τοπίων, ο αέρας ρέει κυρίως υπεράνω των κτιρίων, δημιουργώντας μία δευτερογενή σπειροειδή ροή χαμηλής ταχύτητας μεταξύ των κτιρίων, η οποία όμως δεν είναι επαρκής για το φυσικό αερισμό των κτιρίων και των δρόμων. Το φαινόμενο γίνεται πιο έντονο όταν στους δρόμους υπάρχει μεγάλη κυκλοφορία είτε οχημάτων, είτε πεζών Αύξηση ρύπων. Ένας ακόμα σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την ποιότητα του αστικού περιβάλλοντος είναι η αύξηση των εκπομπών ρύπων από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Ειδικότερα στις πόλεις, η ρύπανση συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και στην τοπική υποβάθμιση των συνθηκών ζωής, αφού μεταβάλλει αρνητικά το αστικό κλίμα και την ποιότητα της ατμόσφαιρας. Αυτό συμβαίνει γιατί στις πόλεις συσσωρεύονται οι ενεργοβόρες δραστηριότητες και αντίστοιχα η ρύπανση. Το 80% του εκπεμπόμενου διοξειδίου του άνθρακα οφείλεται στις μεταφορές, στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και στα καύσιμα που χρησιμοποιούν οι βιομηχανίες και οι πολίτες κάτι που συνεχώς αυξάνεται. Το πράσινο έχει τη δυνατότητα να απορροφά ρύπους όπως το διοξείδιο του άνθρακα και να δίνει οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Η σημασία των δένδρων και των φυτών στη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι πολύ σημαντική. Σε περιοχές με υγιή ψηλά δένδρα, μπορεί να μειωθεί η συγκέντρωση σωματιδίων σκόνης ως και 7000 σωματίδια ανά λίτρο αέρα. Βελτίωση των συνθηκών θα μπορούσαμε να έχουμε με χρήση φυτών εξωτερικού χώρου, τα οποία θα μπορούσαν να λειτουργούν ως φίλτρα: θάμνοι όπως το διβούρνο, το μπαμπού, η αλόη, η φτέρη, το χρυσάνθεμο, ο κισσός καθώς και δέντρα όπως η δάφνη, η ελιά, η μανολιά, η υποκαστανιά είναι το ίδιο αποτελεσματικές στο φιλτράρισμα των ρύπων Οδηγίες για τη βελτιστοποίηση του αστικού μικροκλίματος. Τα φαινόμενα της αστικής θερμικής νησίδας και της αστικής χαράδρας μαζί με τους παράγοντες που τα προκαλούν, συντελούν στην αλλαγή της ισορροπίας του θερμικού ισοζυγίου μιας πόλης. Το ισοζύγιο γίνεται θετικό, με την έννοια ότι, ενώ αυξάνονται οι ροές θερμότητας προς το περιβάλλον, οι μηχανισμοί που απομακρύνουν τη θερμότητα δεν ενισχύονται αναλόγως, ώστε να επέλθει μια ισορροπία. Αποτέλεσμα αυτής της διεργασίας είναι η αύξηση της θερμοκρασίας τόσο των κτιρίων, όσο και του περιβάλλοντα χώρου. Προκειμένου να επιτύχουμε τη ζητούμενη εξισορρόπηση του θερμικού ισοζυγίου, βασικός στόχος είναι η μείωση των θερμικών κερδών στις πόλεις (απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία και ανθρωπογενής θερμότητα) και η αύξηση των θερμικών απωλειών (θερμική ακτινοβολία που εκπέμπουν τα δομικά στοιχεία της πόλης, απώλειες θερμότητας λόγω εξατμισοδιαπνοής και θερμότητα που απάγεται από τα κτίρια και τους δρόμους μέσω φαινομένων μεταφοράς). Η μείωση των θερμικών κερδών συντελείται με τους ακόλουθους τρόπους: Μείωση της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η μείωση της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας επιτυγχάνεται είτε με το σκιασμό των εκτεθειμένων στον ήλιο επιφανειών, είτε με τη μείωση της απορροφητικότητας και την αύξηση της ανακλαστικότητας τους. Ο σκιασμός των 14

15 επιφανειών επιτυγχάνεται με τη χρήση τεχνητών σκιάστρων, φυτών και δέντρων, ενώ η μεταβολή των τιμών των ιδιοτήτων της απορροφητικότητας και της ανακλαστικότητας των επιφανειών είναι δυνατή με τη χρήση βαφών ανοικτού χρώματος, τη χρήση ψυχρών υλικών, την αποφυγή υλικών υψηλής απορροφητικότητας στην ηλιακή ακτινοβολία και την αποφυγή της ανακλώμενης ακτινοβολίας. Μείωση της εκλυόμενης ανθρωπογενούς θερμότητας. Μείωση της θερμότητας, η οποία εκλύεται από τις διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες επιτυγχάνεται με την ελάττωση της κυκλοφορίας αυτοκινήτων στην πόλη και την τοποθέτηση ψυκτικών διατάξεων πάνω από το επίπεδο των κτιρίων. Η αύξηση των θερμικών απωλειών συντελείται με τους εξής τρόπους: Αύξηση της εκπεμπόμενης θερμικής ακτινοβολίας. Η αύξηση της εκπεμπόμενης θερμικής ακτινοβολίας είναι δυνατή με τη χρήση ψυχρών υλικών για την κατασκευή των κτιρίων και τη δημιουργία δρόμων μεγάλου πλάτους σε σχέση με το ύψος των κτιρίων, ώστε να διευκολύνεται η διαφυγή της θερμικής ακτινοβολίας. Αύξηση της θερμικής μετάβασης (μεταφοράς) της θερμότητας. Αύξηση της μεταφοράς της θερμότητας είναι δυνατή με την επίτευξη θερμοκρασίας επιφανειών μεγαλύτερης από αυτήν του αέρα, την απρόσκοπτη κίνηση του αέρα παράλληλα προς τις επιφάνειες, το μεγάλο πλάτος των δρόμων σε συνδυασμό με το μικρό ύψος των κτιρίων και με τη δημιουργία ανοιγμάτων στην οροφή και τις πλευρικές επιφάνειες των κτιρίων όταν το πλάτος των παρακείμενων δρόμων είναι μικρό σε σχέση με το ύψος των κτιρίων. Αποδοτική εκμετάλλευση των θερμικών ιδιοτήτων του πρασίνου. Αποδοτική εκμετάλλευση των θερμικών ιδιοτήτων του πρασίνου επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση φυτών και πρασίνου γύρω από τα κτίρια με σκοπό το σκιασμό των εκτεθειμένων διαφανών και αδιαφανών τμημάτων τους, την ανεμπόδιστη κυκλοφορία του αέρα εντός κτιρίου και την απρόσκοπτη εκπομπή θερμικής ακτινοβολίας από το κτίριο, με τη φυτοκάλυψη του εδάφους, ώστε να εξασφαλίζονται χαμηλές επιφανειακές θερμοκρασιές και μείωση της θερμοκρασίας του αέρα και με την κατασκευή πολλών μικρών πνευμόνων πρασίνου σε αντίθεση με λίγους κεντρικούς. Εν κατακλείδι, συμπεραίνουμε ότι το μικροκλίμα μιας πόλης μπορεί να επηρεαστεί ουσιαστικά από τις πράσινες περιοχές. Ζητούμενο, λοιπόν, είναι η θεμελίωση και ανάπτυξη πόλεων πάνω σε οικολογικές βάσεις ( «πράσινες» πόλεις), πράγμα που θα εξασφαλίσει και την καλή ποιότητα ζωής των ατόμων και τη σωστή λειτουργία του περιβάλλοντος. 15

16 3. Οι δημόσιοι χώροι και οι χώροι παραγωγής Μια εισαγωγή Εισαγωγή. Το εθνικό ενεργειακό ισοζύγιο είναι η επίσημη καταγραφή των εισροών και των εκροών ενέργειας μιας χώρας. Μεταξύ άλλων, περιλαμβάνει τους τομείς της οικονομίας στους οποίους κατανέμεται η κατανάλωση τελικής ενέργειας. Αυτοί είναι: ο κτιριακός τομέας, ο οποίος περιλαμβάνει τα κτίρια του οικιακού και του τριτογενούς τομέα, οι μεταφορές και η βιομηχανία. Σύμφωνα με το ενεργειακό ισοζύγιο της Ελλάδας (στοιχεία καταγραφής του έτους 2007), η συμμετοχή του κτιριακού τομέα στη συνολική κατανάλωση τελικής ενέργειας είναι περίπου 38%. Τα ποσοστά συμμετοχής για τις μεταφορές και τη βιομηχανία είναι της τάξεως του 38% και 24%, αντίστοιχα. Και στους τρεις τομείς γίνεται μεγάλη σπατάλη ενέργειας, η οποία οφείλεται κυρίως στην έλλειψη επεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας που έχουν εφαρμογή στους δημόσιους χώρους και στους χώρους παραγωγής. Οι δημόσιοι χώροι και οι χώροι παραγωγής γενικά περιλαμβάνουν τα κτίρια του τριτογενούς τομέα, καθώς και τις βιοτεχνικές και βιομηχανικές μονάδες. Για τον επακριβή καθορισμό, όμως, των κτιρίων που ανήκουν σε αυτούς τους δύο τομείς, είναι απαραίτητο να γίνει πρώτα μια κατηγοριοποίηση των κτιρίων Κατηγορίες κτιρίων. Σύμφωνα με την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010, με την οποία καθορίζονται οι προδιαγραφές όλων των παραμέτρων που απαιτούνται για τον υπολογισμό της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων και την έκδοση του σχετικού πιστοποιητικού ενεργειακής απόδοσης, η ταξινόμηση των κτιρίων σύμφωνα με τη χρήση τους, δίνεται από τον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 3.1. Ταξινόμηση κτιρίων σύμφωνα με τη χρήση τους. Βασικές κατηγορίες κτιρίων Κατοικίας Προσωρινής διαμονής Συνάθροισης κοινού Εκπαίδευσης Υγείας και κοινωνικής πρόνοιας Σωφρονισμού Εμπορίου Γραφείων Χρήσεις κτιρίων που περιλαμβάνονται στις κατηγορίες Μονοκατοικία, πολυκατοικία (κτίριο με περισσότερα του ενός ανεξάρτητα διαμερίσματα). Ξενοδοχείο, ξενώνας, οικοτροφείο και κοιτώνας. Χώρος συνεδρίων, χώρος εκθέσεων, μουσείο, χώρος συναυλιών, θέατρο, κινηματογράφος, αίθουσα δικαστηρίων, κλειστό γυμναστήριο, κλειστό κολυμβητήριο, εστιατόριο, ζαχαροπλαστείο, καφενείο, τράπεζα, αίθουσα πολλαπλών χρήσεων. Νηπιαγωγείο, πρωτοβάθμια εκπαίδευση, δευτεροβάθμια εκπαίδευση, τριτοβάθμια εκπαίδευση, αίθουσα διδασκαλίας, φροντιστήριο. Νοσοκομείο, κλινική, αγροτικό ιατρείο, υγειονομικός σταθμός, κέντρο υγείας, ιατρείο, ψυχιατρείο, ίδρυμα ατόμων με ειδικές ανάγκες, ίδρυμα χρονίως πασχόντων, οίκος ευγηρίας, βρεφοκομείο, βρεφικός σταθμός, παιδικός σταθμός. Κρατητήριο, αναμορφωτήριο, φυλακή. Κατάστημα, εμπορικό κέντρο, αγοράς και υπεραγοράς, φαρμακείο, κουρείο και κομμωτήριο, ινστιτούτο γυμναστικής. Γραφείο, βιβλιοθήκη. 16

17 Η ανωτέρω ταξινόμηση δεν περιλαμβάνει ορισμένες κατηγορίες κτιρίων, οι οποίες έχουν εξαιρεθεί από την υποχρέωση μελέτης ενεργειακής απόδοσης ή/και έκδοσης πιστοποιητικού ενεργειακής απόδοσης. Οι κατηγορίες αυτές είναι τα κτίρια ιδιαίτερης αρχιτεκτονικής και ιστορικής αξίας, οι χώροι θρησκευτικών δραστηριοτήτων, τα επιστημονικά και ερευνητικά εργαστήρια των οποίων η λειτουργία διεξάγεται υπό ειδικές εσωτερικές συνθήκες (π.χ. εργαστήρια βιολογικών και χημικών διεργασιών) και οι βιοτεχνικές και βιομηχανικές μονάδες. Η ανωτέρω ταξινόμηση είναι κατάλληλη να χρησιμοποιηθεί για τις ανάγκες αυτής της εργασίας. Επομένως, τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τις τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια, βασίζονται στην παραπάνω ταξινόμηση των κτιρίων Δημόσιοι χώροι. Ως δημόσιος χώρος, γενικά, ορίζεται ο χώρος που ανήκει ή αναφέρεται στο κράτος, καθώς και ο χώρος που έχει σχέση με το λαό ή με το κοινό. Επομένως ως δημόσιοι χώροι μπορούν να χαρακτηριστούν, τόσο τα δημόσια κτίρια (γραφεία δημοσίων υπηρεσιών, νοσοκομεία, σχολεία, βιβλιοθήκες, κρατητήρια, κ.α.), όσο και οι χώροι συνάθροισης κοινού (πάρκα, πλατείες, κινηματογράφοι, εμπορικά καταστήματα, γυμναστήρια, κ.α.). Μια διαίρεση των δημόσιων χώρων μπορεί να γίνει με βάση το αν οι χώροι αυτοί είναι εσωτερικοί (κτίρια) ή εξωτερικοί (πάρκα, πλατείες). Στην παρούσα εργασία, η έννοια του δημόσιου χώρου θα γίνει ακόμα πιο γενική και θα συμπεριλάβει όλα τα κτίρια του τριτογενούς τομέα. Ο τριτογενής τομέας περιλαμβάνει όλες τις κατηγορίες κτιρίων που αναφέρονται στον πίνακα 3.1., πλην της κατοικίας. Κάποιες κατηγορίες κτιρίων που δεν ανήκουν στον πίνακα 3.1. αλλά μπορούν να χαρακτηριστούν ως κτίρια του τριτογενούς τομέα, όπως οι θρησκευτικοί χώροι, δεν θα μας απασχολήσουν, λόγω των ιδιαιτεροτήτων που παρουσιάζουν και οι οποίες σε πολλές περιπτώσεις αποτρέπουν την εφαρμογή επεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας. Άλλωστε η ίδια η νομοθεσία τους εξαιρεί από την υποχρέωση εφαρμογής τους. Τέλος, σημειώνεται, πως σε αυτή την εργασία θα μελετηθούν οι επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας, μόνο, για τους εσωτερικούς δημόσιους χώρους Χώροι παραγωγής. Ως χώρος παραγωγής, γενικά ορίζεται ο χώρος στον οποίο συντελείται η δημιουργία αντικειμένων, οικονομικών αγαθών και υπηρεσιών με την ανθρώπινη εργασία και με τα διαθέσιμα φυσικά ή τεχνικά μέσα. Οι χώροι παραγωγής χωρίζονται σε πρωτογενείς, δευτερογενείς και τριτογενείς. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει η αγροτική και η κτηνοτροφική παραγωγή. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκει η βιοτεχνία και η βιομηχανία. Τέλος, στην τρίτη κατηγορία ανήκουν οι υπηρεσίες. Η αγροτική και η κτηνοτροφική παραγωγή λαμβάνουν χώρα κυρίως στη φύση και είναι εκτός του πλαισίου αυτής της εργασίας. Οι υπηρεσίες ανήκουν στον τριτογενή τομέα, επομένως έχουν ήδη συμπεριληφθεί στους δημόσιους χώρους. Έτσι, ως χώροι παραγωγής θα λογίζονται από εδώ και εμπρός μόνο οι βιοτεχνικές και βιομηχανικές μονάδες. Οι χώροι παραγωγής θα αναφέρονται και ως «παραγωγικός τομέας» ή «παραγωγικές μονάδες», σε αντιδιαστολή με τον «τριτογενή τομέα», ο οποίος θα δηλώνει τους δημόσιους χώρους. Αν και οι χώροι παραγωγής δεν οφείλουν, με βάση το ισχύον νομοθετικό πλαίσιο, να εφαρμόζουν τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας πλην της απαραίτητης θερμομόνωσης του περιβλήματός τους η χρήση των τεχνικών αυτών συντελεί, αδιαμφισβήτητα, στην κατακόρυφη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και σε αυτή την κατηγορία κτιρίων. Έτσι, 17

18 είναι αναμενόμενο το έντονο ενδιαφέρον των ιδιοκτητών αυτών των χώρων για την εφαρμογή κατάλληλων παρεμβάσεων με τις οποίες θα μπορούσαν να επιτύχουν τη μείωση του λειτουργικού κόστους των ιδιοκτησιών τους. Εξαιτίας, λοιπόν, των ελπιδοφόρων προοπτικών που παρουσιάζει η εφαρμογή των παρεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας και στο πεδίο των χώρων παραγωγής, ήταν απολύτως φυσιολογικό να εστιάσει η παρούσα εργασία και σε αυτούς τους χώρους Σύνοψη. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, τα κτίρια (οικιακός και τριτογενής τομέας) είναι υπεύθυνα για το 38% της τελικής κατανάλωσης ενέργειας στην Ελλάδα. Πιο συγκεκριμένα, ο τριτογενής τομέας είναι ο μεγαλύτερος καταναλωτής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα, με ετήσια κατανάλωση που φθάνει τις 19,69TWh (στοιχεία έτους 2008). Το ποσό αυτό, είναι αυξημένο κατά 251% σε σχέση με την αντίστοιχη κατανάλωση του έτους Δυστυχώς, στη χώρα μας, η κατανάλωση ενέργειας συνοδεύεται από τη σπατάλη ενέργειας. Μεγάλη σπατάλη ενέργειας παρατηρείται σε δημόσια κτίρια του τριτογενούς τομέα, ακόμη και σε κτίρια που, λόγω της χρήσης τους (γραφεία, υπηρεσίες) και του περιορισμένου ωραρίου λειτουργίας, δεν δικαιολογούνται μεγάλες ενεργειακές καταναλώσεις. Και όλα αυτά σε αντίθεση με την Ευρωπαϊκή Οδηγία 2002/91/ΕΚ, η οποία σαφώς αναφέρει πως τα δημόσια κτίρια θα πρέπει να αποτελούν «παράδειγμα στα περιβαλλοντικά και ενεργειακά ζητήματα». Η μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας παρατηρείται σε κλειστές αθλητικές εγκαταστάσεις με πισίνες, λόγω της υψηλής ζήτησης θερμικής ενέργειας (θέρμανση πισίνας, θέρμανση χώρων, κλίβανοι, κτλ). Ιδιαίτερα ενεργοβόρα είναι, επίσης, τα νοσοκομεία και τα ξενοδοχεία. Αντίθετα, οι δημόσιοι χώροι που παρουσιάζουν τη μικρότερη κατανάλωση ενέργειας, είναι τα σχολεία και τα κλειστά γυμναστήρια, εξαιτίας του περιορισμένου χρόνου χρήσης τους. Είναι γεγονός πως στην Ελλάδα, η κατανάλωση ενέργειας παρουσιάζει αυξητικές τάσεις, το ίδιο και η σπατάλη της. Είναι αναγκαία λοιπόν, από περιβαλλοντικής και οικονομικής άποψης, η άμεση λήψη μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας. Μάλιστα, ο τριτογενής τομέας είναι ο κατεξοχήν κατάλληλος, για να παρέμβουν, τόσο το Κράτος, όσο και οι ιδιώτες, ώστε αρχικά να εφαρμοστούν οι ισχύοντες κτιριοδομικοί κανονισμοί και στη συνέχεια να εφαρμοστούν νέα κτιριακά πρότυπα υψηλής ενεργειακής και περιβαλλοντικής απόδοσης. 18

19 4. Βασικές ιδιότητες των δομικών υλικών Ο ρόλος του κτιρίου Εισαγωγή. Το κεφάλαιο αυτό αποτελείται από δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται λόγος για τα δομικά υλικά ενός κτιρίου και τις ιδιότητες που αυτά παρουσιάζουν. Οι ιδιότητες αυτές έχουν άμεση σχέση με την εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς επηρεάζουν τις εσωτερικές συνθήκες που επικρατούν σε ένα κτίριο κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου. Το δεύτερο μέρος πραγματεύεται αυτές, ακριβώς, τις συνθήκες που πρέπει να επικρατούν στο εσωτερικό ενός κτιρίου, οι οποίες είναι κατάλληλες για το σκοπό για τον οποίο έχει κατασκευαστεί το κτίριο. Είναι αναπόφευκτη η συχνή αναφορά των εννοιών, οι οποίες παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο, για το υπόλοιπο της εργασίας Οικοδομικά στοιχεία Τοιχοποιία. Τοιχοποιία ή τοιχοδόμηση ονομάζεται η κατασκευή των τοίχων μιας οικοδομής και αναφέρεται στα υλικά κατασκευής, στον συνδυασμό τους κατά τη δόμηση και στη διαδοχή τους (κατακόρυφες ή οριζόντιες στρώσεις). Ανάλογα με το συνδυασμό των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των τοίχων, διακρίνουμε τις εξής κατηγορίες τοιχοποιίας: Λιθοδομές. Η κατασκευή γίνεται από φυσικούς λίθους οι οποίοι ονομάζονται αργοί στην περίπτωση κατά την οποία έχουν υποστεί ελάχιστη ή καθόλου επεξεργασία, ημίξεστοι στην περίπτωση κατά την οποία έχουν υποστεί μέτρια επεξεργασία και ξεστοί όταν έχουν υποστεί πλήρη επεξεργασία. Ανάλογα με τους λίθους οι οποίοι χρησιμοποιούνται κάθε φορά, διακρίνουμε τα εξής επιμέρους είδη λιθοδομής: α) ξηρολιθοδομή ή ξερολιθιά, β) αργολιθοδομή, γ) ημιλαξευτή λιθοδομή και δ) λαξευτή λιθοδομή. Η ξηρολιθοδομή χρησιμοποιεί αργούς λίθους χωρίς τη χρήση κονιάματος. Τα κενά γεμίζονται με μικρές πέτρες, λαξευτές ή μη. Η αργολιθοδομή χρησιμοποιεί αργούς λίθους και κονίαμα. Η ημιλαξευτή λιθοδομή χρησιμοποιεί κονίαμα, ημίξεστους λίθους στην εξωτερική πλευρά και αργούς λίθους στην εσωτερική. Τέλος, η λαξευτή λιθοδομή χρησιμοποιεί κονίαμα και ξεστούς λίθους. Πλινθοδομές. Η κατασκευή γίνεται από τεχνητούς λίθους, οι οποίοι συνδέονται με κονίαμα. Ανάλογα με το είδος των τεχνητών λίθων που χρησιμοποιούνται, έχουμε τα εξής είδη πλινθοδομής: α) οπτοπλινθοδομή και β) τσιμεντολιθοδομή. Η οπτοπλινθοδομή χρησιμοποιεί οπτόλινθους (τα γνωστά μας τούβλα). Οι οπτόλινθοι κατασκευάζονται με το ψήσιμο ενός μίγματος αργίλου, άμμου και νερού. Η τσιμεντολιθοδομή χρησιμοποιεί τσιμεντόλιθους οι οποίοι κατασκευάζονται από τσιμέντο και αμμοχάλικο σε αναλογία 1:12 και χρησιμοποιούνται ένα μήνα μετά την παραγωγή τους. Σύνθετοι τοίχοι. 19

20 Η κατασκευή τους γίνεται από διαφορετικά δομικά υλικά με κατάλληλη διάταξη και διαδοχή. Χυτοί τοίχοι. Η κατασκευή τους γίνεται από ρευστές μάζες κατάλληλων μιγμάτων (νερό τσιμέντο, ασβέστης, προσμίξεις), οι οποίες, στη συνέχεια, σκληραίνουν Κονιάματα σύνδεσης. Κονίες ονομάζονται τα συνδετικά υλικά (π.χ. το τσιμέντο, ο ασβέστης, ο γύψος, ο πηλός), τα οποία αναμιγνύονται με νερό και κατόπιν επεξεργασίας γίνονται εύπλαστα και αποκτούν συγκολλητικές ιδιότητες. Κονίαμα σύνδεσης ονομάζεται το μίγμα, το οποίο προκύπτει από το συνδυασμό κονιών, λεπτόκοκκων αδρανών υλικών (π.χ. άμμος) και νερού και χρησιμοποιείται για τη σύνδεση των δομικών στοιχείων ενός τοίχου. Κατά την κατασκευή του τοίχου, το μίγμα έχει ρευστή μορφή, ενώ στη συνέχεια στερεοποιείται. Το κονίαμα σύνδεσης, αλλιώς, ονομάζεται και λάσπη. Τα πιο χρησιμοποιούμενα κονιάματα σύνδεσης είναι το τσιμεντοκονίαμα (τσιμέντο, άμμος, νερό), το μαρμαροκονίαμα (μαρμαρόσκονη, ασβέστης, νερό) και το ασβεστοκονίαμα (τσιμέντο, ασβέστης, άμμος, νερό) Επιχρίσματα. Επίχρισμα ή σοβάς ονομάζεται το κονίαμα, το οποίο χρησιμοποιείται για την επικάλυψη τοίχων και οροφών ώστε να τα προστατέψει από την υγρασία, το ψύχος και το θόρυβο ή για αισθητικούς λόγους. Το επίχρισμα αποτελείται από τρεις στρώσεις, οι οποίες είναι κατά σειρά το πεταχτό, το λάσπωμα ή αστάρι και το τριφτό ή ψιλό. Η παρασκευή της στρώσης του πεταχτού γίνεται από ασβέστη, χονδρόκοκκη άμμο και 150kg τσιμέντου ανά m 3 κονιάματος. Ασβέστης και άμμος χρησιμοποιούνται σε αναλογία 1:2 ή 1:3. Έχει πάχος 5mm και σκορπίζεται στον τοίχο με μηχανή ή μυστρί και αφήνεται να στεγνώσει πριν την τοποθέτηση της δεύτερης στρώσης. Η παρασκευή της δεύτερης στρώσης γίνεται από ασβέστη και μετριόκοκκη άμμο σε αναλογία 1:2 ή 1:2,5. Έχει πάχος 12-15mm. Τοποθετείται με τη βοήθεια ενός πήχη, ο οποίος κινείται προς όλες τις κατευθύνσεις εφ όσον έχουν κατασκευασθεί οδηγοί από το υλικό του επιχρίσματος. Η στρώση αυτή μπορεί να γίνει με και με θερμομονωτικό κονίαμα, το οποίο ονομάζεται θερμοσοβάς. Τέλος, η παρασκευή της τρίτης στρώσης γίνεται από ασβέστη, ψιλόκοκκη άμμο και τσιμέντο. Η αναλογία ασβέστη με άμμο είναι 1:2. Έχει πάχος 5mm. Απλώνεται κυκλικά με τριβείο και ταυτόχρονα διαβρέχεται. Εάν χρησιμοποιηθεί ρύζι μαρμάρου αντί για άμμο, προκύπτει το μαρμαροκονίαμα Δομικά στοιχεία κτιριακού κελύφους. Δομικά στοιχεία του κτιριακού κελύφους ονομάζονται όλα τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται το εξωτερικό περίγραμμα (κέλυφος) ενός κτιρίου και διαχωρίζουν το εξωτερικό περιβάλλον από το εσωτερικό του κτιρίου. Τα δομικά στοιχεία χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα αδιαφανή και τα διαφανή δομικά στοιχεία. Στα αδιαφανή δομικά στοιχεία ανήκουν οι τοιχοποιίες, τα δάπεδα, τα υποστυλώματα (κολώνες), οι δοκοί και οι επιστεγάσεις. Στα διαφανή δομικά στοιχεία 20

21 ανήκουν τα υαλοστάσια ή κουφώματα του κτιρίου, τα οποία αποτελούνται από τα πλαίσια και τους υαλοπίνακες. Τα αδιαφανή και τα διαφανή δομικά στοιχεία διακρίνονται σε κατακόρυφα δομικά στοιχεία (π.χ. τοιχοποιίες) και σε οριζόντια δομικά στοιχεία (π.χ. επιστεγάσεις, δάπεδα). Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα δομικά στοιχεία, ονομάζονται δομικά υλικά. Το σκυρόδεμα (μπετόν), το τούβλο, η πέτρα, το γυαλί και το ξύλο είναι από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα δομικά υλικά. Τα δομικά υλικά (επομένως και τα δομικά στοιχεία) παρουσιάζουν πολλές ιδιότητες, οι οποίες ρυθμίζουν σε σημαντικό βαθμό την αλληλεπίδραση μεταξύ κτιρίου και περιβάλλοντος, καθορίζοντας έτσι τη θερμική συμπεριφορά του κτιρίου. Οι ιδιότητες αυτές θα μας απασχολήσουν στις επόμενες ενότητες αυτού του κεφαλαίου Θερμική συμπεριφορά δομικών στοιχείων Ροή θερμότητας στα υλικά - Βασικές έννοιες. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει πάνω στα διάφορα σώματα, ένα ποσοστό της ανακλάται, ενώ το υπόλοιπο απορροφάται από τα σώματα και μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία αποθηκεύεται στη μάζα τους. Η θερμότητα αυτή θα μεταδοθεί σε άλλα γειτονικά σώματα ή στον αέρα με τρεις μηχανισμούς: με αγωγή, θερμική μετάβαση και ακτινοβολία. Αγωγή ονομάζεται η μετάδοση θερμότητας από μόριο σε μόριο σε στερεά, υγρά και αέρια σώματα με διαφορετική όμως ταχύτητα. Θερμική μετάβαση ή συναγωγή ονομάζεται η μεταβίβαση θερμότητας με τη μετακίνηση θερμών μορίων υγρών (π.χ. υδρατμών) ή αέρα μέσα στο χώρο. Μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία έχουμε όταν η θερμότητα μεταδίδεται από ένα σώμα σε ένα άλλο μέσω ενός στρώματος αέρα που τα διαχωρίζει. Σχήμα 4.1. Τρόποι μετάδοσης της θερμότητας. Η ροή θερμότητας μέσα από κάθε υλικό, εξαρτάται από τα φυσικά χαρακτηριστικά του, όπως το πάχος του, αλλά και τις θερμικές του ιδιότητες, οι οποίες είναι οι εξής: 21

22 Ειδική θερμότητα c: είναι η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία της μάζας 1kg του υλικού κατά 1 o C. Μονάδες μέτρησης έχει τα [kj/(kg K)] ή [kcal/(kg o C)]. Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ: Είναι η ποσότητα θερμότητας που διέρχεται μέσα σε 1h από ομοιογενές υλικό πάχους 1m, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο παράλληλων επιφανειών του υλικού είναι ίση με 1 o C. Συντελεστής θερμικής μετάβασης α: Είναι η ποσότητα θερμότητας, η οποία μεταβιβάζεται μέσα σε 1h μεταξύ μίας επιφάνειας 1m 2 και του αέρα ή του υγρού, που εφάπτεται σε αυτήν, όταν η διαφορά θερμοκρασίας τους είναι 1 ο C. Αντίσταση θερμικής μετάβασης 1/α: Είναι το αντίστροφο του συντελεστή θερμικής μετάβασης και συμβολίζεται εναλλακτικά με το γράμμα R. Μονάδες μέτρησης έχει τα [(m 2 K)/W] ή [(h m 2 o C)/kcal]. Συντελεστής θερμοδιαφυγής υλικού Λ: Είναι η ποσότητα θερμότητας, η οποία διέρχεται μέσα σε 1h από ένα υλικό ορισμένου πάχους και επιφάνειας 1m 2, όταν η διαφορά θερμοκρασίας στις δύο όψεις του υλικού είναι 1 o C. Δίδεται από τη σχέση: Λ= λ/d [kcal/(h m 2 o C)] ή [W/(m 2 K)] (4.1) όπου, d, το πάχος του υλικού, λ, ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού. Αντίσταση θερμοδιαφυγής υλικού 1/Λ: Είναι το αντίστροφο του συντελεστή θερμοδιαφυγής υλικού και συμβολίζεται εναλλακτικά με το γράμμα R o. Το μέγεθος αυτό χαρακτηρίζει τη θερμομονωτική ικανότητα του υλικού. Συντελεστής θερμοπερατότητας τοιχώματος U: Είναι η ποσότητα θερμότητας που διέρχεται μέσα σε 1h από ένα τοίχωμα δεδομένου πάχους και επιφάνειας 1m 2, όταν η διαφορά θερμοκρασίας του αέρα ή του υγρού, το οποίο εφάπτεται στις δύο πλευρές του τοιχώματος είναι 1 o C. Δίδεται από τη σχέση: U = 1/(1/α i + (d n /λ n ) +1/α α +1/α e ) [W/(m 2 K)] (4.2) όπου, d n, το πάχος του υλικού n σε σύνθετο τοίχωμα, λ n, ο θερμικής αγωγιμότητας του υλικού n σε σύνθετο τοίχωμα, α i, ο συντελεστής θερμικής μετάβασης του εσωτερικού αέρα, α e, ο συντελεστής θερμικής μετάβασης του εξωτερικού αέρα, α α, ο συντελεστής θερμικής μετάβασης του εγκλωβισμένου στο τοίχωμα στρώματος αέρα. Αντίσταση θερμοπερατότητας τοιχώματος 1/U: Είναι το αντίστροφο του συντελεστή θερμοπερατότητας και χαρακτηρίζει τη θερμομονωτική ικανότητα του τοιχώματος, στις δύο όψεις του οποίου εφάπτεται αέρας ή υγρό. 22

23 Η ροή της θερμότητας γίνεται από το θερμότερο προς το ψυχρότερο υλικό και από το θερμότερο προς το ψυχρότερο περιβάλλον. Η ιδιότητα αυτή παίζει σημαντικό ρόλο στην αποθήκευση και την επαναπόδοση της θερμότητας από τα υλικά, κάτι που να μελετηθεί αναλυτικά στην επόμενη παράγραφο Αποθήκευση και επαναπόδοση θερμότητας από τα δομικά στοιχεία. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω στα αντικείμενα, απορροφάται από αυτά και αποθηκεύεται ως θερμότητα στη μάζα τους. Η θερμότητα αποδίδεται πάλι πίσω στο περιβάλλον με κάποια χρονική καθυστέρηση. Όλη αυτή η διεργασία έχει ιδιαίτερη σημασία για τα δομικά στοιχεία από τα οποία οικοδομείται το κτίριο, καθώς μέσω αυτών, το κτίριο ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον (με αγωγή, θερμική μετάβαση και ακτινοβολία). Αυτό σημαίνει πως με την επιλογή των κατάλληλων οικοδομικών υλικών, το κέλυφος του κτιρίου μπορεί να συμπεριφερθεί ως αποθήκη θερμότητας, αλλά και ως πηγή θέρμανσης για το εσωτερικό του κτιρίου, χάρις στην θερμότητα που αποθηκεύει στη μάζα του. Η ικανότητα ενός δομικού υλικού ή στοιχείου να αποθηκεύει θερμότητα στη μάζα του και να την αποδίδει βαθμιαία με σημαντική χρονική καθυστέρηση, ονομάζεται θερμοχωρητικότητα. Η θερμοχωρητικότητα είναι ανάλογη προς τον όγκο, τη μάζα και την πυκνότητα του υλικού. Δίνεται δε, από τη σχέση: C = m c = ρ V c [kcal/ o C] ή [kj/k] (4.3) όπου, c, η ειδική θερμότητα του υλικού, ρ, η πυκνότητα του υλικού, V, ο όγκος του υλικού, m, η μάζα του υλικού. Από τον ορισμό της θερμοχωρητικότητας, γίνεται εύκολα αντιληπτό, ότι τα δομικά υλικά με μεγάλη τιμή θερμοχωρητικότητας έχουν τη δυνατότητα να αποθηκεύσουν μεγάλη ποσότητα θερμότητας στη μάζα τους και να την αποδώσουν με μεγάλη χρονική καθυστέρηση στο περιβάλλον. Έτσι, είναι προφανές, πως τα δομικά υλικά που επιλέγονται για την κατασκευή ενός κτιρίου, πρέπει να χαρακτηρίζονται από μεγάλες τιμές θερμοχωρητικότητας. Τέτοια υλικά είναι το σκυρόδεμα, η πέτρα και το τούβλο (κατά σειρά μειούμενης θερμοχωρητικότητας) που χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις κατασκευές. Από τη θερμοχωρητικότητα και το πάχος ενός δομικού στοιχείου, εξαρτάται ο ρυθμός με τον οποίο αυτό απορροφά ή αποβάλλει θερμότητα. Αυτός ο ρυθμός ονομάζεται θερμική αδράνεια του στοιχείου. Η αποθήκευση και επαναπόδοση της θερμότητας των δομικών στοιχείων οφείλεται στη ροή θερμότητας από το θερμότερο στο ψυχρότερο περιβάλλον. Η ροή, αυτή, εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του εξωτερικού και του εσωτερικού περιβάλλοντος του κτιρίου. Η διαφορά αυτή παρουσιάζει διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια του 24ώρου. Έτσι, την ημέρα, η εξωτερική θερμοκρασία (t e ) είναι υψηλότερη από την εσωτερική, οπότε έχουμε ροή θερμότητας προς το εσωτερικό του κτιρίου. Τη νύχτα, όμως, η εσωτερική θερμοκρασία (t i ) είναι υψηλότερη, επομένως η ροή θερμότητας είναι προς το εξωτερικό περιβάλλον. Αυτή η αμφίδρομη ροή θερμότητας που συμβαίνει κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου, επαναλαμβάνεται για κάθε 24ωρο, κάθε εποχή του έτους (με διαφορετική ένταση για κάθε εποχή όμως). Επομένως μπορεί να χαρακτηριστεί ως περιοδική. 23

24 Σχήμα 4.2. Ροή θερμότητας σε ένα κτίριο. Η περιοδική ροή θερμότητας χαρακτηρίζεται από τη χρονική καθυστέρηση τ και το συντελεστή μείωσης θερμοκρασίας μ t. Η χρονική καθυστέρηση, τ, είναι το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από τη στιγμή εμφάνισης της μέγιστης εξωτερικής θερμοκρασίας μέχρι τη στιγμή εμφάνισης της μέγιστης επιφανειακής εσωτερικής θερμοκρασίας του τοιχώματος. Η χρονική καθυστέρηση είναι σημαντικό μέγεθος γιατί χαρακτηρίζει τη θερμική αδράνεια της κατασκευής. Όσο μεγαλύτερη χρονική καθυστέρηση έχει ένα δομικό στοιχείο, τόσο περισσότερο καθυστερεί να αποδώσει τη θερμότητα του στο περιβάλλον. Αυτό σημαίνει πως ένα τέτοιο δομικό στοιχείο, το οποίο θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της ημέρας, θα αποδώσει την αποθηκευμένη θερμότητα αργά το βράδυ. Αυτό είναι ιδιαίτερα ευεργετικό κατά τη διάρκεια του χειμώνα, καθώς έχουμε φυσική θέρμανση του κτιρίου τις ώρες που η εξωτερική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη της εσωτερικής, με αποτέλεσμα να μην μπορεί το κτίριο να θερμανθεί από το περιβάλλον. Αλλά και το καλοκαίρι, η επαναπόδοση της θερμότητας από το κέλυφος του κτιρίου κατά τις βραδινές ώρες, είναι ό,τι καλύτερο, καθώς η εξωτερική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη της εσωτερικής και ευνοεί την απομάκρυνση της θερμότητας από το εσωτερικό του κτιρίου προς το περιβάλλον με φυσικό αερισμό. Σχήμα 4.3. Λειτουργία της μάζας των δομικών στοιχείων (Χειμώνας: Θέρμανση εσωτερικών χώρων με την αποθηκευμένη θερμότητα τη νύχτα Καλοκαίρι: Αποβολή της αποθηκευμένης θερμότητας με αερισμό τη νύχτα). 24

25 Υλικά με μεγάλη θερμοχωρητικότητα και μικρό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας έχουν μεγάλη χρονική καθυστέρηση. Ο συντελεστής μείωσης θερμοκρασίας μ t είναι το πηλίκο της μέγιστης επιφανειακής εσωτερικής θερμοκρασίας του τοιχώματος προς τη μέγιστη εξωτερική θερμοκρασία. Η τιμή του αυξάνεται όσο βελτιώνεται η θερμομόνωση του κτιρίου. Τέλος, είναι χρήσιμο να αναφέρουμε πως το έδαφος έχει πολύ μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα από τον αέρα, άρα και θερμική αδράνεια. Το γεγονός αυτό το εκμεταλλευόμαστε με την κατασκευή ημιυπόσκαφων κτιρίων, κάτι που θα εξεταστεί σε επόμενο κεφάλαιο Θερμομονωτικά υλικά και ιδιότητές τους. Η μετάδοση της θερμότητας στα δομικά υλικά γίνεται κυρίως μέσω αγωγής. Επομένως, όσο μικρότερο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ έχει ένα υλικό, τόσο μεγαλύτερη θερμομονωτική ικανότητα παρουσιάζει. Βάσει αυτού του κριτηρίου, ως θερμομονωτικά υλικά χαρακτηρίζονται εκείνα τα υλικά, τα οποία έχουν λ < 0.1W/(m K). Συνήθως, τα θερμομονωτικά υλικά είναι πορώδη υλικά, τα οποία περιέχουν στο εσωτερικό τους ένα μεγάλο αριθμό μικρών πόρων (κυψελίδων), οι οποίες περικλείουν ακίνητο αέρα. Ο ακίνητος αέρας είναι ο χειρότερος αγωγός της θερμότητας, με συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας ίσο με, μόλις 0,021kcal/( h m ο C). Τα μονωτικά υλικά χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες, οι οποίες είναι τα οργανικά υλικά, τα ανόργανα υλικά, τα μονωτικά σκυροδέματα και τα οικολογικά υλικά. Στα οργανικά υλικά ανήκει η διογκωμένη πολυστερίνη (felizol), η εξηλασμένη πολυστερίνη (styrofoam), η πολυουρεθάνη, η πολυστυρόλη, το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), η φαινολική ρυτίνη, κ.α. Στα ανόργανα υλικά ανήκει ο υαλοβάμβακας, ο πετροβάμβακας, ο ορυκτοβάμβακας, ο διογκωμένος περλίτης (perlomin), τα θερμομονωτικά τούβλα, κ.α. Στα μονωτικά σκυροδέματα ανήκει το κισσηρομπετόν, το κυψελομπετόν και το περλομπετόν. Τέλος, στα οικολογικά υλικά ανήκει ο διογκωμένος φελλός, η διογκωμένη άργιλος, το λιναρόμαλλο, τα ρολά από ίνες κοκκοφοίνικα ή υπολείμματα βαμβακιού, κ.α. Τα κριτήρια επιλογής και αξιολόγησης των μονωτικών υλικών τα οποία ταυτόχρονα προσδιορίζουν και τις ιδιότητες τους είναι τα ακόλουθα: Επίδραση θερμοκρασίας. Επίδραση υγρασίας. Αντίσταση στη φωτιά. Ηχομόνωση. Μηχανική αντοχή. Επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας. Χημική συμπεριφορά. Αν και πόσο επιβλαβές είναι για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Επίσης, πολύ σημαντική ιδιότητα είναι η δυνατότητα ενός υλικού να μπορεί να αποβάλλει την υγρασία (σε περίπτωση που προσβάλλεται από αυτή) και να ανακτά τις μονωτικές ιδιότητές του (π.χ. τα θερμομονωτικά τούβλα). Συνήθως τα υλικά που ανήκουν σε κάποια κατηγορία μονωτικών υλικών παρουσιάζουν ίδια ή παρόμοια συμπεριφορά στα παραπάνω κριτήρια-ιδιότητες. Σε μερικές περιπτώσεις όμως, κάποια υλικά, τα οποία συνήθως συνιστούν μια υποομάδα μέσα στην κατηγορία, παρουσιάζουν απόκλιση σε κάποιες ιδιότητες σε σχέση με άλλα υλικά της ίδιας κατηγορίας. Για παράδειγμα τα ανόργανα ινώδη μονωτικά υλικά (υαλοβάμβακας, πετροβάμβακας και ορυκτοβάμβακας) προσβάλλονται από την υγρασία. Όμως, ο διογκωμένος περλίτης που ανήκει και αυτός 25

26 στην κατηγορία των ανόργανων, μονωτικών υλικών, αλλά όχι των ινωδών, δεν επηρεάζεται από την υγρασία. Οι κυριότερες ιδιότητες των ανόργανων μονωτικών υλικών είναι η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες (έως και 500 ο C), η πολύ καλή συμπεριφορά απέναντι στη φωτιά και οι εξαίρετες ηχομονωτικές ιδιότητες. Σε αυτούς τους τομείς υπερέχουν των οργανικών μονωτικών υλικών, τα οποία αντέχουν σε θερμοκρασίες μέχρι μόλις 100 ο C, είναι εύφλεκτα και δεν έχουν ηχομονωτικές ιδιότητες. Από την άλλη πλευρά, τα οργανικά αφρώδη μονωτικά υλικά (διογκωμένη και εξηλασμένη πολυστερίνη, πολυουρεθάνη και πολυστυρόλη) δεν επηρεάζονται από την υγρασία και έχουν μεγάλη μηχανική αντοχή. Αντίθετα, επηρεάζονται από τη μακροχρόνια έκθεσή τους στην ηλιακή ακτινοβολία και από την επαφή τους με ασφαλτικές μεμβράνες και πίσσα. Τα ανόργανα ινώδη μονωτικά υλικά προσβάλλονται από την υγρασία και έχουν μικρή μηχανική αντοχή. Ασφαλώς, την καλύτερη επιλογή μονωτικών υλικών αποτελούν τα οικολογικά υλικά. Στα πλεονεκτήματά τους περιλαμβάνεται η περιορισμένη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή τους, η δυνατότητα ανακύκλωσής τους και η φιλική συμπεριφορά προς τον άνθρωπο (δεν περιέχουν καρκινογόνους ή τοξικούς ρύπους) και το περιβάλλον (δεν μολύνουν κατά την παραγωγή και τη χρήση τους). Βέβαια, το κόστος τους είναι υψηλότερο των υπολοίπων συμβατικών θερμομονωτικών υλικών. Στον αντίποδα των οικολογικών υλικών υπάρχουν κάποια άλλα υλικά, η χρήση των οποίων εγκυμονεί κινδύνους για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Συγκεκριμένα, το Διεθνές Κέντρο Έρευνας Καρκίνου (IARC) έχει χαρακτηρίσει ως καρκινογόνους τον υαλοβάμβακα και τον πετροβάμβακα. Η χρήση αυτών των υλικών πρέπει να γίνεται σε μικρές ποσότητες και να είναι πλήρως στεγανοποιημένη. Ακόμα ένα υλικό που δημιουργεί πολλά προβλήματα σε όλη τη διάρκεια της ζωής του είναι το PVC. Αυτό είναι ένα συνθετικό υλικό από πετρέλαιο και χλώριο κυρίως, το οποίο είχε ευρείας κλίμακας εφαρμογές στον κτιριακό τομέα και τη βιομηχανία. Πλέον, η χρήση του, ειδικά στα κτίρια, έχει περιοριστεί ή απαγορευτεί σε πολλές χώρες της Ε.Ε Ανακλαστικότητα και απορροφητικότητα δομικών στοιχείων. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, όταν τα διάφορα υλικά δέχονται την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, απορροφούν ένα μέρος αυτής, ενώ το υπόλοιπο το ανακλούν. Το πηλίκο της απορροφούμενης προς την ολική προσπίπτουσα ακτινοβολία ονομάζεται απορροφητικότητα του υλικού, ενώ το πηλίκο της ανακλώμενης προς την ολική προσπίπτουσα ακτινοβολία ονομάζεται ανακλαστικότητα του υλικού. Οι συντελεστές ανακλαστικότητας και απορροφητικότητας ενός αδιαφανούς υλικού ή μιας επιφάνειας εξαρτώνται κυρίως από τη διαμόρφωση της τελικής επιφάνειας, δηλαδή από το χρώμα και την υφή της. Ανοιχτόχρωμες βαφές έχουν υψηλό δείκτη ανακλαστικότητας, σε αντίθεση με τις σκουρόχρωμες βαφές, οι οποίες χαρακτηρίζονται από μεγάλη απορροφητικότητα. Επίσης, η ανακλαστικότητα στιλπνών και λείων επιφανειών πλησιάζει τη μονάδα, ενώ η απορροφητικότητα τους είναι αντίστοιχα μειωμένη. Το αντίθετο ισχύει για τις τραχιές επιφάνειες. Ιδιαίτερη αξία έχουν οι συντελεστές απορροφητικότητας και ανακλαστικότητας των δομικών υλικών, τα οποία αποτελούν τις εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων. Οι εξωτερικές επιφάνειες του κτιριακού κελύφους δέχονται το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας. Άρα από την ανακλαστικότητα και την απορροφητικότητα που τις χαρακτηρίζει, καθορίζονται ουσιαστικά τα ηλιακά κέρδη των αδιαφανών δομικών στοιχείων του κτιρίου. Εξωτερικές επιφάνειες με μεγάλες τιμές ανακλαστικότητας, βοηθούν στη μείωση της θερμοκρασίας του εσωτερικού χώρου με φυσικό τρόπο και συμβάλουν στην εξοικονόμηση ενέργειας από τον κλιματισμό του χώρου. 26

27 Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει εκτεταμένη έρευνα και προσπάθεια για την δημιουργία υλικών με ανεπτυγμένα οπτικά χαρακτηριστικά και αυξημένη ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία. Τα υλικά αυτά ονομάζονται ψυχρά υλικά και αφορούν στοιχεία των εξωτερικών επιφανειών των κτιρίων (χρώματα, μεμβράνες οροφής, κεραμίδια, κ.α.). Σύμφωνα με την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010, τυπικές τιμές ανακλαστικότητας και απορροφητικότητας για διάφορες επιφάνειες που συναντώνται ως τελικές επιστρώσεις των κατακόρυφων και οριζόντιων δομικών στοιχείων του κτιριακού κελύφους, δίνονται από τον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 4.1. Τυπικές τιμές ανακλαστικότητας και απορροφητικότητας στην ηλιακή ακτινοβολία. Περιγραφή επιφάνειας Ανακλαστικότητα Απορροφητικότητα Κατακόρυφα δομικά στοιχεία Επίχρισμα λευκό, λεία επιφάνεια (σπατουλαριστό) 0,70 0,30 Επίχρισμα ανοιχτόχρωμο (π.χ. ανοιχτό γκρι, μπεζ, κίτρινο, 0,60 0,40 ροζ ή γαλάζιο) Επίχρισμα μέτριας απόχρωσης (π.χ. γκρι, μπεζ, σκούρα 0,40 0,60 ώχρα, σομόν) Επίχρισμα σκουρόχρωμο (π.χ. σκούρο λαδί, καφέ, γκρι) 0,20 0,80 Εμφανής οπτοπλινθοδομή ή λιθοδομή 0,20 0,80 Εμφανής ανοιχτόχρωμη οπτοπλινθοδομή ή λιθοδομή 0,40 0,60 Στιλπνές μεταλλικές επιφάνειες (π.χ. αλουμίνιο) 0,80 0,20 Αδιαφανές τμήμα γυάλινης πρόσοψης (π.χ. πάνελ με 0,40 0,60 επικάλυψη γυαλιού) Οριζόντια δομικά στοιχεία (οροφές) Κόκκινο κεραμίδι 0,40 0,60 Πολύ σκούρες επιστρώσεις στεγών ή δωμάτων 0,10 0,90 (ασφαλτόπανα) Σκούρες επιστρώσεις στεγών ή δωμάτων 0,20 0,80 (π.χ. επικάλυψη με σχιστολιθικές πλάκες, ασφαλτικά κεραμίδια) Ανοιχτόχρωμες επιστρώσεις στεγών ή δωμάτων (π.χ. 0,35 0,65 επικάλυψη με πλάκες πεζοδρομίου, ασφαλτόπανα με χαλαζιακή ψηφίδα) Στιλπνές μεταλλικές επιφάνειες (π.χ. ανακλαστικές 0,80 0,20 μεμβράνες) Γαρμπίλι 0,70 0,30 Ένα ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που έχει απορροφηθεί από μια επιφάνεια ή ένα υλικό, εκπέμπεται προς το περιβάλλον με τη μορφή θερμικής ακτινοβολίας. Η ικανότητα εκπομπής της θερμικής ακτινοβολίας διαφοροποιείται ανάλογα με το υλικό και εκφράζεται από το συντελεστή εκπομπής ε του υλικού. Υλικά με μεγάλο συντελεστή εκπομπής αποβάλλουν ευκολότερα την απορροφούμενη θερμότητα. Ο συντελεστής εκπομπής των περισσότερων δομικών υλικών κυμαίνεται μεταξύ 0,80 και 0,90 με εξαίρεση τις στιλπνές επιφάνειες από μέταλλο (π.χ. αλουμίνιο ή ορείχαλκο), οι οποίες έχουν χαμηλές τιμές συντελεστή εκπομπής. Σύμφωνα με την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010, τυπικές τιμές του συντελεστή εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας για διάφορα υλικά, δίνονται από τον παρακάτω πίνακα: 27

28 Πίνακας 4.2. Τιμές του συντελεστή εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας. Περιγραφή επιφάνειας Συντελεστής εκπομπής Σύνηθες δομικό υλικό 0,80 Γυαλί 0,90 Στιλπνές μεταλλικές επιφάνειες 0,20 Γαρμπίλι 0, Εσωτερικό περιβάλλον κτιρίων Γενικά. Το περιβάλλον των εσωτερικών χώρων ενός κτιρίου περιλαμβάνει μια σειρά παραμέτρων (θερμοκρασία, υγρασία, ταχύτητα και σύνθεση αέρα, στάθμη φωτισμού, κτλ) και ονομάζεται εσώκλιμα. Η διαμόρφωση του κατάλληλου, για κάθε κτίριο, εσωκλίματος επιτυγχάνεται με τη λειτουργία των απαραίτητων ενεργειακών συστημάτων, τα οποία καλύπτουν τις ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου. Οι ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου οριοθετούνται από τις επιθυμητές τιμές που πρέπει να πάρουν οι παράμετροι του εσωκλίματος για το συγκεκριμένο κτίριο. Οι επιθυμητές αυτές τιμές διαφοροποιούνται από κτίριο σε κτίριο, ακόμα και από χώρο σε χώρο του ίδιου κτιρίου. Η διαφοροποίηση αυτή οφείλεται στο διαφορετικό κριτήριο που καλείται να ικανοποιήσει το εσώκλιμα του κάθε κτιρίου ή χώρου. Στα κτίρια του τριτογενούς τομέα, το κριτήριο της διαμόρφωσης του κατάλληλου, για κάθε κτίριο ή χώρο, εσωκλίματος είναι η επίτευξη των βέλτιστων συνθηκών διαβίωσης και εργασίας των χρηστών του κτιρίου ή του χώρου αυτού. Οι συνθήκες αυτές εξαρτώνται από τη χρήση του κτιρίου ή του εσωτερικού χώρου, η οποία καθορίζει τις επιθυμητές τιμές των παραμέτρων του εσωκλίματος, οι οποίες με τη σειρά τους επηρεάζουν τη λειτουργία των ενεργειακών συστημάτων. Οι ιδανικές τιμές των παραμέτρων του εσωκλίματος για όλους τους χώρους των κτιρίων του τριτογενούς τομέα δίνονται σε σχετικούς πίνακες στο παράρτημα, στο τέλος της εργασίας. Στα κτίρια του παραγωγικού τομέα, τα δεδομένα είναι λίγο πιο σύνθετα. Καταρχήν, οι κτιριακές εγκαταστάσεις αυτού του τομέα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει κτίρια ή χώρους που χρησιμοποιούνται όπως οι χώροι διάφορων κτιρίων του τριτογενούς τομέα (κυρίως χώροι γραφείων και συνεδρίων). Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει κτίρια ή χώρους όπου λαμβάνουν χώρα οι διάφορες παραγωγικές διαδικασίες. Η πρώτη κατηγορία χώρων συναντάται ως επί το πλείστον σε βιομηχανικές μονάδες, αντίθετα η δεύτερη κατηγορία υπάρχει σε όλες τις παραγωγικές μονάδες. Οι χώροι του παραγωγικού τομέα, των οποίων η χρήση είναι όμοια με εκείνη των αντίστοιχων κτιρίων του τριτογενούς τομέα, αντιμετωπίζονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, όσον αφορά τη διαμόρφωση του κατάλληλου εσωκλίματος, αλλά και γενικότερα. Αυτό σημαίνει πως οι ενεργειακές ανάγκες τους και κατ επέκταση η λειτουργία των ενεργειακών συστημάτων τους, δεν αλλάζουν σε σχέση με εκείνες των αντίστοιχων κτιρίων του τριτογενούς τομέα. Αντίθετα, στους χώρους των παραγωγικών μονάδων όπου στεγάζονται οι διάφορες παραγωγικές διαδικασίες, το κριτήριο της διαμόρφωσης του κατάλληλου εσωκλίματος είναι η επίτευξη των απαιτούμενων συνθηκών, οι οποίες ευνοούν την ποιότητα της παραγωγής και την παραγωγικότητα της επιχείρησης και όχι απαραίτητα την άνετη διαβίωση και εργασία των χρηστών. Έτσι, οι επιθυμητές τιμές των παραμέτρων του εσωκλίματος είναι διαφορετικές στους χώρους αυτούς και μάλιστα διαφοροποιούνται ανάλογα με τις απαιτήσεις της παραγωγικής διαδικασίας που πραγματοποιείται στον κάθε χώρο. Επομένως, οι ενεργειακές ανάγκες μεταβάλλονται και αυτές, με αποτέλεσμα τη 28

29 διαφορετική ρύθμιση της λειτουργίας των ενεργειακών συστημάτων των χώρων, ώστε να επιτυγχάνονται οι κατάλληλες κάθε φορά συνθήκες. Στο σημείο αυτό, είναι σημαντικό να τονιστεί πως ο ενεργειακός σχεδιασμός όλων των κτιριακών εγκαταστάσεων είναι κατά βάση ο ίδιος. Αυτό σημαίνει πως τα ενεργειακά συστήματα που χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των κτιρίων του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα, είναι τα ίδια. Το ίδιο ισχύει και για το σύνολο των επεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας που εφαρμόζονται σε αυτά. Το μόνο που αλλάζει είναι η ρύθμιση της λειτουργίας των συστημάτων αυτών, ώστε να επιτυγχάνεται το κατάλληλο για κάθε χώρο εσώκλιμα. Το συμπέρασμα αυτό είναι πολύ σημαντικό για τη δομή της εργασίας, καθώς δίνεται η δυνατότητα ταξινόμησης και παρουσίασης των ενεργειακών συστημάτων, καθώς και των αντίστοιχων τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας, βάσει των ενεργειακών αναγκών που αυτά καλούνται να ικανοποιήσουν και όχι βάσει της κατηγορίας κτιρίων ή εσωτερικών χώρων όπου χρησιμοποιούνται. Το εσώκλιμα ενός κτιρίου διαμορφώνεται από έναν ακόμη παράγοντα πλην της λειτουργίας των ενεργειακών συστημάτων. Αυτός ο παράγοντας είναι το κέλυφος του κτιρίου. Η σωστή κατασκευή του κτιριακού κελύφους μπορεί να επιφέρει δραστική μείωση της χρήσης των ενεργειακών συστημάτων του κτιρίου με συνακόλουθη εξοικονόμηση ενέργειας (οι ενεργειακές ανάγκες παραμένουν οι ίδιες). Επομένως, οι παρεμβάσεις που εφαρμόζονται στο κτιριακό κέλυφος με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας (π.χ. θερμομόνωση) είναι εξίσου σημαντικές, αν όχι σημαντικότερες, από εκείνες που εφαρμόζονται στα ενεργειακά συστήματα. Ισχύει και εδώ το πλεονέκτημα των κοινών παρεμβάσεων είτε τα κτίρια ανήκουν στον τριτογενή, είτε στο παραγωγικό τομέα, το οποίο θα αξιοποιηθεί καταλλήλως. Σημειώνεται, όμως, πως στους χώρους των παραγωγικών μονάδων, όπου πραγματοποιούνται οι διάφορες παραγωγικές διαδικασίες, υφίστανται αρκετές φορές ειδικές τοπικές απαιτήσεις εξαιτίας των παραγωγικών διαδικασιών, οι οποίες πρέπει οπωσδήποτε να ληφθούν υπόψη. Στο υπόλοιπο του παρόντος κεφαλαίου παρουσιάζονται οι διάφοροι παράμετροι του εσωκλίματος ενός κτιρίου. Τα επόμενα κεφάλαια καταπιάνονται αρχικά με τις παρεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας στο κτιριακό κέλυφος και στη συνέχεια με τα συμβατικά και μη, ενεργειακά συστήματα του κτιρίου Θερμική άνεση. Με τον όρο «θερμική άνεση» εννοούμε την αίσθηση φυσικής και πνευματικής ευεξίας που έχει ένας άνθρωπος σε ένα περιβάλλον και συνεπώς δεν επιθυμεί καμιά θερμική αλλαγή. Η αίσθηση της θερμικής άνεσης είναι υποκειμενική και καθορίζεται από μια σειρά παραμέτρων και συνθηκών (φυσικές, προσωπικές, περιβαλλοντικές, κ.α.). Οι σημαντικότερες εξ αυτών είναι οι ακόλουθες: Η ένδυση των χρηστών. Ο ρυθμός μεταβολισμού. Η δραστηριότητα των χρηστών. Η θερμοκρασία του αέρα. Η κίνηση των εσωτερικών ρευμάτων αέρα. Η σχετική υγρασία του αέρα. Η μέση θερμοκρασία «ακτινοβολίας» των εσωτερικών επιφανειών ενός χώρου. Οι συνθήκες θερμικής άνεσης διαφέρουν για κάθε κτίριο και πολλές φορές διαφέρουν ακόμα και για ανεξάρτητους εσωτερικούς χώρους του ίδιου κτιρίου. Οι εσωτερικοί χώροι του ίδιου κτιρίου για τους οποίους ισχύουν διαφορετικές συνθήκες θερμικού περιβάλλοντος, ονομάζονται θερμικές ζώνες. Η διαίρεση σε θερμικές ζώνες 29

30 επιβάλλεται σε όλα τα κτίρια του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα, τα οποία αποτελούνται από χώρους που παρουσιάζουν διαφορετικές χρήσεις. Η θερμική άνεση σε έναν χώρο επιτυγχάνεται από το σωστό σχεδιασμό των συστημάτων θέρμανσης και κλιματισμού, τα οποία συνεργάζονται με τα παθητικά συστήματα θέρμανσης και τα συστήματα παθητικού δροσισμού. Προκειμένου να καθοριστούν οι τυπικές συνθήκες σχεδιασμού των συστημάτων θέρμανσης και κλιματισμού, θεωρούνται ανάλογα με τη χρήση κάθε κτιρίου, σταθερές οι παράμετροι ένδυσης, δραστηριότητας των χρηστών και κίνησης των εσωτερικών ρευμάτων αέρα. Ο ρυθμός μεταβολισμού επίσης είναι σταθερός. Ανάλογα με τη χρήση του κτιρίου και υπό την προϋπόθεση ότι η κατασκευή τηρεί τα σύγχρονα επιβαλλόμενα πρότυπα θερμομόνωσης, η μέση θερμοκρασία επιφανειών έχει τιμές παραπλήσιες της θερμοκρασίας του αέρα. Εδώ πρέπει να σημειωθεί, πως, όσον αφορά τη θερμοκρασία του αέρα, μεγάλη σημασία έχει και η κατακόρυφη διαφορά της σε έναν κλειστό χώρο. Συγκεκριμένα, για να μην νιώθουν οι χρήστες του κτιρίου δυσφορία στο κάτω και άνω άκρο του σώματος από τη μεγάλη κατακόρυφη διαφορά της θερμοκρασίας του αέρα, αυτή δεν πρέπει να ξεπερνά τους 3 ο C, από το δάπεδο και για κατακόρυφη απόσταση 1.7m πάνω από αυτό. Επομένως μένει να ελεγχθούν η θερμοκρασία και η σχετική υγρασία του εσωτερικού αέρα και να προσαρμοστούν αντίστοιχα από το σύστημα θέρμανσης (η θερμοκρασία) ή κλιματισμού (θερμοκρασία και σχετική υγρασία), ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμική άνεση. Οι απαιτούμενες τιμές θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας που επιβάλλεται να επικρατούν στους εσωτερικούς χώρους κάθε κατηγορίας κτιρίων του τριτογενούς τομέα, καθορίζονται από την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010 και δίνονται στον πίνακα Π.1. του παραρτήματος. Οι τιμές αυτού του πίνακα ισχύουν και για όσους χώρους του παραγωγικού τομέα παρουσιάζουν παρόμοιες χρήσεις. Αντίθετα, δεν ισχύουν για τους χώρους στους οποίους πραγματοποιούνται οι διάφορες παραγωγικές διεργασίες. Για τους συγκεκριμένους χώρους ισχύουν άλλες τιμές, οι οποίες καθορίζονται από το είδος των διεργασιών που συντελούνται σε αυτούς Οπτική άνεση. Η οπτική άνεση σε έναν εσωτερικό χώρο είναι άμεση συνάρτηση των φυσιολογικών αναγκών των χρηστών του χώρου αυτού. Οι ανάγκες αυτές, οι οποίες πηγάζουν από τη χρήση και τις λειτουργικές απαιτήσεις του χώρου, καθορίζουν την ένταση του φωτισμού, τη θάμβωση και τη κατανομή της λαμπρότητας στο χώρο, ώστε να μπορεί να διεκπεραιώσει ο χρήστης άνετα και αποδοτικά την εργασία του. Τα φαινόμενα τα οποία διαταράσσουν τις επιθυμητές συνθήκες οπτικής άνεσης και προκαλούν οπτική δυσφορία ή/και κόπωση, είναι κυρίως η θάμβωση και η αντίθεση. Αντίθεση είναι η διαφορά μεταξύ ενός αντικειμένου και του βάθους που βρίσκεται πίσω από αυτό. Η ένταση του φαινομένου έχει σχέση με την ανακλαστικότητα των διάφορων επιφανειών. Γι αυτόν το λόγο, καλό είναι να γίνεται χρήση απαλών χρωμάτων στις μεγάλες επιφάνειες και ζωηρών χρωμάτων στις μικρές επιφάνειες, ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη και ομαλότερη διανομή του φωτός στο χώρο. Θάμβωση είναι το φαινόμενο κατά το οποίο το μάτι υποφέρει και αδυνατεί να ανταποκριθεί σε υψηλές τιμές λαμπρότητας και σε μεγάλες διαφορές λαμπρότητας. Η θάμβωση μπορεί να αποφευχθεί, όταν η διαφορά της λαμπρότητας του πιο λαμπρού σημείου του χώρου και εκείνης του λιγότερου λαμπρού σημείου του χώρου είναι μικρότερη από το δεκαπλάσιο της λαμπρότητας του λιγότερου λαμπρού σημείου. Σε κάθε χώρο πρέπει να παρέχεται ο φωτισμός που εξασφαλίζει στους χρήστες οπτική άνεση, δηλαδή ένα περιβάλλον με την απαιτούμενη ποσότητα και ποιότητα 30

31 φωτισμού, που επιτρέπει την άνετη εκτέλεση εργασιών, απαλλαγμένο από τα παραπάνω ενοχλητικά φαινόμενα. Ο φωτισμός αυτός εξασφαλίζεται από το συνδυασμό του φυσικού με τον τεχνητό φωτισμό. Για την κατάλληλη σχεδίαση του συστήματος τεχνητού φωτισμού και την αρμονική συνεργασία του με το φυσικό φωτισμό (ο τεχνητός φωτισμός πρέπει να ενεργεί ως συμπληρωματικός στο φυσικό φωτισμό) απαραίτητη είναι η γνώση της ελάχιστη στάθμης φωτισμού, η οποία καθορίζεται ανάλογα με τη χρήση του κτιρίου. Οι απαιτούμενες τιμές για τη μέση ελάχιστη στάθμη φωτισμού, ώστε να επιτευχθούν συνθήκες οπτικής άνεσης στους εσωτερικούς χώρους κάθε κατηγορίας κτιρίων του τριτογενούς τομέα, καθορίζονται από την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010 και δίνονται από τον πίνακα Π.2. του παραρτήματος. Οι τιμές αυτού του πίνακα ισχύουν και για τους χώρους των παραγωγικών μονάδων, οι οποίοι παρουσιάζουν όμοιες χρήσεις. Αντίθετα, δεν ισχύουν για τους χώρους στους οποίους πραγματοποιούνται οι διάφορες παραγωγικές διεργασίες. Για τους χώρους αυτούς ισχύουν διαφορετικές τιμές, οι οποίες καθορίζονται από το είδος των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε αυτούς Ποιότητα εσωτερικού αέρα. Τις τελευταίες δεκαετίες, το θέμα της ποιότητας του αέρα των εσωτερικών χώρων αποκτά αυξανόμενο ενδιαφέρον, διότι, πλέον, ο σύγχρονος άνθρωπος περνά το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του εντός των κτιρίων. Η ποιότητα του εσωτερικού αέρα επηρεάζεται κυρίως από την ποιότητα του αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντα χώρου του κτιρίου και από τους ρύπους που εκπέμπονται από το εσωτερικό περιβάλλον του. Το πρόβλημα εντοπίζεται κυρίως στη μείωση της δυνατότητας φυσικού αερισμού διαμέσου του κελύφους του κτιρίου και στα νέα συνθετικά υλικά κατασκευής. Οι δύο αυτοί παράμετροι εμφανίστηκαν τις τελευταίες δεκαετίες και οφείλονται στην αλλαγή του τρόπου κατασκευής των κτιρίων. Συγκεκριμένα, εξαιτίας της ανάγκης εξοικονόμησης ενέργειας, τα κτίρια κατασκευάζονται πλέον σχεδόν αεροστεγώς κλεισμένα, με πλαίσια κατασκευασμένα από αλουμίνιο, προκειμένου να ελαχιστοποιήσουν τις θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον. Αυτός ο τρόπος κατασκευής όμως, δεν ευνοεί καθόλου το φυσικό αερισμό των κτιρίων μέσω των χαραμάδων που υπήρχαν στα ξύλινα πλαίσια που χρησιμοποιούνταν παλιότερα στα ανοίγματα. Έτσι, μόνη λύση για φυσικό αερισμό, είναι το άνοιγμα των παραθύρων για την αντικατάσταση του εσωτερικού αέρα με νωπό αέρα από το εξωτερικό του κτιρίου. Επίσης, ο σύγχρονος τρόπος κατασκευής των κτιρίων χρησιμοποιεί δομικά υλικά, τα οποία είναι προϊόντα επεξεργασίας και βιομηχανοποίησης. Πολύ λίγα υλικά χρησιμοποιούνται στη φυσική τους κατάσταση ή κοντά σε αυτή, όπως παλαιότερα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των εκπεμπόμενων, από αυτά, ρύπων και την υποβάθμιση της ποιότητας του εσωτερικού αέρα. Η κακή ποιότητα του εσωτερικού αέρα επηρεάζει την υγεία των χρηστών του κτιρίου, προκαλώντας σε αυτούς συμπτώματα ή ασθένειες. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται σύνδρομο του «άρρωστου κτιρίου». Οι ρύποι, οι οποίοι επιδεινώνουν την ποιότητα του εσωτερικού αέρα, προέρχονται από το εσωτερικό ή εξωτερικό περιβάλλον. Στη δεύτερη περίπτωση, μεταφέρονται στο εσωτερικό του κτιρίου μέσω του αέρα ή του εδάφους. Στο εσωτερικό των κτιρίων, κύριες πηγές ρύπανσης αποτελούν τα οικοδομικά υλικά, τα έπιπλα, τα χρώματα, ο καπνός από τα τσιγάρα, οι δραστηριότητες των ενοίκων (π.χ. μαγείρεμα, καθαρισμός) και η ύπαρξη μούχλας και υγρασίας. Η σοβαρότερη ρυπογόνα και μάλιστα καρκινογόνα ουσία, η οποία απελευθερώνεται από δομικά υλικά ή αντικείμενα που υπάρχουν στο εσωτερικό των κτιρίων, είναι η φορμαλδεΰδη. Η ουσία αυτή υπάρχει σε διάφορα μονωτικά υλικά, στα σύνθετα ξύλινα έπιπλα, στα νοβοπάν, σε συνθετικές μοκέτες και αλλού. Άλλοι επικίνδυνοι ρύποι είναι οι πτητικές οργανικές ουσίες 31

32 (βενζόλιο, τολουένιο, κτλ.), οι οποίες οφείλονται στα διάφορα πλαστικά, χρώματα, κόλλες, προϊόντα καθαρισμού και συσκευές κλιματισμού. Οι κυριότερες ρυπογόνες ουσίες, των οποίων η προέλευση είναι το εξωτερικό περιβάλλον, είναι το ραδόνιο, το μονοξείδιο του άνθρακα και τα οξείδια του αζώτου. Ρύπανση του αέρα μπορούν να προκαλέσουν και βιολογικοί παράγοντες, όπως μικροοργανισμοί (π.χ. βακτήρια και μύκητες), η γύρη των λουλουδιών και η σκόνη, οι οποίοι μεταφέρονται από τον εξωτερικό αέρα. Το ραδόνιο αποτελεί έναν από τους πιο επικίνδυνους ρύπους. Είναι ένα φυσικό αέριο άχρωμο, άοσμο, άγευστο, αλλά ραδιενεργό και με μεγάλη διεισδυτικότητα. Το ραδόνιο υπάρχει στη γη και συγκεκριμένα στα ουρανιούχα και πυριγενή πετρώματα, ενώ μόνο ελάχιστες ποσότητες υπάρχουν στα ιζηματογενή πετρώματα, όπως τα ασβεστολιθικά, τα οποία ευτυχώς είναι τα πιο συνηθισμένα στην Ελλάδα. Επίσης ραδόνιο υπάρχει στα δομικά υλικά, τα οποία παράγονται από πυριγενή πετρώματα, όπως τα κεραμίδια και τα τούβλα. Το ραδόνιο εισχωρεί στο κτίριο από υπόγειους, μη αεριζόμενους χώρους που βρίσκονται σε επαφή με το έδαφος ή εκπέμπεται από τα οικοδομικά υλικά που το περιέχουν. Μακροχρόνια έκθεση σε αυτό είναι καρκινογόνος και πρέπει να αποφεύγεται. Το ραδόνιο αντιμετωπίζεται με τη σφράγιση των σημείων εισόδου του στο κτίριο (π.χ. ρωγμές κτιριακού κελύφους), την τοποθέτηση ειδικής στεγανοποιητικής μεμβράνης στο δάπεδο του υπογείου, τον καλό αερισμό των υπόγειων χώρων και τη χρήση οικοδομικών υλικών απαλλαγμένων από αυτό. Το μονοξείδιο του άνθρακα και τα οξείδια του αζώτου οφείλονται κυρίως σε δραστηριότητες και αντικείμενα εκτός του κτιρίου, όπως είναι οι βιομηχανίες και τα αυτοκίνητα, αλλά και σε εσωτερικές δραστηριότητες όπως το κάπνισμα και η καύση που προέρχεται από τις μαγειρικές συσκευές φυσικού αερίου. Μάλιστα, το κάπνισμα ευθύνεται και για τα αιωρούμενα σωματίδια, καθώς περιέχει πάνω από 200 χημικές ενώσεις, κάποιες από τις οποίες είναι καρκινογόνες. Η διασφάλιση της καλής ποιότητας του αέρα και της υγιεινής στους εσωτερικούς χώρους, επιτυγχάνεται με την ανανέωση του αέρα. Οι απαιτήσεις νωπού αέρα καθορίζονται ανάλογα με : Τη χρήση του κτιρίου. Το πλήθος των χρηστών. Την παραγωγή ρύπων, η οποία εξαρτάται άμεσα από τη χρήση του κτιρίου. Ο αριθμός ατόμων ανά 100 m 2 μεικτής δομημένης επιφάνειας, ο απαιτούμενος νωπός αέρας ανά άτομο (m 3 /h/άτομο) και ο απαιτούμενος νωπός αέρας ανά επιφάνεια δαπέδου (m 3 /h/m 2 ) για κάθε κατηγορία κτιρίων του τριτογενούς τομέα, καθορίζονται από την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010 και δίνονται από τον πίνακα Π.3. του παραρτήματος. Οι τιμές αυτού του πίνακα ισχύουν και για τους χώρους του τομέα παραγωγής, οι οποίοι παρουσιάζουν την ίδια χρήση. Αντίθετα, δεν ισχύουν για τους χώρους στους οποίους πραγματοποιούνται οι διάφορες παραγωγικές διεργασίες. Στους χώρους αυτούς ισχύουν άλλες τιμές, οι οποίες καθορίζονται από το είδος των διεργασιών που συντελούνται σε αυτούς. Πολύ σημαντική συμβολή στη βελτίωση της ποιότητας του εσωτερικού αέρα προσφέρει και η παρουσία φυτών στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου, καθώς έχουν την ιδιότητα της απορρόφησης των διάφορων ρύπων. Το θέμα αυτό θα αναλυθεί στο επόμενο κεφάλαιο. 32

33 5. Βιοκλιματική αρχιτεκτονική κτιρίων Εισαγωγή. Βιοκλιματική αρχιτεκτονική ονομάζεται ο σχεδιασμός του κελύφους των κτιρίων, ο οποίος λαμβάνοντας υπ όψη το τοπικό κλίμα μιας περιοχής, εξασφαλίζει το κατάλληλο εσώκλιμα με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση ενέργειας, αξιοποιώντας τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η αρχιτεκτονική αυτή προσέγγιση του σχεδιασμού του κτιριακού κελύφους αξιοποιεί, μέσω κατάλληλων τεχνικών, την ηλιακή ενέργεια για τη θέρμανση των κτιρίων, τους ανέμους και τη βλάστηση για το δροσισμό και το φυσικό φως για το φωτισμό. Οι τεχνικές αυτές ονομάζονται παθητικά συστήματα θέρμανσης, δροσισμού και φωτισμού. Τα ενεργειακά συστήματα που χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των εσωτερικών χώρων των κτιρίων πρέπει να έχουν συμπληρωματικό ρόλο ως προς τα αντίστοιχα παθητικά συστήματα και να βασίζονται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όταν αυτές είναι διαθέσιμες αντί των συμβατικών ορυκτών καυσίμων. Τα πλεονεκτήματα από την υιοθέτηση του βιοκλιματικού σχεδιασμού κατά την κατασκευή των κτιρίων είναι κυρίως οικονομικά και περιβαλλοντικά. Δηλαδή η εξασφάλιση των απαραίτητων για τη χρήση του κάθε κτιρίου εσωτερικών συνθηκών (εσώκλιμα), γίνεται με το μικρότερο δυνατό οικονομικό και περιβαλλοντικό κόστος. Μικρότερο οικονομικό κόστος έχουμε γιατί τα παθητικά συστήματα θέρμανσης, δροσισμού και φωτισμού που χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του κτιρίου, έχουν μηδενικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας σε αντίθεση με τον αντίστοιχο συμβατικό ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό, ο οποίος κάνει χρήση συμβατικών ορυκτών καυσίμων και ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία χαρακτηρίζονται από το υψηλό κόστος απόκτησης. Μάλιστα, η μειωμένη χρήση των ορυκτών καυσίμων, αλλά και της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από αυτά, συντελεί στην αργή κατανάλωση των διαθέσιμων αποθεμάτων τους, τα οποία μπορούν πλέον να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπου η χρήση τους είναι αναπόφευκτη. Τα περιβαλλοντικά οφέλη του βιοκλιματικού σχεδιασμού προκύπτουν ακριβώς από αυτή τη περιορισμένη κατανάλωση των ορυκτών καυσίμων και των παράγωγών τους. Ως γνωστόν η καύση των ορυκτών καυσίμων απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους στην ατμόσφαιρα. Το διοξείδιο του άνθρακα ευθύνεται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ οι υπόλοιποι ρύποι είναι εξαιρετικά επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία. Η χρήση, όμως, της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής στα κτίρια αποτελεί ένα σύμμαχο για το περιβάλλον, καθώς τα παθητικά συστήματα μολύνουν ελάχιστα έως καθόλου! Η βιοκλιματική αρχιτεκτονική μπορεί σαν όρος να έχει εμφανιστεί μόλις τις τελευταίες δεκαετίες (από τα μέσα τις δεκαετίας του 80), αλλά σαν φιλοσοφία υπάρχει από τότε που εμφανίστηκε ο άνθρωπος στη γη και εξελισσόταν συνεχώς με την πάροδο του χρόνου και την ανάπτυξη της σχετικής εμπειρίας του ανθρώπου. Σαν δείγματα παραδοσιακής βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής μπορούμε να αναφέρουμε παραδείγματα όπως η επιλογή των σπηλαίων ως πρώτη κατοικία, η κατασκευή κατοικιών με χονδρούς πέτρινους τοίχους, το σύστημα της εσωτερική αυλής στις κατοικίες, οι καμινάδες αερισμού, η χρήση ασβέστη για τη βαφή των τοίχων στα θερμά κλίματα και πολλά άλλα. Η βιομηχανοποίηση της παραγωγής ενέργειας κατά τον 19ο αιώνα με την ευρεία χρήση στερεών ορυκτών καυσίμων, όπως ο λιγνίτης και ο γαιάνθρακας και η εντατικοποίηση του φαινομένου αυτού κατά τον 20ο αιώνα με τη χρήση υγρών ορυκτών καυσίμων, όπως το πετρέλαιο, εξασφάλισε τις προϋποθέσεις για την εμφάνιση και μαζική χρήση ηλεκτρομηχανικών συστημάτων θέρμανσης, ψύξης και φωτισμού. Η χρήση των συστημάτων αυτών οδήγησε στην αντίληψη πως αυτές οι συσκευές μπορούν να εξασφαλίσουν τις επιθυμητές εσωτερικές συνθήκες, ασχέτως της αρχιτεκτονικής του 33

34 κτιρίου και του κλίματος της περιοχής. Αυτό οδήγησε στην απαξίωση και σταδιακή εγκατάλειψη της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής. Το αποτέλεσμα, όμως, της παραπάνω αντίληψης, ήταν η υπερβολική και άσκοπη κατανάλωση ενέργειας που έφερε τα ενεργειακά αποθέματα του πλανήτη στα όρια τους. Έτσι, μετά τις ενεργειακές κρίσεις που εμφανίστηκαν στη διάρκεια της δεκαετίας του 70, η βιοκλιματική αρχιτεκτονική εμφανίστηκε και πάλι στο προσκήνιο της ευρωπαϊκής σκηνής, αυτή τη φορά βασισμένη σε μια οργανωμένη φιλοσοφία, η οποία διέπεται από συγκεκριμένες αρχές και κανόνες. Η επικράτηση της αποδεικνύεται από το γεγονός πως πλέον, τίθεται ως ζητούμενο σε όλους τους αρχιτεκτονικούς διαγωνισμούς και προωθείται από διάφορα προγράμματα της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Στην Ελλάδα, οι αρχές της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής εισήχθησαν για πρώτη φορά στο πεδίο κατασκευής κτιρίων μέσω του νόμου 3661/2008. Καθίσταται πλέον προφανές πως μια νέα εποχή έχει ανατείλει στην κατασκευή κτιρίων, στην οποία, η βιοκλιματική αρχιτεκτονική θα παίζει τον πρώτο και κυρίαρχο ρόλο Οι βασικές αρχές της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής. Η βιοκλιματική αρχιτεκτονική στοχεύει άμεσα στην εξοικονόμηση ενέργειας από την προσαρμογή των κτιρίων στο περιβάλλον τους. Κτίρια που είναι εναρμονισμένα με το περιβάλλον τους, έχουν τη δυνατότητα της βέλτιστης αξιοποίησης όλων των ιδιαιτεροτήτων και των ευκαιριών που αυτό παρουσιάζει, για την ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών τους, με αποτέλεσμα τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. Για να είναι σε θέση το κτίριο να εκμεταλλευτεί το φυσικό περιβάλλον του, πρέπει να σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να λειτουργεί ως ηλιακός συλλέκτης, παγίδα και αποθήκη θερμότητας και παγίδα φυσικού δροσισμού. Μόνο όταν ικανοποιούνται οι παραπάνω απαιτήσεις, είναι δυνατή η αποδοτική λειτουργία της παθητικής θέρμανσης, του παθητικού δροσισμού και του φυσικού φωτισμού του κτιρίου, δηλαδή οι βασικές επιδιώξεις του βιοκλιματικού σχεδιασμού. «Εργαλεία» της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής για την επίτευξη των παραπάνω στόχων είναι οι περιβαλλοντικοί παράγοντες (ηλιακή ενέργεια, άνεμοι, βλάστηση) και τα δομικά υλικά. Η σωστή και συνδυασμένη με τους περιβαλλοντικούς παράγοντες, επιλογή και χρήση των τελευταίων, οδηγεί σε πλήρη αξιοποίηση των ιδιοτήτων τους με αποτέλεσμα την επιτυχή εφαρμογή των τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας που πηγάζουν από τη βιοκλιματική αρχιτεκτονική Παθητική θέρμανση κτιρίων Γενικά. Με τον όρο παθητική θέρμανση κτιρίων εννοούμε τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων των κτιρίων αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια, όχι με τη χρήση τεχνολογικών μέσων, αλλά κυρίως με τον κατάλληλο αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Προφανώς, η σωστή παθητική θέρμανση των κτιρίων εξαρτάται από την μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός κτιρίου, ώστε αυτό να μπορεί να εκμεταλλεύεται στο έπακρο τη διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια, βασίζεται στις παρακάτω αρχές: Συλλογή της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο κέλυφος του κτιρίου. Αποθήκευση της με τη μορφή θερμότητας στα δομικά στοιχεία του κτιρίου. Διατήρηση της θερμότητας μέσα στο κτίριο με περιορισμό των θερμικών απωλειών. 34

35 Σημαντικό ρόλο στην εφαρμογή της παραπάνω φιλοσοφίας παίζει η αξιοποίηση των θερμικών ιδιοτήτων των δομικών υλικών. Τα συστήματα θέρμανσης που χρησιμοποιούν τον ήλιο για τη θέρμανση του εσωτερικού των κτιρίων, χωρίς την παρεμβολή μηχανικών μέσων, ονομάζονται παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης διακρίνονται σε παθητικά ηλιακά συστήματα άμεσου ηλιακού κέρδους, έμμεσου ηλιακού κέρδους και απομονωμένου ηλιακού κέρδους. Σκοπός τους είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας, ώστε αυτή να αποθηκευτεί στη συνέχεια με τη μορφή θερμότητας και να διανεμηθεί στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου Το κτίριο ως ένας φυσικός ηλιακός συλλέκτης. Ο σχεδιασμός του κτιρίου πρέπει να εξασφαλίζει τη δυνατότητα της συλλογής όλης της διαθέσιμης ηλιακής ακτινοβολίας εκ μέρους του κτιρίου με κάθε δυνατό τρόπο. Δηλαδή το κτίριο θα πρέπει να λειτουργεί ως ένας φυσικός ηλιακός συλλέκτης που θα συλλέγει τη μέγιστη δυνατή ηλιακή ενέργεια, ώστε στη συνέχεια, τα παθητικά ηλιακά συστήματα τα οποία είναι ενσωματωμένα σε αυτό, να αξιοποιούν αυτήν την ενέργεια με το βέλτιστο τρόπο. Οι βασικοί παράγοντες οι οποίοι καθορίζουν τη λειτουργία ενός κτιρίου ως ηλιακού συλλέκτη και πρέπει οπωσδήποτε να ικανοποιούνται από το σχεδιασμό του κτιρίου, είναι οι ακόλουθοι: Χωροθέτηση κτιρίου. Η χωροθέτηση του κτιρίου στο οικόπεδο πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγεται ο σκιασμός του κατά τους χειμερινούς μήνες από δένδρα, λόφους ή άλλα κτίρια και να εξασφαλίζεται ο ανεμπόδιστος ηλιασμός του κατά τις πρωινές και μεσημεριανές ώρες της ημέρας, προσφέροντας την απαραίτητη ηλιακή ενέργεια. Αυτό απαιτεί τη χρήση του κατάλληλου ηλιακού χάρτη όπως και του χάρτη της περιοχής όπου φαίνεται ο ελεύθερος χώρος του οικοπέδου, όπου ο ηλιασμός είναι ανεμπόδιστος κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Σχήμα κτιρίου. Το ιδανικότερο σχήμα για όλες σχεδόν τις κλιματικές συνθήκες είναι το επίμηκες σχήμα κατά τον άξονα Ανατολής-Δύσης. Με το σχήμα αυτό, το κτίριο διαθέτει μεγαλύτερη επιφάνεια προς το νότο, πράγμα που του δίνει τη δυνατότητα της συλλογής περισσότερης ηλιακής ακτινοβολίας κατά τους χειμερινούς μήνες, ενώ το καλοκαίρι υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου της με οριζόντια σκίαστρα. Το επίμηκες σχήμα κατά τον άξονα Βορά-Νότου είναι αντιλειτουργικό για όλες τις εποχές του χρόνου και σε οποιοδήποτε κλίμα, ενώ το σχήμα κύβος υπερτερεί αυτού, αλλά υστερεί του επιμήκους σχήματος κατά τον άξονα Ανατολής-Δύσης. Προσανατολισμός κτιρίου. Τα ηλιακά κέρδη εξαρτώνται άμεσα από τον προσανατολισμό του κτιρίου. Γι αυτό το λόγο, ο προσανατολισμός του κτιρίου πρέπει να εξασφαλίζει τα μέγιστα ηλιακά κέρδη κατά τη χειμερινή περίοδο και να τα περιορίζει στο ελάχιστο κατά τη θερινή περίοδο. Οι νότια προσανατολισμένες επιφάνειες δέχονται τη μεγαλύτερη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια του χειμώνα, ενώ αισθητά μικρότερη είναι 35

36 κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Οι δυτικά και ανατολικά προσανατολισμένες επιφάνειες δέχονται μικρότερη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας το χειμώνα σε σχέση με τις νότιες, αλλά πολύ μεγαλύτερη κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Τέλος, οι βόρεια προσανατολισμένες επιφάνειες δέχονται τη μικρότερη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Σχήμα 5.1. Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας σε επιφάνειες με διαφορετικό προσανατολισμό για 40 ο βόρειο γεωγραφικού πλάτους και συνθήκες ανέφελου ουρανού. Συμπεραίνουμε, λοιπόν, πως ιδανικότερος προσανατολισμός για τα εύκρατα κλίματα θεωρείται ο νότιος προσανατολισμός, με μια μικρή επιτρεπόμενη απόκλιση +25 ο, γιατί εξασφαλίζει τη μεγιστοποίηση των ηλιακών κερδών το χειμώνα και τον εύκολο έλεγχο τους το καλοκαίρι. Σχέση με τα γύρω κτίρια. Όταν ένα κτίριο δεν βρίσκεται σε επαφή με άλλα κτίρια, παρουσιάζει αυξημένες απώλειες θερμότητας συγκρινόμενο με ένα κτίριο, το οποίο βρίσκεται μεταξύ άλλων κτιρίων. Από την άλλη όμως, όταν ένα κτίριο βρίσκεται σε μια περιοχή όπου εφαρμόζεται το συνεχές σύστημα δόμησης, όπου τα κτίρια είναι προσκολλημένα το ένα με το άλλο, τότε μπορεί να μην υπάρχει η δυνατότητα νοτίου προσανατολισμού του κτιρίου και μεγιστοποίησης των ηλιακών κερδών του. Σχήμα 5.2. Ανοίγματα οροφής σε μορφή κατακόρυφων φεγγιτών νοτίου προσανατολισμού. 36

37 Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί, εν μέρει τουλάχιστον, με την κατασκευή ανοιγμάτων οροφής με τη μορφή κατακόρυφων φεγγιτών, τα οποία έχουν νότιο προσανατολισμό. Ανοίγματα. Τα ανοίγματα ενός κτιρίου αποτελούν ένα σημαντικό αρχιτεκτονικό στοιχείο του, καθώς λειτουργούν ως μέσο φυσικού ηλιασμού, αερισμού και φωτισμού των εσωτερικών χώρων, προσφέρουν επαφή στους χρήστες με το εξωτερικό περιβάλλον βελτιώνοντας έτσι τη ψυχολογική άνεσή τους όταν βρίσκονται εντός του κτιρίου και αποτελούν ένα στοιχείο αισθητικής για το κτίριο. Τα ανοίγματα καλύπτονται από υαλοπίνακες στο μεγαλύτερο μέρος τους. Το γυαλί αποτελεί μια εξαιρετική πηγή θερμικών κερδών, αλλά ταυτόχρονα παρουσιάζει αυξημένες θερμικές απώλειες σε σχέση με τα αδιαφανή δομικά στοιχεία του κτιρίου. Γι αυτό, απαιτείται σοβαρή μελέτη της θέσης και του μεγέθους των ανοιγμάτων. Τα νότια προσανατολισμένα ανοίγματα, με μια μικρή επιτρεπόμενη απόκλιση +30 ο, μεγιστοποιούν τα ηλιακά κέρδη τη χειμερινή περίοδο. Τα κέρδη αυτά είναι αρκετά για να καλύψουν τις απαιτήσεις θέρμανσης του κτιρίου την άνοιξη και το φθινόπωρο για εύκρατα κλίματα, όπως το μεσογειακό. Επίσης η σκίασή τους κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού είναι εύκολη με τη χρήση οριζόντιων σκιάστρων. Επομένως, ο βιοκλιματικός σχεδιασμός προτιμά τέτοια ανοίγματα, τα οποία είναι κατά προτίμηση μεγάλα. Σχήμα 5.3. Σκίαση ανοίγματος νότιου προσανατολισμού με σταθερό οριζόντιο σκίαστρο. Τα ανατολικά και τα δυτικά ανοίγματα έχουν πολύ λιγότερα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα νότια και πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο για την ικανοποίηση των συνθηκών οπτικής άνεσης. Ειδικά τα δυτικά ανοίγματα έχουν το μειονέκτημα να δέχονται την άμεση ηλιακή ακτινοβολία τις απογευματινές ώρες κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, δηλαδή τις ώρες που η εσωτερική θερμοκρασία του κτιρίου είναι ήδη μέγιστη, με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος υπερθέρμανσης. Τέλος, τα βορινά ανοίγματα χρησιμοποιούνται για την παροχή φυσικού φωτισμού και για φυσικό αερισμό του κτιρίου το καλοκαίρι. Το μέγεθος τους όμως πρέπει να είναι περιορισμένο γιατί κατά τη διάρκεια του χειμώνα παρουσιάζουν μεγάλες θερμικές απώλειες. Αξίζει να σημειωθεί, πως όλα τα ανοίγματα πρέπει να διαθέτουν διατάξεις σκίασης. Μορφολογία κτιρίου. 37

38 Υπάρχουν δύο μορφολογίες κατασκευής ενός κτιρίου. Όταν η επιφάνεια των διαφανών δομικών στοιχείων του κτιρίου είναι συγκρίσιμη με την επιφάνεια που καταλαμβάνουν τα αδιαφανή δομικά στοιχεία, τότε η μορφολογία ονομάζεται ανοιχτή. Όταν η επιφάνεια των αδιαφανών δομικών στοιχείων είναι πολύ μεγαλύτερη από την επιφάνεια των διαφανών δομικών στοιχείων, τότε η μορφολογία ονομάζεται κλειστή. Στα κτίρια που εφαρμόζεται η κλειστή μορφολογία, απαιτείται καλή θερμομόνωση των αδιαφανών δομικών στοιχείων του κελύφους, έτσι ώστε να μειωθούν οι θερμικές απώλειες στο ελάχιστο. Αυτό είναι αναγκαίο γιατί τα ηλιακά κέρδη είναι περιορισμένα σε αυτού του τύπου τα κτίρια και δεν μπορούν να αντισταθμίσουν από μόνα τους τις θερμικές απώλειες, αν το κτίριο είναι αμόνωτο. Αντίθετα, στα κτίρια ανοιχτού τύπου, τα ηλιακά κέρδη είναι αυξημένα εξαιτίας των μεγάλων επιφανειών των διάφανων δομικών στοιχείων του κελύφους. Προκειμένου αυτά τα κέρδη να είναι μέγιστα, είναι απαραίτητος ο συνδυασμός της ανοιχτής μορφολογίας με νότιο προσανατολισμό του κτιρίου. Επιπλέον, πρέπει να γίνεται χρήση κατάλληλων θερμομονωτικών υαλοπινάκων, ώστε να περιορίζονται οι θερμικές απώλειες το χειμώνα και να μην εξουδετερώνεται το πλεονέκτημα των αυξημένων ηλιακών κερδών. Τέλος, πρέπει να εξασφαλίζεται ο σκιασμός των υαλοστασίων το καλοκαίρι, ώστε να αποφεύγεται η υπερθέρμανση του κτιρίου. Γενικότερα, σε κλίματα με πολύ θερμά καλοκαίρια, είναι άτυπος κανόνας η επιφάνεια των διάφανων δομικών στοιχείων να μην ξεπερνά το 10-15% του εμβαδού των θερμαινόμενων χώρων του κτιρίου. Αντίθετα, σε ψυχρότερα κλίματα η επιφάνεια των υαλοστασίων μπορεί να φτάνει το 25-30%, υπό την προϋπόθεση ότι αυτά θα έχουν νότιο προσανατολισμό και θα χρησιμοποιούν υαλοπίνακες και πλαίσια με καλή θερμομόνωση Αποθήκευση θερμότητας. Η ηλιακή ακτινοβολία, η οποία χρησιμοποιείται από τα παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης για τη θέρμανση των κτιρίων, δεν είναι διαθέσιμη καθ όλη τη διάρκεια του 24ώρου. Μάλιστα, τη χρονική περίοδο που αυτή απαιτείται περισσότερο προκειμένου να θερμάνει τους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου, δηλαδή τις βραδινές και νυχτερινές ώρες, δεν είναι διαθέσιμη. Έτσι, λοιπόν, απαιτείται η αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας που το κτίριο έχει συλλέξει κατά τη διάρκεια της ημέρας, ώστε αυτή να αποδοθεί αργότερα στο εσωτερικό του, τις ώρες δηλαδή που είναι περισσότερο απαραίτητη. Η αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας γίνεται στη μάζα του κτιρίου υπό μορφή θερμότητας. Η μάζα του κτιρίου είναι η μάζα των δομικών στοιχείων του κελύφους του. Από τα δομικά στοιχεία, έπειτα, η θερμότητα μεταδίδεται στο εσωτερικό του κτιρίου με θερμική μετάβαση ή συναγωγή. Μια σωστή παθητική θέρμανση του κτιρίου απαιτεί την αποθήκευση όσο το δυνατόν μεγαλύτερης ποσότητας θερμότητας στα δομικά στοιχεία και μια σημαντική χρονική καθυστέρηση στην απόδοση αυτής της θερμότητας στο εσωτερικό του κτιρίου. Η ποσότητα της θερμότητας που μπορεί το κτίριο να αποθηκεύσει στα δομικά του στοιχεία εξαρτάται από τη θερμοχωρητικότητα και το πάχος των δομικών υλικών των στοιχείων. Όσο μεγαλύτερες είναι οι τιμές αυτών των δύο μεγεθών, τόσο αυξημένη είναι η ποσότητα θερμότητας που μπορούν να αποθηκεύσουν τα δομικά στοιχεία. Από την άλλη μεριά, η χρονική καθυστέρηση με την οποία τα δομικά στοιχεία αποδίδουν την αποθηκευμένη θερμότητα, εξαρτάται από τη θερμοχωρητικότητα και το συντελεστή θερμικής μετάβασης των δομικών υλικών των στοιχείων. Μεγάλη χρονική καθυστέρηση επιτυγχάνεται με το συνδυασμό μεγάλης τιμής θερμοχωρητικότητας και μικρής τιμής συντελεστή θερμικής μετάβασης. 38

39 Η χρονική καθυστέρηση και το πάχος των δομικών στοιχείων χαρακτηρίζουν και τη θερμική αδράνεια της κατασκευής. Δομικά στοιχεία με μεγάλο πάχος και σημαντική χρονική καθυστέρηση παρουσιάζουν μεγάλη θερμική αδράνεια, δηλαδή απορροφούν και αποβάλλουν θερμότητα με αργό τρόπο. Τέτοια υλικά είναι το μπετόν, η πέτρα και το τούβλο, τα οποία είναι κατάλληλα για θερμική αποθήκευση, καθώς η μεγάλη θερμική αδράνειά τους ευνοεί την αργή θέρμανση των κτιρίων. Η αργή θέρμανση των κτιρίων είναι επιθυμητή τόσο το χειμώνα, εξαιτίας της έλλειψης διαθέσιμης ηλιακής ακτινοβολίας το βράδυ και αργά τη νύχτα για θέρμανση των εσωτερικών χώρων, όσο και το καλοκαίρι, εξαιτίας της μικρότερης εξωτερικής θερμοκρασίας το βράδυ και αργά τη νύχτα, γεγονός που διευκολύνει τη ψύξη των εσωτερικών χώρων Διατήρηση θερμότητας. Το κτίριο πρέπει να λειτουργεί και ως «παγίδα» θερμότητας, δηλαδή να διατηρεί τη θερμότητα που συνέλεξε και αποθήκευσε στο εσωτερικό του. Για να είναι δυνατό αυτό, πρέπει οι θερμικές απώλειες του κτιρίου να μειωθούν στο ελάχιστο. Οι θερμικές απώλειες οφείλονται στη διαφορά θερμοκρασίας που παρουσιάζεται μεταξύ του εξωτερικού περιβάλλοντος και του εσωτερικού του κτιρίου κατά τη διάρκεια των ψυχρών μηνών. Η διαφορά αυτή προκαλεί ροή θερμότητας μέσω των δομικών στοιχείων (με αγωγή, θερμική μετάβαση και ακτινοβολία) από το εσωτερικό του κτιρίου προς το εξωτερικό. Έτσι το μεγαλύτερο τμήμα της θερμότητας που είχε αποθηκευτεί αρχικά στα δομικά στοιχεία του κτιρίου, χάνεται ξανά στο περιβάλλον αντί να αποδοθεί στο εσωτερικό του κτιρίου. Όσο ψυχρότερο είναι το εξωτερικό περιβάλλον, τόσο περισσότερο ευνοείται η ροή θερμότητας προς το εξωτερικό του κτιρίου. Το μέγεθος της ροής θερμότητας εξαρτάται κυρίως από το συντελεστή θερμοπερατότητας (ή την αντίσταση θερμοπερατότητας) των δομικών στοιχείων. Ο συντελεστής αυτός χαρακτηρίζει τη θερμομονωτική ικανότητα του τοιχώματος. Όσο μεγαλύτερο συντελεστή θερμοπερατότητας έχει ένα δομικό στοιχείο, τόσο μεγαλύτερες θερμικές απώλειες παρουσιάζει. Τα διαφανή δομικά στοιχεία τα κουφώματα παρουσιάζουν τις μεγαλύτερες θερμικές απώλειες. Αυτό οφείλεται στο μεγάλο συντελεστή θερμοπερατότητας που έχει το κοινό γυαλί (συνηθέστερο δομικό υλικό των υαλοπινάκων), αλλά και το πλαίσιο των υαλοστασίων. Η κατάσταση επιδεινώνεται από τον εξωτερικό ψυχρό αέρα που εισέρχεται από τις χαραμάδες των πλαισίων των κουφωμάτων. Ο περιορισμός των θερμικών απωλειών επιτυγχάνεται με τα ακόλουθα μέτρα: Τοποθέτηση θερμομόνωσης στα δομικά στοιχεία του κελύφους του κτιρίου ώστε να μειωθεί αισθητά ο συντελεστής θερμοπερατότητας τους. Επιλογή κατασκευής κτιρίων σε συμπαγή σχήματα ώστε να μειωθεί η εκτεθειμένη εξωτερική επιφάνεια. Μείωση των εκτεθειμένων προς το Βορά εξωτερικών επιφανειών του κτιρίου. Χρήση διπλών υαλοπινάκων και αεροστεγών κουφωμάτων. Χρήση νυχτερινών μονωτικών ρολών ή παντζουριών για την προστασία των ανοιγμάτων. Περιορισμός των ανοιγμάτων στη βορινή πλευρά του κτιρίου. Προστασία των εκτεθειμένων πλευρών του κτιρίου από τους ψυχρούς ανέμους με βλάστηση ή δένδρα. Σωστή διάταξη των εσωτερικών χώρων του κτιρίου με τοποθέτηση των μη θερμαινόμενων χώρων (π.χ. αποθήκες, γκαράζ, κλιμακοστάσια, κ.α.) στη βορινή ψυχρή πλευρά του κτιρίου, ώστε να προστατεύουν τους κύριους χώρους (δωμάτια, καθιστικό, κουζίνα). 39

40 Παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης Γενικά. Στην παράγραφο είδαμε τον ορισμό των παθητικών ηλιακών συστημάτων θέρμανσης και τις κατηγορίες στις οποίες χωρίζονται. Τα συστήματα αυτά επωφελούνται από το σχεδιασμό και τη λειτουργία του κτιρίου ως ηλιακού συλλέκτη και επωμίζονται την ευθύνη συλλογής και αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας και της διανομής της στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου. Τα συστήματα αυτά είναι απλές κατασκευές ενσωματωμένες στο κέλυφος του κτιρίου και κατασκευάζονται από απλά οικοδομικά υλικά Παθητικά ηλιακά συστήματα άμεσου ηλιακού κέρδους. Ως παθητικά ηλιακά συστήματα άμεσου ηλιακού κέρδους νοούνται τα ανοίγματα νότιου προσανατολισμού ή με απόκλιση ±30 ο από το νότο. Τα συστήματα άμεσου ηλιακού κέρδους κατασκευάζονται πάντα σε συνδυασμό με ειδικές εσωτερικές επιφάνειες μεγάλης θερμοχωρητικότητας ώστε να αποθηκεύεται η ηλιακή ενέργεια με τη μορφή θερμότητας. Τα ανοίγματα πρέπει να έχουν απόκλιση μέχρι ±30 ο από το νότο, γιατί σε αυτόν τον προσανατολισμό δεσμεύεται το 90% της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιπλέον τα ανοίγματα θα πρέπει να είναι κατακόρυφα ώστε να έχουν μεγάλο ηλιασμό το χειμώνα και μικρό το καλοκαίρι. Το μέγεθος τους εξαρτάται από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής και είναι αντιστρόφως ανάλογο της εξωτερικής θερμοκρασίας το χειμώνα. Σχήμα 5.4. Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε νότια ανοίγματα με διαφορετικές κλίσεις. Επειδή η ηλιακή ακτινοβολία πρέπει να διανέμεται ομοιόμορφα στο εσωτερικό του κτιρίου ώστε να αξιοποιούνται όλες οι εσωτερικές επιφάνειες αποθήκευσης της θερμότητας, το βάθος του χώρου πρέπει να είναι μικρότερο από το γινόμενο του ύψους του ανοίγματος, το οποίο μετράται από το δάπεδο, επί ένα συντελεστή ίσο με 2,5. Αν αυτό το κριτήριο δεν πληρείται, τότε πρέπει υποχρεωτικά να κατασκευαστούν κατακόρυφοι φεγγίτες ή ανοίγματα στην οροφή. Οι υαλοπίνακες που χρησιμοποιούνται από αυτά τα ανοίγματα πρέπει να είναι διπλοί ώστε να περιορίζονται οι θερμικές απώλειες. Βέβαια αυτό θα σημάνει, ταυτόχρονα, μείωση των ηλιακών κερδών, καθώς κάθε επιπλέον φύλλο γυαλιού μειώνει κατά περίπου 10% τα ηλιακά κέρδη. Επομένως, η καταλληλότερη λύση είναι η χρήση υαλοπινάκων 40

41 μικρής διαπερατότητας της ηλιακής ακτινοβολίας για τα θερμά κλίματα και μεγάλης για τα ψυχρά. Τέλος, όπως αναφέρθηκε και στην αρχή της παραγράφου, τα νότια ανοίγματα πρέπει να συνδυάζονται και με δομικά στοιχεία μεγάλης θερμικής μάζας (δηλαδή μεγάλης θερμοχωρητικότητας), ώστε αυτά να αποθηκεύουν την ηλιακή ενέργεια που εισέρχεται στο εσωτερικό του κτιρίου να την αποδίδουν αργότερα για τη θέρμανση των χώρων Παθητικά ηλιακά συστήματα έμμεσου ηλιακού κέρδους. Τα συστήματα έμμεσου ηλιακού κέρδους αξιοποιούν με έμμεσο τρόπο την ηλιακή ακτινοβολία για τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων του κτιρίου. Στα συστήματα έμμεσου ηλιακού κέρδους ανήκουν οι τοίχοι θερμικής αποθήκευσης, τα θερμοκήπια και τα ηλιακά αίθρια. Τοίχος θερμικής αποθήκευσης. Η κατασκευή αυτή αποτελείται από μια τοιχοποιία νότιου προσανατολισμού και ενός υαλοστασίου τοποθετημένου στην εξωτερική πλευρά του τοίχου σε απόσταση περίπου 5-15cm από αυτόν. Το υαλοστάσιο διαθέτει μονούς ή διπλούς υαλοπίνακες και είναι σταθερό ή ανοιγόμενο. Ο τοίχος είναι κατασκευασμένος από υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας (μπετόν, πέτρα, τούβλο) και έχει μεγάλο πάχος, ώστε η χρονική καθυστέρηση μετάδοσης της θερμότητας στο εσωτερικό του κτιρίου να είναι μεγάλη. Το βέλτιστο πάχος του τοίχου και η χρονική καθυστέρηση που προκύπτει, κυμαίνονται ανάλογα με τις τιμές της θερμοχωρητικότητας και του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του υλικού κατασκευής. Η λειτουργία του έχει ως εξής: η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά το υαλοστάσιο και εγκλωβίζεται στον κενό χώρο μεταξύ υαλοστασίου και τοίχου όπου και μετατρέπεται σε θερμότητα ανεβάζοντας τη θερμοκρασία του αέρα. Η θερμότητα αυτή απορροφάται από την εξωτερική επιφάνεια του τοίχου, με αγωγή μεταφέρεται στην εσωτερική επιφάνεια του και στη συνέχεια μεταδίδεται με θερμική μετάβαση και ακτινοβολία στον εσωτερικό χώρο. Εξαιτίας της χρονικής καθυστέρησης που παρουσιάζει ο τοίχος, η θερμότητα θα αποδοθεί στο εσωτερικό του κτιρίου αργά το βράδυ και τις νυχτερινές ώρες. Δηλαδή όταν χρειάζεται περισσότερο για τη θέρμανση του χώρου. Ο τοίχος θερμικής αποθήκευσης είναι βαμμένος εξωτερικά με σκούρο χρώμα και πρέπει οπωσδήποτε να διαθέτει εξωτερικό κινούμενο σκίαστρο, ώστε να προστατεύεται ο χώρος από υπερθέρμανση το καλοκαίρι και να περιορίζονται οι θερμικές απώλειες το χειμώνα. Η συγκεκριμένη κατασκευή παθητικής θέρμανσης λειτουργεί αποδοτικά σε ήπια κλίματα, όπως το μεσογειακό, όπου υπάρχει μεγάλη διάρκεια ηλιοφάνειας. Δεν συνίσταται για περιοχές που παρουσιάζουν μέτρια ή μικρή ηλιοφάνεια. Βασικό μειονέκτημά του είναι ο περιορισμός του φυσικού φωτισμού εξαιτίας της μη ύπαρξης ανοιγμάτων στον τοίχο. Επίσης η συσσώρευση σκόνης στην εσωτερική πλευρά του υαλοστασίου και στη σκούρα απορροφητική επιφάνεια του τοίχου, οι οποίες δεν είναι προσβάσιμες, μειώνουν την απόδοση του συστήματος και το αισθητικό αποτέλεσμα. Οι τοίχοι θερμικής αποθήκευσης διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: Τοίχος θερμικής μάζας. 41

42 Ο τοίχος θερμικής μάζας αποτελεί την πιο απλή και κλασική μορφή τοίχου θερμικής αποθήκευσης διαθέτοντας όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Είναι η πιο διαδεδομένη κατασκευή παθητικής θέρμανσης έμμεσου ηλιακού κέρδους. Τοίχος Trombe-Michel. Αυτός ο τοίχος θερμικής αποθήκευσης είναι κατασκευασμένος από σκυρόδεμα πάχους 30-40cm με υαλοστάσιο σε απόσταση 5cm εμπρός του. Η ιδιαιτερότητα αυτού του τοίχου είναι η ύπαρξη θυρίδων στο πάνω και κάτω μέρος του, οι οποίες επιτρέπουν την κυκλοφορία του αέρα που υπάρχει μεταξύ του τοίχου και του υαλοστασίου προς το εσωτερικό του κτιρίου, διευκολύνοντας έτσι τη μετάδοση της θερμότητας. Η κυκλοφορία του αέρα γίνεται βάσει του θερμοσιφωνικού φαινομένου. Συγκεκριμένα, το χειμώνα, κατά τη διάρκεια της ημέρας ο θερμός αέρας του κενού χώρου ανεβαίνει με φυσική ροή ψηλά και μπαίνει από την επάνω θυρίδα στον εσωτερικό χώρο και τον θερμαίνει, ενώ ο ψυχρότερος αέρας του εσωτερικού χώρου μπαίνει με φυσική ροή από την κάτω θυρίδα στο χώρο μεταξύ τοίχου και υαλοστασίου, πληρώνοντας το κενό που έχει αφήσει ο θερμός αέρας και θερμαίνεται. Τη νύχτα όλες οι θυρίδες κλείνουν και η θέρμανση του εσωτερικού χώρου γίνεται από την αποθηκευμένη θερμότητα που απελευθερώνει ο τοίχος. Σχήμα 5.5. Λειτουργία του τοίχου Trombe-Michel κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Το καλοκαίρι, η πάνω θυρίδα μένει συνεχώς κλειστή, ενώ ένας φεγγίτης στο επάνω μέρος του υαλοστασίου εξασφαλίζει την απομάκρυνση του θερμού αέρα προς το περιβάλλον. Επιπλέον, ο τοίχος Trombe-Michel διαθέτει ένα εξωτερικό κινούμενο σκίαστρο, το οποίο προστατεύει το χώρο από υπερθέρμανση το θέρος και περιορίζει τις θερμικές απώλειες το χειμώνα. Τοίχος νερού. Η κατασκευή αυτή διαθέτει νερό αντί αέρα στον κενό χώρο μεταξύ του υαλοστασίου και του τοίχου. Ο τοίχος νερού εκμεταλλεύεται την ιδιότητα του νερού να διαθέτει τη μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα από όλα τα υλικά, για δεδομένη μάζα και επιφάνεια. Έτσι, ο τοίχος νερού έχει μικρότερη επιφάνεια από τον τοίχο Trombe-Michel. Λόγω της ομοιόμορφης θέρμανσης του νερού, η επιφανειακή εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία του τοίχου είναι ίσες. Αποτέλεσμα είναι η θερμότητα να μεταδίδεται τόσο στο εσωτερικό όσο και στο εξωτερικό του κτιρίου. Για την αποφυγή ροής θερμότητας προς το περιβάλλον, επιβάλλεται η νυχτερινή θερμική μόνωση της εξωτερικής πλευράς του τοίχου. 42

43 Οροφή νερού. Η οροφή νερού περιλαμβάνει σάκους ή δοχεία γεμάτα νερό, τοποθετημένα στην πλάκα του κτιρίου και η λειτουργία της βασίζεται στην ίδια αρχή με αυτή του τοίχου νερού. Με το σύστημα αυτό επιτυγχάνεται θέρμανση του κτιρίου το χειμώνα και ψύξη του το καλοκαίρι. Και εδώ θεωρείται επιβεβλημένη η νυχτερινή θερμική μόνωση της εξωτερικής πλευράς της οροφής (για τον ίδιο λόγο με τον τοίχο νερού). Σχήμα 5.6. Λειτουργία οροφής νερού Προκύπτει - από μετρήσεις, ενεργειακές καταγραφές και προσομοιώσεις βιοκλιματικών κτιρίων σε διάφορες κλιματικές περιοχές της χώρας πως οι τοίχοι θερμικής αποθήκευσης συνεισφέρουν στην εξοικονόμηση ενέργειας για τη θέρμανση κτιρίων σε ποσοστό 10-40%. Θερμοκήπιο. Το θερμοκήπιο είναι ένα παθητικό ηλιακό σύστημα θέρμανσης με δυνατότητα συλλογής της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας και τη μετάδοσή της αργότερα υπό μορφή θερμότητας στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου. Είναι ένας χώρος μη κλιματιζόμενος με μηχανικά μέσα, του οποίου το μεγαλύτερο ποσοστό της εξωτερικής επιφάνειας αποτελείται από γυαλί. Το θερμοκήπιο διαχωρίζεται από το κυρίως κτίριο με τοίχο κατασκευασμένο από υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας, ο οποίος διαθέτει ανοίγματα και προσφέρει πρόσβαση στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Τα θερμοκήπια συναντώνται είτε ως προσαρτημένα στο κτιριακό κέλυφος, είτε ως ενσωματωμένα σε αυτό. Η πρώτη επιλογή εφαρμόζεται και σε υφιστάμενα κτίρια. Τα ενσωματωμένα στο κτίριο θερμοκήπια περικλείονται τουλάχιστον από τις τρεις πλευρές τους (ανατολική, δυτική, βορινή) με τοίχο. Αυτό τους δίνει το 43

44 πλεονέκτημα των μειωμένων θερμικών απωλειών σε σχέση με τα προσαρτημένα θερμοκήπια, των οποίων μόνο η μία πλευρά εφάπτεται με τοίχο. Σχήμα 5.7. Κυριότεροι τύποι θερμοκηπίων. Η λειτουργία του θερμοκηπίου είναι μια διαδικασία αποτελούμενη από τρία στάδια. Αρχικά συλλέγεται η μικρού κύματος ηλιακή ακτινοβολία από τους υαλοπίνακες του θερμοκηπίου. Κατόπιν απορροφάται με τη μορφή θερμότητας από τα δομικά στοιχεία που είναι σε επαφή με το θερμοκήπιο (τοιχοποιία και δάπεδο). Τελικά, η θερμότητα επανεκπέμπεται με τη μορφή θερμικής ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος, η οποία δεν μπορεί να περάσει από τα υαλοστάσια του θερμοκηπίου. Έτσι, μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας παγιδεύεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου και αυξάνει την εσωτερική του θερμοκρασία. Η θερμότητα αυτή μεταδίδεται και εντός του κτιρίου, θερμαίνοντας το. Για να είναι η λειτουργία του θερμοκηπίου αποδοτική και βέλτιστη πρέπει να ικανοποιούνται οι παρακάτω προϋποθέσεις: Το θερμοκήπιο πρέπει να έχει νότιο προσανατολισμό ώστε να εκμεταλλεύεται τη μέγιστη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας. Μια τουλάχιστον επιφάνειά του πρέπει να είναι κεκλιμένη προς νότο. Η ιδανική γωνία κλίσης εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Το καταλληλότερο σχήμα κατασκευής του θερμοκηπίου είναι το επίμηκες κατά τον άξονα ανατολής-δύσης με μικρό πλάτος. Το μέγεθος του εξαρτάται από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής, το εμβαδόν του θερμαινόμενου εσωτερικού χώρου του κτιρίου και τη θερμική μάζα του διαχωριστικού τοίχου. Γενικότερα, για τα εύκρατα κλίματα απαιτούνται περίπου 0,33-0,99m 2 νότιου διπλού υαλοστασίου για κάθε m 2 θερμαινόμενου χώρου, ενώ για τα ψυχρά κλίματα περίπου 0,65-1,5m 2. Το θερμοκήπιο πρέπει να καλύπτεται από υαλοστάσια με διπλούς υαλοπίνακες ή διαφανές πλαστικό ώστε να μειώνονται οι θερμικές απώλειες. Ο διαχωριστικός τοίχος πρέπει να έχει μεγάλη θερμική μάζα και εξωτερική επιφάνεια βαμμένη με σκούρο χρώμα. Το ίδιο ισχύει και για το δάπεδο του θερμοκηπίου. Έτσι αυξάνεται η ποσότητα θερμότητας που αποθηκεύεται σε αυτά. Για ακόμα πιο αποδοτική λειτουργία του θερμοκηπίου, μπορούμε να προβλέψουμε θυρίδες στο πάνω και κάτω μέρος του διαχωριστικού τοίχου 44

45 για την κίνηση του ζεστού αέρα ή να τοποθετήσουμε δοχεία με νερό μπροστά από τον τοίχο για να αυξήσουμε τη θερμική μάζα του. Το θερμοκήπιο πρέπει πάντα να διαθέτει νυχτερινή θερμική μόνωση στην εξωτερική πλευρά του διαχωριστικού τοίχου ή στο περίβλημα του θερμοκηπίου, ώστε να περιορίζονται οι θερμικές απώλειες τις νύχτες του χειμώνα. Επίσης, πρέπει να διαθέτει διατάξεις ηλιοπροστασίας (π.χ. εσωτερικές περσίδες ή κινητά ρολά) και καλό αερισμό (με θυρίδες στο πάνω και κάτω μέρος των υαλοστασίων), ώστε να αποφεύγεται η υπερθέρμανση του το καλοκαίρι. Η μέθοδος του θερμοκηπίου ως σύστημα θέρμανσης των κτιρίων είναι εξαιρετικά δημοφιλής σε χώρες με σχετικά ψυχρό κλίμα, όπως π.χ. η Αγγλία. Σε χώρες με μεσογειακό κλίμα, όπως η Ελλάδα, πιο αποδοτικά είναι τα θερμοκήπια που έχουν αδιαφανή, μονωμένη οροφή. Από μετρήσεις και προσομοιώσεις στον ελλαδικό χώρο, οι οποίες έγιναν σε κτίρια στα οποία εφαρμόζονται θερμοκήπια, προέκυψε συνεισφορά στην εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση της τάξεως του 13-30%. Ηλιακό αίθριο. Το πλήρως ενσωματωμένο στο κτίριο θερμοκήπιο, ονομάζεται ηλιακό αίθριο. Το ηλιακό αίθριο έχει γυάλινη οροφή και αποτελεί εσωτερικό χώρο του κτιρίου, ο οποίος ασφαλώς διαχωρίζεται από τους υπόλοιπους χώρους του κτιρίου. Τα προηγούμενα χρόνια η τεχνική αυτή εφαρμοζόταν κυρίως σε κατοικίες ή στους κοινόχρηστους χώρους που δημιουργούνται στο εσωτερικό των οικοδομικών τετραγώνων από τις πολυκατοικίες. Πλέον όμως το ηλιακό αίθριο εφαρμόζεται με αυξανόμενο ρυθμό και σε κτίρια του τριτογενούς τομέα, ειδικά στη Βόρειο Ευρώπη. Άλλωστε τα πολυώροφα κτίρια μεγάλου βάθους που διαθέτει ο τομέας αυτός, είναι ιδανικά για χρήση της μεθόδου. Το σύστημα αυτό χρησιμεύει, πέρα από τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων του κτιρίου, ως σύστημα φυσικού φωτισμού και αερισμού του κτιρίου. Αυτές οι λειτουργίες του ηλιακού αίθριου θα αναλυθούν σε επόμενες παραγράφους. Το καλοκαίρι απαιτείται αερισμός του αίθριου, ο οποίος συντελείται από προβλεπόμενα ανοίγματα στην οροφή, όπως και πλήρης σκιασμός του προς αποφυγή υπερθέρμανσης Παθητικά ηλιακά συστήματα απομονωμένου ηλιακού κέρδους. Σύστημα απομονωμένου ηλιακού κέρδους θεωρείται το θερμοσιφωνικό πέτασμα ή πανέλο. Αποτελείται από υαλοπίνακα, διάκενο αέρα και μεταλλική σκουρόχρωμη επιφάνεια που φέρει εξωτερική μόνωση. Τοποθετείται εκτός του κτιρίου και χαμηλότερα από τους κύριους τοίχους του, με κλίση περίπου 40 ο. Η ηλιακή ακτινοβολία συλλέγεται από τον υαλοπίνακα και παγιδεύεται στο διάκενο μεταξύ υαλοπίνακα και μεταλλικής επιφάνειας όπου και μετατρέπεται σε θερμότητα. Στη συνέχεια αυτή η θερμότητα μεταφέρεται μέσω αγωγών, με θερμοσιφωνική ροή, είτε απευθείας στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου, είτε σε αποθήκη θερμότητας και αποδίδεται αργότερα στο εσωτερικό του κτιρίου Παθητικός δροσισμός κτιρίων Γενικά. 45

46 Τα συστήματα δροσισμού, τα οποία αξιοποιούν τον άνεμο και τη βλάστηση για τη ψύξη των εσωτερικών χώρων των κτιρίων, χωρίς να παρεμβάλλονται μηχανικά μέσα, ονομάζονται παθητικά συστήματα δροσισμού. Οι μέθοδοι παθητικού δροσισμού των κτιρίων αποτελούν βασικές τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας γιατί απομακρύνουν τη θερμότητα από τα κτίρια χωρίς τη χρήση κλιματιστικών μηχανημάτων, τα οποία καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα για χώρες με θερμά καλοκαίρια, όπως η Ελλάδα, η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται από τη χρήση τέτοιων συστημάτων είναι εξαιρετική. Η εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι ευεργετική και για το δίκτυο μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Η μείωση στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας κατά τις ώρες αιχμής των θερινών μηνών περιορίζει αισθητά το φορτίο αιχμής που πρέπει να καλύψει το δίκτυο, με αποτέλεσμα να ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος πτώσης τάσης σε διάφορες περιοχές του δικτύου (τα γνωστά black out). Τα συστήματα παθητικού δροσισμού βελτιώνουν τη ποιότητα του εσωτερικού αέρα και προστατεύουν το περιβάλλον επειδή συμβάλουν στη μείωση των χλωροφθορανθράκων που εκπέμπονται από τη χρήση των κλιματιστικών μηχανημάτων. Οι χλωροφθοράνθρακες είναι οι κύριοι υπεύθυνοι για την καταστροφή του στρώματος όζοντος της ατμόσφαιρας, το γνωστό φαινόμενο της τρύπας του όζοντος. Επίσης η ηλεκτρική ενέργεια που εξοικονομούν, μειώνει την ανάγκη για την παραγωγή μεγαλύτερης ποσότητας, επομένως μειώνεται το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα και το οποίο ευθύνεται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ως γνωστόν, η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σήμερα κυρίως με την καύση ορυκτών στερεών, υγρών και αέριων καυσίμων, κατά την οποία απελευθερώνονται σημαντικές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Κατά το σχεδιασμό ενός κτιρίου, το οποίο πρόκειται να δροσίζεται με φυσικό τρόπο, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο σκιασμό του κτιρίου, στη μείωση των εξωτερικών και εσωτερικών θερμικών κερδών και στην αξιοποίηση όλων των δυνατοτήτων φυσικού αερισμού που προσφέρονται από τη γεωγραφική περιοχή. Τα παθητικά συστήματα δροσισμού χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: Συστήματα ηλιοπροστασίας. Συστήματα φυσικού αερισμού. Συστήματα παθητικού δροσισμού με εξάτμιση. Συστήματα παθητικού δροσισμού από το έδαφος. Συστήματα παθητικού δροσισμού με ακτινοβολία. Όλα τα συστήματα παθητικού δροσισμού έχουν σαν βασική αρχή λειτουργίας την απόρριψη της πλεονάζουσας θερμότητας που συσσωρεύεται στο εσωτερικό του κτιρίου σε άλλα ψυχρότερα στοιχεία του περιβάλλοντος, όπως το έδαφος, το νερό και ο αέρας Μείωση εσωτερικών θερμικών κερδών. Πριν προχωρήσουμε στη μελέτη των προαναφερόμενων τεχνικών παθητικού δροσισμού, θα αναλύσουμε τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να επιτευχθεί μείωση των εσωτερικών θερμικών κερδών ενός κτιρίου. Η ανάλυση αυτή είναι πολύ σημαντική, καθώς η μείωση των εσωτερικών θερμικών κερδών διευκολύνει τον δροσισμό του κτιρίου, αφού η πλεονάζουσα θερμότητα που πρέπει να απομακρυνθεί από το κτίριο είναι μικρότερη. Οι κυριότερες πηγές συνεισφοράς θερμότητας στο εσωτερικό του κτιρίου είναι οι συσκευές κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας και οι χρήστες. Η ελάττωση των εσωτερικών θερμικών κερδών επιτυγχάνεται με την εφαρμογή των εξής μεθόδων: 46

47 Βέλτιστη εκμετάλλευση του φυσικού φωτισμού: Αυτό γίνεται με την πρόβλεψη ανοιγμάτων στις κατάλληλες θέσεις του κελύφους (σε τοίχους και οροφές) ώστε να μην απαιτείται η χρήση τεχνητού φωτισμού κατά τη διάρκεια της ημέρας. Χρήση φωτιστικών συστημάτων υψηλής απόδοσης: Τέτοια συστήματα είναι οι λαμπτήρες φθορισμού, των οποίων η φωτεινή απόδοση είναι πολύ μεγαλύτερη των κλασικών λαμπτήρων πυρακτώσεως. Μεγάλη φωτεινή απόδοση σημαίνει λιγότερη εκπομπή θερμότητας εκ μέρους των λαμπτήρων, αφού το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε φως. Χρήση συστημάτων ελέγχου τεχνητού φωτισμού σύγχρονης τεχνολογίας: Τα συστήματα αυτά ρυθμίζουν τη στάθμη του τεχνητού φωτισμού ανάλογα με το διαθέσιμο φυσικό φως ή την παρουσία ανθρώπων στο χώρο. Η εφαρμογή τους προϋποθέτει το χωρισμό των εσωτερικών χώρων του κτιρίου σε ζώνες ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν σε αυτούς. Επιλογή ηλεκτρικών συσκευών αναβαθμισμένου τύπου: Οι συσκευές αυτές εξοικονομούν ενέργεια και αποδίδουν λιγότερη ενέργεια στο περιβάλλον. Συγκέντρωση όσο το δυνατόν περισσότερων ηλεκτρικών συσκευών που εκπέμπουν μεγάλη ποσότητα θερμότητας σε έναν καλά αεριζόμενο χώρο. Πρόβλεψη καλού φυσικού αερισμού σε χώρους συγκέντρωσης πολλών ατόμων. Η αντίστοιχη μείωση των εξωτερικών θερμικών κερδών πραγματοποιείται με τα συστήματα ηλιοπροστασίας του κτιρίου που θα μελετήσουμε αναλυτικά στην επόμενη παράγραφο και τη θερμομόνωση του κτιρίου που θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο Συστήματα ηλιοπροστασίας. Η ηλιοπροστασία του κτιρίου τους θερμούς μήνες του έτους θεωρείται απαραίτητη για τη διατήρηση της απαιτούμενης θερμικής άνεσης στο εσωτερικό του κτιρίου. Τα ηλιακά κέρδη του κτιρίου μειώνονται και έτσι αποφεύγεται ο κίνδυνος υπερθέρμανσης του. Τα συστήματα ηλιοπροστασίας είναι τα εξής: Σκιασμός κτιρίου και ανοιγμάτων. Σκιασμός κτιρίου. Η σκίαση του κτιρίου επιτυγχάνεται με τη φύτευση βλάστησης, κυρίως, φυλλοβόλων δέντρων σε κατάλληλες θέσεις του περιβάλλοντα ελεύθερου χώρου του κτιρίου για να εμποδίζουν τον άμεσο ηλιασμό του. Τη νύχτα, τα δέντρα εμποδίζουν τη διαφυγή της ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος που εκπέμπεται από το έδαφος. Έτσι, τη νύχτα η θερμοκρασία του αέρα σε χώρους με πυκνή βλάστηση είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τους ανοικτούς χώρους. Την ημέρα, όμως, η θερμοκρασία είναι μικρότερη γιατί η βλάστηση αποτρέπει ένα μεγάλο μέρος της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας να φτάσει στο έδαφος. Η επιλογή φυλλοβόλων δέντρων έναντι αειθαλών για την ηλιοπροστασία του κτιρίου οφείλεται στο πλεονέκτημα των πρώτων να προστατεύουν μεγάλες 47

48 επιφάνειες του κτιρίου από τον ήλιο το καλοκαίρι, αλλά να αφήνουν τις ίδιες επιφάνειες να δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία το χειμώνα. Αποτελεσματική είναι, επίσης, η φύτευση αναρριχώμενων φυτών στις όψεις του κτιρίου για την προστασία τους από την ηλιακή ακτινοβολία. Και πάλι τα φυλλοβόλα αναρριχώμενα φυτά πλεονεκτούν των αειθαλών. Αυτή τη φορά όμως, τα αειθαλή φυτά παρουσιάζουν το πλεονέκτημα να προσφέρουν θερμική μόνωση στο κτίριο κατά τη διάρκεια του χειμώνα, καθώς το στρώμα αέρα που δημιουργείται μεταξύ του φυλλώματος τους και του τοίχου περιορίζει τις θερμικές απώλειες. Σχήμα 5.8. Ηλιοπροστασία κτιρίων με δέντρα και φυτά. Σκιασμός ανοιγμάτων. Η σκίαση των ανοιγμάτων επιτυγχάνεται με τη χρήση ειδικών διατάξεων που ονομάζονται συστήματα σκίασης ή απλά, σκίαστρα. Υπάρχουν πολλές ταξινομήσεις των συστημάτων σκίασης ανάλογα με την ιδιότητα βάσει της οποίας ταξινομούνται. Έτσι έχουμε τα εξωτερικά ή εσωτερικά σκίαστρα, τα σταθερά ή κινητά σκίαστρα και τα οριζόντια ή κατακόρυφα ή σχαρωτά (σε μορφή εσχάρας) σκίαστρα. Η χρήση του κατάλληλου τύπου σκιάστρου εξαρτάται από τον προσανατολισμό και τη θέση των ανοιγμάτων, αλλά και από τη χρήση και την αισθητική του κτιρίου. Τα σταθερά συστήματα σκίασης περιλαμβάνουν προβόλους, στοές, πέργκολες κ.α. Πολλές φορές παρέχονται από το ίδιο το σχήμα του κτιρίου (π.χ. βεράντες). Τα κινητά συστήματα σκίασης περιλαμβάνουν τέντες, ρολά, παντζούρια, κουρτίνες, περσίδες, κ.α. Τα εξωτερικά συστήματα σκίασης πλεονεκτούν των εσωτερικών γιατί εμποδίζουν την ηλιακή ακτινοβολία να εισέλθει στον εσωτερικό χώρο και να τον θερμάνει. Αντίθετα, τα εσωτερικά σκίαστρα προσφέρουν μόνο μερική προστασία αφού η προσπίπτουσα ακτινοβολία διαπερνά τα υαλοστάσια των ανοιγμάτων και αυξάνει τη θερμοκρασία του αέρα μεταξύ αυτών και των 48

49 εσωτερικών σκιάστρων. Έτσι, αυξάνεται και η θερμοκρασία του εσωτερικού του κτιρίου. Για ανοίγματα νοτίου προσανατολισμού ιδανικότερες διατάξεις σκιασμού είναι οι οριζόντιες. Για ανοίγματα ανατολικού ή δυτικού προσανατολισμού η σωστή επιλογή είναι τα κατακόρυφα σκίαστρα γιατί προσφέρουν προστασία από τις ακτίνες του ήλιου, οι οποίες βρίσκονται πολύ χαμηλά το πρωί και το απόγευμα και δεν εμποδίζονται από τα οριζόντια σκίαστρα. Μάλιστα, η χρήση κατακόρυφων κινητών στοιχείων σκίασης, τα οποία περιστρέφονται αυτόματα ακολουθώντας την τροχιά του ήλιου προσφέρει το πλεονέκτημα του ανεμπόδιστου ηλιασμού κατά τη διάρκεια του χειμώνα, ο οποίος θα ήταν περιορισμένος σε περίπτωση χρήσης σταθερών κατακόρυφων σκιάστρων. Για ανοίγματα ενδιάμεσων προσανατολισμών καταλληλότερα είναι τα σχαρωτά σκίαστρα (με προτίμηση στα κινητά από τα σταθερά). Σχήμα 5.9. Κατακόρυφα και σχαρωτά, σταθερά και κινητά σκίαστρα για ανοίγματα ανατολικού και δυτικού προσανατολισμού και οριζόντια, σταθερά και κινητά σκίαστρα για ανοίγματα νότιου προσανατολισμού. Είναι προφανές πως από άποψη εξοικονόμησης ενέργειας, η καλύτερη επιλογή είναι η χρήση εξωτερικών, κινητών σκιάστρων για όλους τους προσανατολισμούς. Όμως από οικονομικής σκοπιάς, τα οφέλη που προκύπτουν από τη μειωμένη ενεργειακή κατανάλωση, πολλές φορές δεν αντισταθμίζουν το αυξημένο αρχικό κόστος αυτών των διατάξεων. Έτσι για τις περιπτώσεις αυτές προκρίνεται ο συνδυασμός εξωτερικών, σταθερών σκιάστρων με εσωτερικές κουρτίνες (στόρια), οι οποίες ενεργούν ως συμπληρωματική σκίαση όταν αυτό είναι απαραίτητο. Τέλος, πρέπει να τονιστεί πως ένα σύστημα σκίασης για να είναι πετυχημένο, πρέπει να εξασφαλίζει ικανοποιητικό φυσικό φωτισμό στο εσωτερικό του κτιρίου, να μην περιορίζει τη θέα και το φυσικό αερισμό και η συντήρησή του να είναι οικονομική και εύκολη. Φύτεμα δώματος. Το δώμα (ταράτσα) αποτελεί ένα στοιχείο του κτιριακού κελύφους, το οποίο δεν αποτελεί συνήθως αντικείμενο ιδιαίτερης μελέτης και προσοχής. Όμως, η σωστή σκίαση του με φύτευση ή χρήση οριζόντιων στοιχείων όπως είναι οι πέργκολες, προστατεύει σε μεγάλο βαθμό το κτίριο από την ηλιακή ακτινοβολία το καλοκαίρι. 49

50 Το φύτεμα του δώματος (ταρατσόκηπος) αποτελεί την κυριότερη τεχνική σκιασμού της ταράτσας του κτιρίου. Το φύτεμα δώματος έχει θερμομονωτικές ιδιότητες και συνεισφέρει ευεργετικά στην εξοικονόμηση ενέργειας αφού μειώνει τα φορτία κλιματισμού και θέρμανσης του τελευταίου ορόφου έως 30% και 10% αντίστοιχα. Ειδικότερα, κατά τη διάρκεια των θερινών μηνών, η βλάστηση του δώματος δεν επιτρέπει σε μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας του ηλίου να φτάσει στο κτίριο, ενώ τους χειμερινούς μήνες, το χώμα που έχει τοποθετηθεί στην ταράτσα του κτιρίου όπως και το στατικό στρώμα αέρα που εγκλωβίζεται μεταξύ της βλάστησης και του δώματος, δρουν ως θερμομόνωση μειώνοντας τις θερμικές απώλειες. Το φύτεμα του δώματος δεν είναι πάντα δυνατό στις υφιστάμενες οικοδομές. Προκειμένου να διαπιστωθεί η δυνατότητα κατασκευής του σε υπάρχοντα κτίρια, απαιτείται έλεγχος της φέρουσας κατασκευής ώστε να φανεί αν το δώμα μπορεί να δεχθεί τα πρόσθετα φορτία του κήπου. Το βάρος του φυτεμένου δώματος μιας νεόδμητης οικοδομής μπορεί να είναι μέχρι και τετραπλάσιο του βάρους του φυτεμένου δώματος μιας παλαιάς οικοδομής. Κατά την κατασκευή του ταρατσόκηπου πρέπει πάντα να λαμβάνεται ειδική μέριμνα για τη στεγάνωση του δώματος προς αποφυγή υγρασίας. Η στεγάνωση του δώματος γίνεται με κάποια μορφή στεγανωτικής στρώσης πριν από οποιαδήποτε άλλη εργασία (πλην του καθαρισμού της επιφάνειας του δώματος). Απαραίτητη επίσης είναι η τοποθέτηση υπογείου συστήματος άρδευσης με εκτοξευτήρες νερού ή σταλακτοφόρους σωλήνες πριν τη διάστρωση του χώματος. Άλλα οφέλη που προκύπτουν από τη φύτευση του δώματος είναι η μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης λόγω της απορρόφησης των διάφορων ρύπων από μέρους των φυτών και η παροχή καλύτερα οξυγονωμένου αέρα στους χρήστες του κτιρίου καθώς ο περισσότερο οξυγονωμένος αέρας γίνεται βαρύτερος και κατεβαίνει χαμηλά. Η φύτευση του δώματος προσφέρει στο κτίριο έναν επιπλέον βιώσιμο υπαίθριο χώρο με ευχάριστες συνθήκες παραμονής. Χρήση ειδικών υαλοπινάκων. Η χρήση ειδικών υαλοπινάκων ενδείκνυται ως ένα επιπλέον μέτρο σκιασμού των ανοιγμάτων και επιβάλλεται για όσα ανοίγματα δεν μπορούν, για κάποιο λόγο, να σκιαστούν. Στην κατηγορία των ειδικών υαλοπινάκων ανήκουν οι ανακλαστικοί υαλοπίνακες, δηλαδή υαλοπίνακες με υψηλό συντελεστή ανακλαστικότητας. Μειονεκτήματα τους είναι το υψηλό κόστος, η ελάττωση των ηλιακών κερδών το χειμώνα και ο κάπως ανεπαρκής φυσικός φωτισμός στο εσωτερικό του κτιρίου. Για θερμά κλίματα η χρήση τους θεωρείται απαραίτητη. Εξωτερικός χρωματισμός. Ο χρωματισμός των εξωτερικών επιφανειών του κτιρίου είναι μια σημαντική παράμετρος καθορισμού του θερμικού και ψυκτικού φορτίου του. Σε περιοχές με θερμό κλίμα επιβάλλεται η χρήση ανοιχτών χρωμάτων και υλικών με μικρό συντελεστή απορροφητικότητας και υψηλό συντελεστή ανακλαστικότητας για τις εξωτερικές επιφάνειες, ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος υπερθέρμανσης του κτιρίου. Αντίθετα, σε ψυχρές περιοχές πρέπει να χρησιμοποιούνται σκούρα χρώματα και υλικά, ώστε ο συντελεστής απορροφητικότητας των εξωτερικών επιφανειών να είναι υψηλός. Έτσι μεγιστοποιείται η συλλογή ηλιακής ενέργειας από τα δομικά στοιχεία του κτιρίου, η οποία χρειάζεται για την κάλυψη των αυξημένων αναγκών θέρμανσης σε αυτές τις περιοχές. Ιδιαίτερη σημασία έχει ο χρωματισμός της 50

51 στέγης του κτιρίου στη διακύμανση της εσωτερικής θερμοκρασίας του. Μια σκουρόχρωμα βαμμένη στέγη παρουσιάζει εξωτερική, επιφανειακή θερμοκρασία μέχρι και 32 ο C μεγαλύτερη από τη μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η αντίστοιχη αύξηση της επιφανειακής θερμοκρασίας μιας λευκής στέγης είναι μόλις 2 ο C. Φράγμα ακτινοβολίας. Το φράγμα ακτινοβολίας είναι μια τεχνική ηλιοπροστασίας που χρησιμοποιείται σε περιοχές που η ψύξη του κτιρίου θεωρείται πιο σημαντική από τη θέρμανσή του. Αποτελείται από λεπτά φύλλα αλουμινίου που τοποθετούνται κάτω από τη στέγη και λειτουργώντας ως καθρέπτες ανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία. Σχήμα Φράγμα ακτινοβολίας. Το φράγμα ακτινοβολίας συνήθως χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με ένα μικρό στρώμα θερμομόνωσης στην οροφή ή στο δώμα του κτιρίου. Έτσι, μπορεί να αντικαταστήσει συμβατικά στρώματα θερμομόνωσης που έχουν μεγάλο πάχος. Προκειμένου να επιτυγχάνεται η βέλτιστη απόδοση της μεθόδου αυτής, πρέπει να εξασφαλίζεται καλός διαμπερής αερισμός της στέγης ώστε να απομακρύνεται η πλεονάζουσα θερμότητα στο περιβάλλον Φυσικός αερισμός Γενικά. Αερισμός ενός χώρου ονομάζεται η συνεχής ανανέωση του εσωτερικού αέρα με νωπό αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος. Ο αερισμός ενός χώρου επιδρά ευεργετικά στις εσωτερικές συνθήκες περιβάλλοντος του κτιρίου. Συγκεκριμένα, βελτιώνει την ποιότητα του εσωτερικού αέρα με την απομάκρυνση της υγρασίας, των οσμών, του καπνού και διάφορων εσωτερικών ρύπων και διατηρεί τις συνθήκες θερμικής άνεσης σε ικανοποιητικά επίπεδα με την απομάκρυνση της θερμότητας από το κτίριο κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών. Ο αερισμός των εσωτερικών χώρων ενός κτιρίου που βασίζεται σε αρχιτεκτονικά στοιχεία του κελύφους του, τα οποία αξιοποιώντας τα φυσικά χαρακτηριστικά του ανέμου (θερμοκρασία, πίεση, ταχύτητα, ροή), ευνοούν την είσοδο και την κίνηση του εξωτερικού αέρα εντός του κτιρίου, ονομάζεται φυσικός αερισμός. Αντίθετα, ο αερισμός των εσωτερικών χώρων ενός κτιρίου που βασίζεται σε μηχανικά μέσα για την είσοδο και την κίνηση του εξωτερικού αέρα εντός του κτιρίου 51

52 ονομάζεται μηχανικός αερισμός. Ο μηχανικός αερισμός μπορεί επίσης να περιλαμβάνει εξαερισμό και κλιματισμό των χώρων. Σύμφωνα με τον Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (Κ.Εν.Α.Κ.), στα νέα ή ριζικώς ανακαινιζόμενα κτίρια του τριτογενούς τομέα απαιτείται η εφαρμογή συστήματος μηχανικού αερισμού (ή/και εξαερισμού), προκειμένου να καλυφθούν εξ ολοκλήρου οι απαιτήσεις των εσωτερικών χώρων σε νωπό αέρα και δροσισμό. Επομένως, η εφαρμογή τεχνικών φυσικού αερισμού είναι μάλλον ανούσια για τα νέα ή ριζικώς ανακαινιζόμενα κτίρια του τριτογενούς τομέα. Εν τούτοις, είναι αναμενόμενη η χρήση τους σε κτίρια του παραγωγικού τομέα, αφού οι τεχνικές αυτές εγγυώνται τη μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας από τα ενεργοβόρα συστήματα κλιματισμού, τα οποία χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των αναγκών σε νωπό αέρα και σε δροσισμό. Επομένως, είναι χρήσιμο να μελετήσουμε τις τεχνικές και μεθόδους που χρησιμοποιεί ο φυσικός αερισμός προκειμένου να πετύχει τον παθητικό δροσισμό των εσωτερικών χώρων των κτιρίων Τεχνικές φυσικού αερισμού. Ο φυσικός αερισμός πραγματοποιείται με την είσοδο εξωτερικού αέρα στο εσωτερικό του κτιρίου μέσω των ανοιγμάτων, των ρωγμών και των χαραμάδων που υπάρχουν στα δομικά στοιχεία του κελύφους. Στα νεόδμητα κτίρια, εξαιτίας της πλήρους αεροστεγάνωσης του κελύφους με σκοπό τον περιορισμό των θερμικών απωλειών, ο φυσικός αερισμός καθίσταται δυσχερής και με περιορισμένες δυνατότητες εφαρμογής. Η αποτελεσματικότητα των τεχνικών φυσικού αερισμού που εφαρμόζονται σε ένα κτίριο, εξαρτώνται από τα φυσικά κλιματικά στοιχεία της περιοχής, όπως είναι η θερμοκρασία, η υγρασία και η ταχύτητα του εξωτερικού ανέμου, από την καλή γνώση του μοντέλου ροής του αέρα γύρω και μέσα στο κτίριο και από κατασκευαστικά στοιχεία του κτιρίου, όπως είναι ο προσανατολισμός, το μέγεθος και η θέση των ανοιγμάτων. Μοντέλο ροής του αέρα. Η κίνηση του αέρα γύρω και μέσα στο κτίριο οφείλεται σε δύο φυσικά φαινόμενα. Στη διαφορά πίεσης που προκαλεί ο άνεμος και στη διαφορά θερμοκρασίας. Ο άνεμος προσπίπτει κάθετα στην προσήνεμη πλευρά του κτιρίου δημιουργώντας θετική πίεση (υπερπίεση) σε αυτή την πλευρά. Ακολούθως, χωρίζεται σε δύο τμήματα και ρέει κατά μήκος των πλευρικών όψεων του κτιρίου. Η ροή του αέρα κατά μήκος των πλευρών του κτιρίου και στο χώρο πίσω από την υπήνεμη όψη του είναι τυρβώδης και οι στρόβιλοι που δημιουργούνται προκαλούν αρνητική πίεση (υποπίεση) σε αυτές τις πλευρές του κτιρίου, με τη χαμηλότερη πίεση να είναι στην υπήνεμη όψη του. Η ροή του εξωτερικού αέρα διαμέσου του κελύφους γίνεται πάντα από τη πλευρά θετικής πίεσης προς τις πλευρές αρνητικής πίεσης. Ο αέρας που έχει υψηλότερη θερμοκρασία είναι ελαφρύτερος και πιο αραιός σε σχέση με τον αέρα χαμηλότερης θερμοκρασίας. Έτσι ο θερμότερος αέρας κινείται προς τα επάνω, ενώ ο ψυχρότερος αέρας κινείται προς τα κάτω και αναπληρώνει το κενό που έχει δημιουργηθεί. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ρεύμα αέρα και φυσικός αερισμός με εναλλαγή. Την αξιοποίηση αυτών των δύο φαινομένων και της προκύπτουσας ροής του ανέμου την πετυχαίνουμε με την κατάλληλη πρόβλεψη του μεγέθους και της θέσης των ανοιγμάτων όπως θα δούμε στη συνέχεια. 52

53 Σχήμα Κίνηση του αέρα γύρω και μέσα από ένα κτίριο λόγω: 1. Διαφοράς πίεσης που προκαλεί ο άνεμος και 2. Διαφοράς θερμοκρασίας. Θερμοκρασία και υγρασία του αέρα. Ο εξωτερικός αέρας που χρησιμοποιείται για το φυσικό αερισμό των κτιρίων πρέπει να είναι μικρότερης θερμοκρασίας από τον εσωτερικό αέρα. Επιπλέον, πρέπει να απομακρύνει την υγρασία από τους εσωτερικούς χώρους, γιατί η υγρασία έχει αρνητική επίδραση στην εσωτερική θερμική άνεση. Σε περιοχές με θερμό και ξηρό κλίμα, επιβάλλεται ο νυχτερινός αερισμός επειδή μόνο τη νύχτα η εξωτερική θερμοκρασία έχει μειωθεί και είναι μικρότερη της εσωτερικής. Σε περιοχές με θερμό κλίμα, αλλά μεγάλη υγρασία, ο φυσικός αερισμός καθίσταται απαγορευτικός όλο το 24ωρο. Σε περιοχές με εύκρατο κλίμα, όπως η Ελλάδα, οι χειμερινοί μήνες χαρακτηρίζονται από χαμηλές σχετικά θερμοκρασίες και υγρασία. Έτσι, ο αερισμός κατά τη διάρκεια του χειμώνα πρέπει να είναι περιορισμένος και χρειάζεται μόνο για τη διατήρηση της ποιότητας του εσωτερικού αέρα. Γίνεται, δε, τις μεσημεριανές ώρες, οπότε η εξωτερική θερμοκρασία είναι υψηλότερη, αλλά κατάλληλη για το δροσισμό του κτιρίου. Η ίδια τακτική πρέπει να εφαρμόζεται και στις ψυχρές περιοχές. Τα καλοκαίρια, που ο φυσικός αερισμός είναι απαραίτητος για την απομάκρυνση της θερμότητας και της υγρασίας από το εσωτερικό του κτιρίου, αυτός πρέπει να γίνεται κατά τις πρωινές ή βραδινές ώρες ώστε να αξιοποιούνται οι δροσεροί άνεμοι που φυσάνε αυτές τις χρονικές περιόδους της ημέρας. Ταχύτητα ανέμου. Η ταχύτητα του ανέμου εξαρτάται από το χρονικό διάστημα της ημέρας και από το ανάγλυφο της περιοχής. Αυξάνεται σταδιακά από μια ελάχιστη τιμή τις πρώτες πρωινές ώρες, μέχρι να φθάσει σε μια μέγιστη τιμή τις απογευματινές και τις πρώτες βραδινές ώρες. Στη συνέχεια η τιμή της βαθμιαία μειώνεται κατά τη διάρκεια της νύχτας μέχρι να πάρει πάλι μια ελάχιστη τιμή νωρίς το πρωί. Είναι προφανές πως η ταχύτητα του ανέμου ελαττώνεται όταν στη γύρω περιοχή του κτιρίου υπάρχουν άλλες οικοδομές. Προσανατολισμός, μέγεθος και θέση ανοιγμάτων. Τα τρία αυτά χαρακτηριστικά των ανοιγμάτων καθορίζουν την εσωτερική διαδρομή και ταχύτητα κίνησης του ανέμου. Γενικά, τα ανοίγματα εισόδου του αέρα πρέπει να είναι αντιμέτωπα με τον άνεμο σε κάθετη διεύθυνση. Οποιαδήποτε απόκλιση μειώνει την ταχύτητα ροής του αέρα στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου. Η εσωτερική διαδρομή του αέρα μπορεί να μεταβληθεί από εσωτερικά εμπόδια, όπως έπιπλα και εσωτερικά χωρίσματα. Για τη διευκόλυνση της κίνησης του αέρα εντός του κτιρίου, πρέπει τα ανοίγματα εξόδου του αέρα, τα οποία βρίσκονται στην πλευρά χαμηλής πίεσης (υπήνεμη όψη) του κτιρίου να είναι ίσου ή μεγαλύτερου μεγέθους από τα ανοίγματα εισόδου, τα οποία βρίσκονται στην πλευρά υψηλής πίεσης (προσήνεμη όψη). Επίσης, προκειμένου να 53

54 εκμεταλλευτούμε την κίνηση του αέρα που οφείλεται στη διαφορά θερμοκρασίας, μπορούμε να προβλέψουμε τη δημιουργία ανοιγμάτων χαμηλά στη βάση του κτιρίου για την είσοδο ψυχρού αέρα και άλλων ψηλότερα (π.χ. φεγγίτες ή ανοίγματα οροφής) για την έξοδο του θερμού αέρα. Σχήμα Επίδραση του μεγέθους και της θέσης των ανοιγμάτων στην κίνηση του αέρα εντός του κτιρίου. Όπως αναφέρθηκε, το γειτονικό δομημένο περιβάλλον του κτιρίου μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα του ανέμου. Εκτός από το δομημένο περιβάλλον, και το φυσικό περιβάλλον επηρεάζει την ταχύτητα του ανέμου, όπως και τη διεύθυνση και την πορεία του. Μάλιστα μπορεί να γίνει έλεγχος και εκτροπή της κατεύθυνσης του ανέμου με τη χρήση ανεμοφρακτών από τη φύτευση θάμνων και δέντρων περιμετρικά του κτιρίου. Το θέμα αυτό θα μελετηθεί σε επόμενη ενότητα. Οι βασικοί τύποι φυσικού αερισμού είναι: α) μονόπλευρος αερισμός, β) διαμπερής αερισμός, γ) αερισμός με ανοίγματα σε διαφορετικά επίπεδα και δ) αερισμός με ειδικά στοιχεία. Μονόπλευρος αερισμός. Ο μονόπλευρος αερισμός απαιτεί τα ανοίγματα εισόδου και εξόδου του αέρα να βρίσκονται στην ίδια κατακόρυφο, στην ίδια πλευρά αλλά σε διαφορετικές στάθμες. Η κίνηση του αέρα στο μονόπλευρο αερισμό οφείλεται κυρίως στη διαφορά θερμοκρασίας. Αυτόν τον τύπο του αερισμού έχουμε και σε ενιαία ανοίγματα, όπως τα παράθυρα και οι μπαλκονόπορτες των δωματίων. Για αποτελεσματικό μονόπλευρο αερισμό πρέπει η αναλογία του βάθους προς το ύψος του χώρου να είναι μικρότερη του 2,5. Για την περίπτωση ενιαίων ανοιγμάτων η αναλογία αυτή πρέπει να είναι μικρότερη του 2. Διαμπερής αερισμός. Ο διαμπερής αερισμός προϋποθέτει τα ανοίγματα να βρίσκονται στις απέναντι πλευρές ενός χώρου. Επιπλέον, τα ανοίγματα της προσήνεμης πλευράς του κτιρίου πρέπει να είναι ίσα ή μικρότερα από αυτά της υπήνεμης πλευράς, έτσι ώστε να διασφαλίζεται η ομαλή ροή του αέρα. Όταν τα ανοίγματα δεν βρίσκονται ακριβώς απέναντι, αλλά σε διαγώνια θέση, τότε η διεύθυνση του αέρα αλλάζει και αυτός κινείται σε μεγαλύτερο μέρος του εσωτερικού χώρου. Η βέλτιστη αναλογία βάθους προς ύψος του εσωτερικού χώρου, για αυτόν τον τύπο αερισμού, είναι μικρότερη του 5. 54

55 Σχήμα Μονόπλευρος και διαμπερής αερισμός Αναλογίες χώρου για την αποδοτικότητα αυτών των μεθόδων. Αερισμός με ανοίγματα σε διαφορετικά επίπεδα. Αυτό το είδος φυσικού αερισμού εκμεταλλεύεται το φαινόμενο της καμινάδας. Ανοίγματα που υπάρχουν ψηλά στους τοίχους ή στην οροφή του κτιρίου εξυπηρετούν για την έξοδο του θερμού αέρα, ενώ ο ψυχρός αέρας εισέρχεται στο κτίριο από ανοίγματα που βρίσκονται χαμηλότερα στα τοιχώματα του κτιρίου. Πολλές φορές τα κλιμακοστάσια και οι φωταγωγοί του κτιρίου συμμετέχουν σε αυτή τη διαδικασία λειτουργώντας σαν κατακόρυφες καμινάδες αερισμού. Αυτή η μέθοδος αερισμού χρησιμοποιείται κυρίως σε κτίρια με μεγάλο ύψος και σε κτίρια που διαθέτουν ηλιακά αίθρια. Αερισμός με ειδικές αρχιτεκτονικές κατασκευές. Αυτή η μέθοδος αερισμού χρησιμοποιεί ειδικές αρχιτεκτονικές κατασκευές, στις οποίες ο φυσικός αερισμός του κτιρίου πραγματοποιείται μέσω κατακόρυφων αγωγών. Εξαιτίας του κόστους κατασκευής τους, τα συστήματα αυτά εφαρμόζονται μόνο σε κτίρια, όπου προκύπτει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Οι κατασκευές αυτές είναι οι ηλιακές καμινάδες, οι καμινάδες αερισμού και οι ανεμόπυργοι. Ηλιακή καμινάδα. Η καμινάδα αυτή έχει υαλοπίνακες στη νότια ή νοτιοδυτική επιφάνειά της και περσίδες στο πάνω μέρος της ίδιας πλευράς. Η λειτουργία της στηρίζεται στη θέρμανση του αέρα από την ηλιακή ακτινοβολία στο άνω τμήμα της, κάτι που έχει σαν συνέπεια την ώθηση προς τα επάνω του εσωτερικού αέρα, ενισχύοντας έτσι το φαινόμενο του φυσικού ελκυσμού. Εξαιτίας της συνεχούς ανανέωσης του αέρα, αυτή η τεχνική προτείνεται για περιοχές με μεγάλη υγρασία το καλοκαίρι. Για μέγιστη εκμετάλλευση του φυσικού αερισμού, ακόμα και σε συνθήκες άπνοιας, οι ηλιακές καμινάδες κατασκευάζονται στην προσήλια πλευρά του κτιρίου. Καμινάδα αερισμού. 55

56 Η λειτουργία της καμινάδας αερισμού βασίζεται στο φαινόμενο του φυσικού ελκυσμού. Ο θερμός αέρας του χώρου είναι αραιός και ελαφρύς και έτσι κινείται προς τα επάνω. Το κενό που αφήνει, καλύπτεται από το ψυχρό αέρα που είναι βαρύτερος. Αυτός εισέρχεται από τα ανοίγματα του κτιρίου. Η χρήση αυτής της μεθόδου ενδείκνυται για αστικές πυκνοδομημένες περιοχές, όπου η διεύθυνση και η κίνηση του ανέμου είναι πολύ τυχαία εξαιτίας των εμποδίων που βρίσκει στο πέρασμά του για να βασιστεί αποκλειστικά σε αυτή ο φυσικός αερισμός του κτιρίου. Άλλος παράγοντας που ευνοεί τη χρήση καμινάδων αερισμού στις ίδιες περιοχές είναι τα υψηλά επίπεδα της στάθμης του θορύβου που δεν επιτρέπουν το άνοιγμα των παραθύρων. Ανεμόπυργοι. Οι ανεμόπυργοι κατασκευάζονται έτσι ώστε να κατευθύνουν τον αέρα μέσω καμινάδων από το δώμα στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου. Πολλές φορές συνδυάζονται και με αίθρια. Η κυκλοφορία του αέρα βασίζεται στη διαφορά πίεσης στις πλευρές εισόδου και εξόδου του αέρα. Η αποτελεσματικότητα της λειτουργίας τους αυξάνεται όταν διαθέτουν μεγάλα ανοίγματα υπό κλίση στους κυρίαρχους ψυχρούς ανέμους. Καθώς ο αέρας κατεβαίνει μέσω των καμινάδων στο εσωτερικό του κτιρίου, ψύχεται και έτσι δροσίζει και αερίζει τους εσωτερικούς χώρους. Όταν υπάρχει άπνοια, ο θερμός αέρας του κτιρίου ανεβαίνει και διαφεύγει από τους πύργους, ενώ ψυχρότερος αέρας εισέρχεται από το αίθρια. Η λειτουργία αυτού του συστήματος φυσικού αερισμού απαιτεί μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές. Γι αυτό εφαρμόζεται στην αρχιτεκτονική περιοχών με θερμό και ξηρό κλίμα. Σχήμα Οι μορφές των ειδικών αρχιτεκτονικών κατασκευών που χρησιμοποιούνται για το φυσικό αερισμό των εσωτερικών χώρων. Ο φυσικός αερισμός αποτελεί τη σημαντικότερη τεχνική παθητικού δροσισμού, καθώς από τη σωστή χρήση του εξοικονομούνται μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας από τον περιορισμό της χρήσης των ενεργοβόρων συστημάτων κλιματισμού. Το μόνο μειονέκτημα του φυσικού αερισμού είναι ότι στηρίζεται στην αξιοποίηση της φυσικής ροής του αέρα, η οποία είναι λιγότερο προβλέψιμη και ελεγχόμενη σε σχέση με τα μηχανικά συστήματα αερισμού Συστήματα παθητικού δροσισμού με εξάτμιση. Ο παθητικός δροσισμός με εξάτμιση ή εξατμιστική ψύξη είναι μια πολύ παλιά τεχνική με ρίζες στην παραδοσιακή αρχιτεκτονική πολλών περιοχών. Η λειτουργία της βασίζεται στο φαινόμενο της εξάτμισης του νερού, δηλαδή στην αλλαγή φάσης του από υγρό σε ατμό, για την απομάκρυνση της πλεονάζουσας θερμότητας από το εσωτερικό του 56

57 κτιρίου στο περιβάλλον. Όταν το νερό εξατμίζεται, απορροφά θερμότητα από τον αέρα που βρίσκεται σε επαφή με αυτό, μειώνοντας έτσι τη θερμοκρασία του. Εκτός όμως από την μείωση της θερμοκρασίας του, η εξάτμιση του νερού συντελεί και στην αύξηση της υγρασίας του αέρα, εξαιτίας των υδρατμών που συγκρατεί ο αέρας στη μάζα του. Έτσι είναι αναμενόμενο η τεχνική αυτή να εφαρμόζεται μόνο σε περιοχές με θερμό και ξηρό κλίμα και να αποφεύγεται η χρήση της σε περιοχές με μεγάλη υγρασία. Η εφαρμογή της εξατμιστικής ψύξης γίνεται με την κατασκευή στον περιβάλλοντα χώρο του κτιρίου, τεχνητών λιμνών, πισινών, σιντριβανιών, δεξαμενών, κ.α. Έτσι ο εξωτερικός αέρας ψύχεται πριν εισέλθει στο εσωτερικό του κτιρίου. Για καλύτερα αποτελέσματα, η εξατμιστική ψύξη πρέπει να συνδυάζεται με τεχνικές φυσικού αερισμού. Το νερό όμως μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για να δροσίσει το κέλυφος του κτιρίου. Μια μέθοδος είναι ο ψεκασμός της οροφής με νερό. Το νερό εξατμίζεται και απάγει θερμότητα από το κέλυφος. Ένα ψυχρότερο κέλυφος βοηθά στην απόρριψη της εσωτερικής θερμότητας στο περιβάλλον. Τέλος, σαν τεχνική εξατμιστικής ψύξης μπορεί να θεωρηθεί και η οροφή νερού, η οποία ενεργεί ως σύστημα ψύξης το καλοκαίρι Συστήματα παθητικού δροσισμού από το έδαφος. Σε αυτά τα συστήματα δροσισμού ως δεξαμενή απόρριψης της πλεονάζουσας θερμότητας του κτιρίου χρησιμοποιείται η γη. Αυτό συμβαίνει γιατί το καλοκαίρι το έδαφος έχει μικρότερη θερμοκρασία από εκείνη του αέρα και έτσι η απαγωγή θερμότητας προς το έδαφος ευνοείται περισσότερο. Η ροή θερμότητας από το κτίριο προς τη γη γίνεται με αγωγή μέσω του περιβλήματος του κτιρίου που έρχεται σε επαφή με το έδαφος. Ο δροσισμός από το έδαφος γίνεται με τα ημιυπόσκαφα κτίρια ή με τη χρήση υπόγειων αεραγωγών. Ημιυπόσκαφα κτίρια. Όταν η περιοχή στην οποία κατασκευάζεται ένα κτίριο έχει επικλινές έδαφος, τότε συνίσταται η ημιυπόσκαφη κατασκευή του, η οποία οδηγεί στη μείωση των φορτίων ψύξης και θέρμανσης του κτιρίου. Το καλοκαίρι, η θερμοκρασία του εδάφους κάτω από ένα ορισμένο βάθος είναι χαμηλότερη της αντίστοιχης του αέρα και της επιφάνειας της γης που βρίσκεται σε επαφή με τον αέρα. Έτσι όταν ένα μέρος του κτιριακού κελύφους βρίσκεται μέσα στο έδαφος, η απομάκρυνση της θερμότητας προς τη γη είναι ευκολότερη. Το χειμώνα, η θερμοκρασία του αέρα και της επιφάνειας του εδάφους είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του εσωτερικού εδάφους. Έτσι η ροή της θερμότητας αντιστρέφεται και μεταδίδεται θερμότητα από το έδαφος προς το κτίριο, θερμαίνοντας το εσωτερικό του. Σε περιοχές με ψυχρό κλίμα, η θερμομόνωση του κτιριακού κελύφους που βρίσκεται εντός του εδάφους θεωρείται απαραίτητη για να περιορίζονται οι θερμικές απώλειες προς το έδαφος. Αντίθετα, στις θερμές περιοχές το κέλυφος πρέπει να μένει αμόνωτο για να διευκολύνεται η ροή θερμότητας από το κτίριο προς το έδαφος. Απαραίτητη είναι μόνο η περιμετρική θερμομόνωση του κελύφους που βρίσκεται σε επαφή με την επιφάνεια του εδάφους, ώστε να μην μεταδίδεται θερμότητα προς το κτίριο. Εναλλάκτες εδάφους-αέρα. Είναι ένα σύστημα μεταλλικών ή πλαστικών (PVC) αεραγωγών, οι οποίοι τοποθετούνται κάτω από το έδαφος σε βάθος 1-3m. Με τη βοήθεια ανεμιστήρων, 57

58 εισάγεται εξωτερικός αέρας στο δίκτυο, ψύχεται από τη χαμηλότερη θερμοκρασία του εδάφους και στη συνέχεια εισέρχεται στο εσωτερικό του κτιρίου δροσίζοντας το. Η γη λειτουργεί, έτσι, σαν απαγωγέας θερμότητας του συστήματος. Σχήμα Εναλλάκτης θερμότητας εδάφους-αέρα ανοιχτού κυκλώματος. Το ίδιο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά τους χειμερινούς μήνες σαν σύστημα προθέρμανσης του εξωτερικού αέρα που εισάγεται στο κτίριο, αφού το έδαφος έχει υψηλότερη θερμοκρασία από τον αέρα το χειμώνα. Η πρόψυξη ή προθέρμανση του αέρα που πραγματοποιείται από το σύστημα των υπόγειων αεραγωγών, μειώνει τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ εξωτερικού και εσωτερικού αέρα ελαττώνοντας έτσι την αναγκαία εγκατεστημένη ισχύ των συστημάτων κλιματισμού και θέρμανσης Συστήματα παθητικού δροσισμού με νυχτερινή ακτινοβολία. Η τεχνική αυτή επιτυγχάνει δροσισμό του κτιρίου με την ακτινοβολία μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας από τις εξωτερικές επιφάνειες του κελύφους κατά τη διάρκεια της νύχτας. Ο ουράνιος θόλος λειτουργεί σαν δεξαμενή απαγωγής της θερμότητας, καθώς κατά τη διάρκεια της νύχτας παρουσιάζει μικρότερη θερμοκρασία από το κτίριο. Οι επιφάνειες που έχουν προσανατολισμό προς τον ουρανό ακτινοβολούν τις μεγαλύτερες ποσότητες θερμότητας. Προφανώς, αυτές οι επιφάνειες είναι οι οροφές των κτιρίων. Για να είναι αποτελεσματική η νυχτερινή ακτινοβολία της οροφής, πρέπει αυτή να μην διαθέτει μόνωση. Επειδή όμως η μόνωση της οροφής είναι απαραίτητη για τον περιορισμό των θερμικών απωλειών κατά τη διάρκεια του χειμώνα και των ηλιακών κερδών κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, συνίσταται η τοποθέτηση κινητής μόνωσης στο δώμα ή την οροφή του κτιρίου. Τα πλεονεκτήματά της θα αναλυθούν στη συνέχεια. Οι σημαντικότερες τεχνικές αυτού του είδους παθητικού δροσισμού είναι οι εξής: Κινητή μόνωση. Η κινητή μόνωση αποτελείται από ένα υλικό το οποίο απλώνεται μηχανικά ή χειροκίνητα ώστε να καλύπτει την οροφή ή την ταράτσα του κτιρίου. Το καλοκαίρι, η κινητή μόνωση καλύπτει την οροφή κατά τη διάρκεια της ημέρας ώστε να περιορίζονται τα ηλιακά κέρδη του κτιρίου, ενώ τη νύχτα η μόνωση αφαιρείται ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή ακτινοβολία θερμότητας από την οροφή προς τον ουρανό και να ψύχεται έτσι το κτίριο. Το χειμώνα, κατά τη διάρκεια της ημέρας, η οροφή μένει ακάλυπτη ώστε να απορροφήσει την περιορισμένη ηλιακή ακτινοβολία, ενώ τη νύχτα χρησιμοποιείται 58

59 η κινητή μόνωση για να μειωθεί η ροή θερμότητας από το κτίριο προς το ψυχρότερο περιβάλλον και να διοχετευτεί προς το εσωτερικό του κτιρίου. Μεταλλικός ακτινοβολητής. Αποτελείται από διπλή μεταλλική αυλακωτή πλάκα, η οποία τοποθετείται στην εξωτερική πλευρά της οροφής. Η εξωτερική πλευρά της πλάκας έχει ανακλαστική επιφάνεια, ενώ η εσωτερική πλευρά διαθέτει θερμομόνωση. Η ανακλαστικότητα επιτυγχάνεται με την κάλυψη της εξωτερικής επιφάνειας με οξείδιο τιτανίου, αλουμινίου, ασβεστίου ή ψευδαργύρου. Σχήμα Πιθανές κατασκευές μεταλλικού ακτινοβολητή. Τη νύχτα, η εξωτερική πλευρά ακτινοβολεί μεγάλες ποσότητες θερμότητας προς τον ουρανό. Επίσης, θερμός αέρας από το εσωτερικό του κτιρίου εισάγεται στο σύστημα του μεταλλικού ακτινοβολητή. Αυτός ο αέρας έρχεται σε επαφή με την κρύα εξωτερική πλευρά του ακτινοβολητή, ψύχεται και επαναδιοχετεύεται στο κτίριο. Το σύστημα αυτό λειτουργεί αποτελεσματικά σε περιοχές με θερμό και ξηρό κλίμα, όπου δεν υπάρχει μεγάλη υγρασία. Λευκή οροφή. Ο χρωματισμός της οροφής του κτιρίου με λευκό μονωτικό χρώμα ή ασβέστη αποτελεί την πιο απλή τεχνική παθητικού δροσισμού με νυχτερινή ακτινοβολία. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, ο χρωματισμός της εξωτερικής επιφάνειας της στέγης του κτιρίου με ανοιχτά ή ακόμα καλύτερα με λευκά χρώματα, βοηθά στην απορρόφηση μικρότερης ποσότητας θερμότητας. Άρα η επιφανειακή θερμοκρασία είναι μικρότερη. Αυτή η μικρή αύξηση της θερμοκρασίας της, ευνοεί την εύκολη ψύξη της λευκής οροφής κατά τη διάρκεια της νύχτας με νυχτερινή ακτινοβολία Φυσικός φωτισμός κτιρίων Γενικά. Το ενδιαφέρον για την αξιοποίηση των δυνατοτήτων που προσφέρει ο φυσικός φωτισμός του εσωτερικού των κτιρίων ξεκίνησε μετά τις ενεργειακές κρίσεις της δεκαετίας του 70 και συνεχίζεται μέχρι σήμερα, με την ανάπτυξη νέων τεχνικών εκμετάλλευσης του φυσικού φωτός. 59

60 Πριν τις ενεργειακές κρίσεις, η αρχιτεκτονική των κτιρίων είχε βασιστεί απόλυτα στον τεχνητό φωτισμό των κτιρίων, θέτοντας σε δεύτερη μοίρα το φυσικό φωτισμό. Ο τεχνητός φωτισμός χρησιμοποιούνταν ακόμα και σε περιπτώσεις όπου ο φυσικός φωτισμός ήταν διαθέσιμος και θα μπορούσε να προσφέρει καλύτερα αποτελέσματα. Αποτέλεσμα αυτής της καταχρηστικής χρήσης του τεχνητού φωτισμού ήταν η μεγάλη σπατάλη ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σύγχρονες ανάγκες για εξοικονόμηση ενέργειας και βελτίωση των συνθηκών διαβίωσης και εργασίας εντός των κτιρίων επέτρεψαν στο φυσικό φωτισμό να ανακτήσει την αρχική του θέση σαν κυρίαρχο στοιχείο της αρχιτεκτονικής σύνθεσης των κτιρίων. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η χρήση του φυσικού φωτισμού είναι: Εξοικονόμηση ενέργειας που προέρχεται από την περιορισμένη χρήση του τεχνητού φωτισμού. Μείωση του ψυκτικού φορτίου αφού ο τεχνητός φωτισμός παράγει θερμότητα, αποτελώντας συνεπώς μια σημαντική πηγή εσωτερικών θερμικών κερδών. Βελτίωση των συνθηκών παραμονής και εργασίας των χρηστών, όπως και της ψυχολογικής τους διάθεσης. Το φυσικό φως αναδεικνύει καλύτερα τα χρώματα, τις φόρμες, τα υλικά και την αφή τους σε σχέση με το τεχνητό φως. Επιπλέον, έρευνες έχουν δείξει πως η έκθεση στο φυσικό φως έχει ευεργετικά αποτελέσματα στην ανθρώπινη υγεία και ψυχολογία καθώς βοηθά σημαντικά στην αύξηση της ευδιαθεσίας και παραγωγικότητας των χρηστών. Η χρήση του φυσικού φωτισμού πρέπει να έχει σαν στόχο τη δημιουργία συνθηκών οπτικής άνεσης στο εσωτερικό των κτιρίων με όσο το δυνατόν λιγότερη χρήση συστημάτων τεχνητού φωτισμού. Για την επίτευξη συνθηκών οπτικής άνεσης είναι απαραίτητη η χρήση κατάλληλων τεχνικών, οι οποίες θα εξασφαλίζουν στους εσωτερικούς χώρους την απαραίτητη στάθμη φωτισμού και την ομαλή κατανομή αυτής ώστε να αποφεύγεται το ενοχλητικό φαινόμενο της θάμβωσης. Είναι προφανές πως ο φυσικός φωτισμός δεν μπορεί να καλύψει με μόνη τη δική του δράση τις οπτικές ανάγκες των χρηστών των διάφορων εσωτερικών χώρων. Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις όπου απαιτείται ο συνδυασμός φυσικού και τεχνητού φωτισμού προκειμένου να επιτευχθεί το βέλτιστο αποτέλεσμα. Ακόμα όμως και σε αυτές τις περιπτώσεις, όπου η χρήση του τεχνητού φωτισμού είναι αναπόφευκτη, η αξιοποίηση του φυσικού φωτός βελτιώνει σημαντικά την ενεργειακή συμπεριφορά του κτιρίου. Αν ο συνδυασμός του φυσικού και τεχνητού φωτισμού σχεδιαστεί σωστά και γίνει χρήση κατάλληλων συστημάτων ελέγχου για την αρμονική συνύπαρξή τους, τότε η εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να φτάσει και το 30-50%. Το συμπέρασμα που προκύπτει είναι πως ο φυσικός φωτισμός πρέπει να είναι η βασική επιλογή για το φωτισμού ενός κτιρίου. Ο τεχνητός φωτισμός πρέπει να ενεργεί μόνο συμπληρωματικά προς αυτόν Χαρακτηριστικά φυσικού φωτός. Το φυσικό φως αποτελείται από τρία στοιχεία: το άμεσο ηλιακό φως που είναι το φως που έρχεται απ ευθείας από τον ήλιο, το διάχυτο φως που είναι το αποτέλεσμα της διάχυσης του ηλιακού φωτός στην ατμόσφαιρα και το ανακλώμενο φως που είναι το φως που προκύπτει από την ανάκλαση του ηλιακού φωτός στο έδαφος και σε άλλες επιφάνειες. Το φυσικό φως, όπως ήδη έχει αναφερθεί, είναι πολύ ανώτερο σε ποιότητα του τεχνητού φωτός. Αυτό οφείλεται στη μονοτονία του τεχνητού φωτός. Αντίθετα το φυσικό φως έχει μια δυναμική και μεταβλητότητα αφού αλλάζει συνεχώς ανάλογα με τις συνθήκες του ουρανού. Η κατάσταση αυτή εκφράζεται με την έννοια της λαμπρότητας του ουρανού, 60

61 η οποία εξαρτάται από την ποσότητα και το είδος των νεφών, τις εποχές και άλλους παράγοντες. Μονάδα μέτρησής της είναι το candela/m 2. Η λαμπρότητα όμως αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος κάθε φωτοβολούσας επιφάνειας, είτε παράγει η ίδια το φως, είτε το ανακλά. Ορίζεται σαν ο λόγος της έντασης της φωτεινής πηγής προς την επιφάνειά της. Το μέρος της συνολικής ισχύος που εκπέμπει μια φωτεινή πηγή (στην προκειμένη περίπτωση ο ήλιος), το οποίο προκαλεί φωτεινές εντυπώσεις στον ανθρώπινο οφθαλμό ονομάζεται φωτεινή ισχύς ή ροή. Μπορεί να ορισθεί και σαν ο λόγος της ενέργειας που εκπέμπει η φωτεινή πηγή με τη μορφή φωτός προς τον αντίστοιχο χρόνο εκπομπής. Μονάδα μέτρησης έχει το Lumen (Lm). Η φωτεινή ισχύς που δέχεται μια επιφάνεια προς το εμβαδόν της ονομάζεται ένταση ή στάθμη φωτισμού. Μονάδα μέτρησής της είναι το Lux (Lx). Η μέτρησή της γίνεται με φωτισμόμετρα ή λουξόμετρα. Η στάθμη φωτισμού είναι το βασικό στοιχείο που καθορίζει την οπτική άνεση ενός χώρου και η ενδεικνυόμενη τιμή της για κάθε χώρο διαφέρει ανάλογα με το είδος της δραστηριότητας που πραγματοποιείται εκεί. Η στάθμη φωτισμού σε κάθε σημείο των εσωτερικών χώρων ενός κτιρίου δίνεται από ένα μέγεθος που ονομάζεται παράγοντας φυσικού φωτισμού (Π.Φ.Φ.) και εκφράζεται σαν ποσοστό επί τοις εκατό (%). Ο παράγοντας αυτός ορίζεται ως ο λόγος της έντασης φωτισμού σε ένα σημείο του εσωτερικού χώρου προς την ένταση φωτισμού στο εξωτερικό περιβάλλον, χωρίς εμπόδια την ίδια χρονική στιγμή. Το μέγεθος αυτό χρησιμοποιείται για το χαρακτηρισμό των συνθηκών οπτικής άνεσης ενός εσωτερικού χώρου. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί πως η ποιότητα του φυσικού φωτός επηρεάζεται από την ατμοσφαιρική ρύπανση, καθώς ορισμένοι ρύποι έχουν την ιδιότητα να απορροφούν μέρος της ορατής ηλιακής ακτινοβολίας, αλλοιώνοντας έτσι το φυσικό φως Παράγοντες μεταβολής του φυσικού φωτισμού εσωτερικών χώρων. Το φυσικό φως που εισέρχεται σε έναν εσωτερικό χώρο δεν είναι σταθερό. Το ποσοστό διείσδυσης του και η κατανομή του στο χώρο εξαρτάται από μια σειρά παραμέτρων, των οποίων η μελέτη και σωστή πρόβλεψη θα οδηγήσει στην επιτυχημένη εφαρμογή των τεχνικών φυσικού φωτισμού. Προφανώς, η μελέτη αυτή θα πρέπει να γίνει κατά το αρχικό στάδιο του σχεδιασμού του κτιρίου. Οι παράμετροι αυτοί είναι οι ακόλουθοι: Γεωμετρία εσωτερικών χώρων. Η κατασκευή χώρων με μεγάλο βάθος από το κέλυφος του κτιρίου δεν συνίσταται γιατί ο φυσικός φωτισμός των σημείων του χώρου που βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση από τα περιμετρικά ανοίγματα του κελύφους καθίσταται δυσχερής. Γι αυτό το λόγο προτείνεται η επιλογή κατόψεων σχήματος E, F, U, L, O, H. Σκίαση από φυσικό ή δομημένο περιβάλλον. Εξωτερικά εμπόδια, όπως δέντρα και κτίρια, ελαττώνουν την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω σε ένα κτίριο. Γι αυτό το λόγο, σε αστικές περιοχές που συνήθως είναι πυκνοδομημένες, η ένταση του φυσικού φωτός είναι μικρότερη από ότι στις ανοιχτές περιοχές. Συστήματα σκίασης ανοιγμάτων και όψεων. Την ένταση του φυσικού φωτός μειώνουν και τα συστήματα σκίασης των ανοιγμάτων και των όψεων του κτιρίου όπως είδαμε και σε προηγούμενη παράγραφο. Μάλιστα, σε 61

62 ορισμένες περιπτώσεις υπάρχει ο κίνδυνος η ένταση του φωτισμού να πέσει κάτω από τα αποδεκτά επίπεδα οπτικής άνεσης. Η χρήση κινητών σκιάστρων αντί σταθερών για το σκιασμό των ανοιγμάτων, εξουδετερώνει αυτόν τον κίνδυνο. Τα κινητά σκίαστρα μπορούν να ρυθμιστούν εύκολα ώστε να επιτρέπουν τη διέλευση του φυσικού φωτός όποτε αυτό κρίνεται απαραίτητο. Προσανατολισμός κτιρίου και ανοιγμάτων. Ο βορινός προσανατολισμός προσφέρει ομοιόμορφο και σταθερό φυσικό φωτισμό, καθώς επιτρέπει την είσοδο μόνο της διάχυτης και όχι της άμεσης ακτινοβολίας. Τέτοιος φωτισμός είναι εξαιρετικά χρήσιμος για ειδικούς χώρους όπως είναι τα εργαστήρια. Στην Ελλάδα όμως η διάχυτη ακτινοβολία δεν είναι τόσο μεγάλη όπως στη Βόρεια Ευρώπη, επομένως ο φωτισμός που προέρχεται από το βορινό προσανατολισμό των ανοιγμάτων είναι χαμηλής στάθμης. Μέγεθος, σχήμα και θέση των ανοιγμάτων. Ο φυσικός φωτισμός του εσωτερικού των κτιρίων πρέπει να επιτυγχάνεται χωρίς να γίνεται υπερδιαστασιολόγηση των ανοιγμάτων, γεγονός που θα είχε ως αποτέλεσμα μεγάλες θερμικές απώλειες το χειμώνα και υπερβολικά ηλιακά κέρδη το καλοκαίρι. Ανοίγματα με μεγάλο πλάτος εξασφαλίζουν ομοιόμορφο φωτισμό στο χώρο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ανοίγματα με μεγάλο ύψος προσφέρουν βαθύτερη διείσδυση του φωτός στο χώρο, αλλά αυξάνουν το κίνδυνο θάμβωσης. Η τοποθέτηση των ανοιγμάτων στο μέσο ενός τοίχου προσφέρει καλύτερη κατανομή του φωτισμού, ενώ αν τοποθετηθούν σε γωνιακή θέση περιορίζεται το φαινόμενο της θάμβωσης. Ένας χώρος με ανομοιόμορφο φωτισμό, όπου η ένταση φωτισμού είναι μεγαλύτερη στα σημεία εργασίας, ξεκουράζει το ανθρώπινο μάτι και δημιουργεί φιλικότερο περιβάλλον. Το συνολικό μέγεθος των ανοιγμάτων καθορίζεται από ένα δείκτη που ονομάζεται ποσοστό ανοιγμάτων (ΠΑ). Ο δείκτης αυτός ορίζεται ως ο λόγος της επιφάνειας των ανοιγμάτων προς τη συνολική εξωτερική επιφάνεια των τοίχων. Για τα κτίρια του τριτογενούς τομέα θα πρέπει να ικανοποιείται η σχέση 30% ΠΑ 60% ανεξαρτήτως προσανατολισμού του κτιρίου. Χρωματισμός εσωτερικών επιφανειών. Το χρώμα από το οποίο καλύπτονται οι εσωτερικές επιφάνειες του κτιρίου επηρεάζει την ανάκλαση και διάχυση του φυσικού φωτός. Ανοιχτά και απαλά χρώματα έχουν μεγάλο συντελεστή ανάκλασης και διάχυσης του φωτός, ευνοώντας έτσι τη βαθύτερη διείσδυση του φυσικού φωτός στο χώρο και προσφέροντας ομοιογενή φωτισμό. Αντίθετα, οι σκουρόχρωμοι χρωματισμοί μειώνουν πάντα το φυσικό φωτισμό του χώρου γι αυτό και δεν ενδείκνυνται για χρήση στις εσωτερικές επιφάνειες του κτιρίου. Χρώματα τα οποία είναι κατάλληλα για το βάψιμο της οροφής και των τοίχων του κτιρίου είναι το λευκό και το ανοιχτό μπεζ χρώμα αντίστοιχα. Προσοχή πρέπει να δοθεί και στο υλικό κάλυψης του δαπέδου, το οποίο πρέπει να είναι μάρμαρο ή πλακάκι μεσαίων τόνων. Πρέπει να σημειωθεί πως η απερίσκεπτη επιδίωξη της μεγιστοποίησης του συντελεστή ανάκλασης με την αλόγιστη χρήση ανοιχτόχρωμων και στιλπνών υλικών έχει ως αποτέλεσμα την πρόκληση του φαινομένου της θάμβωσης στο χώρο. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ανοιχτά χρώματα και υλικά δημιουργούν επιφάνειες που χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές λαμπρότητας. 62

63 Μέθοδοι υπολογισμού φυσικού φωτισμού κτιρίων. Η κατανομή του φυσικού φωτισμού σε έναν εσωτερικό χώρο απεικονίζεται στην κάτοψη του χώρου με τη μορφή καμπυλών που ενώνουν σημεία με τον ίδιο παράγοντα φυσικού φωτισμού (ΠΦΦ) ή σε τομή του χώρου με τη μορφή γραφικής παράστασης. Η ένταση του φυσικού φωτισμού (αλλά και του γενικού φωτισμού) σε έναν εσωτερικό χώρο μετράται σε μια οριζόντια επιφάνεια που ονομάζεται επίπεδο μετρήσεως ή στάθμη εργασίας και βρίσκεται σε ύψος 80 εκατοστών από το έδαφος (για κάποιες εξαιρέσεις σε ορισμένες κατηγορίες κτιρίων του τριτογενούς τομέα, βλέπε πίνακα 4.4.). Όπως αναλύθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, η στάθμη και ο παράγοντας φυσικού φωτισμού μειώνονται όσο αυξάνει το βάθος του χώρου από τα ανοίγματα του κελύφους. Σε υφιστάμενα κτίρια, η κατανομή και η στάθμη του φυσικού φωτισμού σε διάφορα σημεία των εσωτερικών χώρων τους μπορούν να μετρηθούν με μια συσκευή που ονομάζεται φωτόμετρο. Κατά το σχεδιασμό νέων κτιρίων, η διανομή του φυσικού φωτός στο εσωτερικό τους μπορεί να προβλεφθεί με τη βοήθεια απλοποιημένων γραφικών μεθόδων υπολογισμού ή με τη χρήση διάφορων λογισμικών πακέτων που έχουν αναπτυχθεί για αυτόν τον σκοπό. Τα λογισμικά αυτά βασίζονται σε μεθόδους υπολογισμού όπως οι μέθοδοι Lumen, Radiosity, Daylight Factor Method, CIE method και άλλες. Οι μέθοδοι αυτοί λαμβάνουν υπ όψιν τους όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν το φυσικό φωτισμό και αναλύθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο και δίνουν αξιόπιστα αποτελέσματα Μέθοδοι φυσικού φωτισμού. Οι κυριότερες τεχνικές αξιοποίησης του φυσικού φωτός για το φωτισμό των κτιρίων είναι οι εξής: Ανοίγματα κτιριακού κελύφους. Τα ανοίγματα που υπάρχουν στο κέλυφος του κτιρίου (σε τοίχους και οροφές) είναι ο πιο απλός και φυσικός τρόπος εισόδου του φυσικού φωτισμού στο εσωτερικό των κτιρίων. Τα πιο συνηθισμένα ανοίγματα είναι τα κατακόρυφα πλευρικά ανοίγματα που σχεδιάζονται στους τοίχους του κτιρίου. Σύμφωνα με την Τεχνική Οδηγία /2010, η περιοχή (ζώνη) φυσικού φωτισμού των κατακόρυφων πλευρικών ανοιγμάτων καλύπτει μέρος του χώρου πάνω από τη στάθμη εργασίας και ορίζεται ως εξής: το βάθος της είναι ίσο με το γινόμενο της απόστασης μεταξύ της στάθμης εργασίας και του ανώτερου σημείου του ανοίγματος επί το συντελεστή 2.5, ενώ το πλάτος της ισούται με το άθροισμα του πλάτους του ανοίγματος και του μισού του βάθους της. Το ήμισυ του βάθους της ζώνης ισομοιράζεται μεταξύ των δύο πλευρών του ανοίγματος. Ασφαλώς η κατανομή του φυσικού φωτός δεν είναι ομοιόμορφη σε όλη την έκταση της οριζόμενης περιοχής. Κοντά στα ανοίγματα η στάθμη φυσικού φωτισμού είναι μέγιστη, ενώ στα πίσω σημεία εξασθενεί σημαντικά. Προκειμένου να εξασφαλίσουμε φυσικό φωτισμό στα μέρη του χώρου τα οποία δεν φωτίζονται από τα περιμετρικά κατακόρυφα ανοίγματα της τοιχοποιίας, αλλά και περισσότερο ομοιόμορφη κατανομή του φυσικού φωτός σε όλο το χώρο, χρησιμοποιούμε ανοίγματα οροφής σε διάφορες μορφές. Αυτές είναι οι ακόλουθες: 63

64 Αξιοποίηση της κεκλιμένης οροφής με κατακόρυφα ανοίγματα στο πάνω μέρος της σοφίτας. Με τη χρήση πολλαπλών ανοιγμάτων οροφής. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιήθηκε πολύ στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις κατά τη διάρκεια των περασμένων δεκαετιών. Σε αυτή την περίπτωση, η διανομή του φυσικού φωτός στο χώρο εξαρτάται από τον αριθμό των ανοιγμάτων και τις μετεωρολογικές συνθήκες. Νεφοσκεπής ουρανός προκαλεί ομοιόμορφο φωτισμό, ενώ αίθριος ουρανός εξαρτά την κατανομή του φωτός από τον προσανατολισμό των ανοιγμάτων. Κατασκευή οριζόντιων ή κεκλιμένων φεγγιτών οροφής στις πλευρές ανυψωμένων τμημάτων της στέγης. Σύμφωνα με την Τεχνική Οδηγία /2010, η περιοχή (ζώνη) φυσικού φωτισμού από τα ανοίγματα οροφής ορίζεται περιμετρικά με την ευθεία που ξεκινά από τα ακραία σημεία του ανοίγματος οροφής και προσπίπτει πάνω στη στάθμη εργασίας με κλίση 30 ο. Ηλιακό αίθριο. Το ηλιακό αίθριο αποτελεί μια πολύ παλιά μέθοδο φυσικού φωτισμού, αερισμού και θέρμανσης, που χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε κτίρια κατοικιών. Τα τελευταία χρόνια, όμως, ένας νέος τύπος αίθριων έχει αρχίσει να βρίσκει εφαρμογή σε ορισμένα κτίρια του τριτογενούς τομέα, όπως εμπορικά κέντρα και κτίρια γραφείων. Αυτά τα αίθρια βρίσκονται στο εσωτερικό των κτιρίων και είναι στεγασμένα. Προσφέρουν τη δυνατότητα τοποθέτησης ανοιγμάτων και προς την πλευρά του αίθριου ενώ ο παλιότερος τύπος αίθριων προσφέρει αυτή τη δυνατότητα μόνο προς την περιφέρεια του κτιρίου ή τη διαμόρφωση ανοικτής κάτοψης σε χώρους εργασίας. Η στέγαση τους γίνεται με διαφανή μονωτικά υλικά που επιτρέπουν τη διέλευση του φυσικού φωτός (ανάλυση αυτών των υλικών θα γίνει στη συνέχεια της παραγράφου), ενώ διαθέτει ανοιγόμενα στοιχεία για φυσικό αερισμό καθώς και συστήματα σκίασης για το σκιασμό του αίθριου όταν αυτό επιβάλλεται από τις εξωτερικές συνθήκες. Ανακλαστήρες φωτισμού. Το σύστημα αυτό αποτελείται από οριζόντιες ανακλαστικές επιφάνειες που στερεώνονται εσωτερικά, εξωτερικά ή ενδιάμεσα του ανοίγματος. Εφαρμόζονται κάτω από φεγγίτες ή στο άνω μέρος του ανοίγματος (περίπου στα 2/3 του ύψους του από το κατώτατο σημείο του). Οι ανακλαστήρες φωτισμού είναι γνωστοί και ως «ράφια» φωτισμού. Προορισμός τους είναι η ανάκλαση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην οροφή και τελικά στο βάθος του χώρου. Έτσι, επιτυγχάνεται πιο ομοιόμορφη κατανομή του φωτός στο χώρο με αύξηση του φωτισμού στις περιοχές μακριά από τα ανοίγματα και μείωση του φωτισμού στις ζώνες των ανοιγμάτων. Ένα πλεονέκτημα της εξωτερικής τοποθέτησης του ανακλαστήρα φωτισμού, σε σχέση με την εσωτερική, είναι ο περιορισμός των ηλιακών κερδών το καλοκαίρι αφού η τοποθέτηση του μπορεί να προβλεφθεί να γίνει με τέτοιο τρόπο ώστε ο ανακλαστήρας να λειτουργεί ως σκίαστρο το καλοκαίρι αποτρέποντας την είσοδο της ηλιακής ακτινοβολίας στο χώρο. Τα «ράφια» φωτισμού χρησιμοποιούν ως ανακλαστική επίστρωση στην πάνω επιφάνεια υλικά με μεγάλο συντελεστή ανακλαστικότητας, όπως καθρέπτες, 64

65 αλουμίνιο, και άλλα λεία μέταλλα. Η επιλογή του υλικού με τον κατάλληλο συντελεστή ανακλαστικότητας πρέπει να γίνεται με προσοχή ώστε να αποφευχθεί πιθανή εμφάνιση φαινομένων θάμβωσης. Η ανακλαστική επιφάνεια πρέπει να διατηρείται πάντα καθαρή ώστε να εξασφαλίζεται η μέγιστη απόδοση του συστήματος. Σχήμα Ανακλαστήρας φωτισμού τοποθετημένος ενδιάμεσα του ανοίγματος. Γενικά, οι ανακλαστήρες φωτισμού ενδείκνυνται για όλους τους εσωτερικούς χώρους με ελεύθερο ύψος τουλάχιστον 3m. Προτείνεται ο συνδυασμός τους με οροφές χρωματισμένες με ανοιχτά χρώματα ή κεκλιμένες οροφές ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη ανάκλαση του φυσικού φωτός. Μετρήσεις και ενεργειακές καταγραφές που έχουν γίνει σε κτίρια που χρησιμοποιούν το συγκεκριμένο σύστημα φυσικού φωτισμού, αποδεικνύουν εξοικονόμηση ενέργειας από τον περιορισμό του τεχνητού φωτισμού έως και 30%. Φωτοσωλήνες. Ο φωτοσωλήνας είναι ένας κενός σωλήνας με εσωτερικά τοιχώματα μεγάλης ανακλαστικότητας, ο οποίος τοποθετείται στην οροφή ενός κτιρίου και μεταφέρει το φυσικό φως στους χαμηλότερους ορόφους. Η λειτουργία του στηρίζεται στις πολλαπλές ανακλάσεις που υφίσταται το φως στα τοιχώματά του, οι οποίες το αναγκάζουν να οδηγηθεί προς το εσωτερικό του κτιρίου. Υπάρχουν φωτοσωλήνες με διαφανή τοιχώματα που λειτουργούν ως γραμμικές φωτεινές πηγές και φωτοσωλήνες με αδιαφανή τοιχώματα από μέταλλο ή ακριλικό πλαστικό. Οι αδιάφανοι σωλήνες διαθέτουν ένα σύστημα κατόπτρων ή ανακλαστήρων στη βάση τους για την καλύτερη διάχυση του φωτός στο χώρο. Στο εσωτερικό των φωτοσωλήνων μπορεί να υπάρχουν οπτικές ίνες που βοηθούν στην αποτελεσματικότερη μεταφορά του φωτός. Επειδή το σύστημα αυτό λειτουργεί μόνον όταν υπάρχει ηλιοφάνεια, έχει προβλεφθεί η τοποθέτηση λαμπτήρων στο εσωτερικό των σωλήνων ώστε η λειτουργία του να είναι δυνατή και σε συνθήκες νεφοσκεπούς ουρανού. Οι απλές εκδοχές των φωτοσωλήνων δεν είναι αποτελεσματικές για μεγάλα μήκη, καθώς το φως εξασθενεί προοδευτικά μετά τις ανακλάσεις του εντός του σωλήνα. Έτσι μπορούν να μεταφέρουν το φυσικό φως συνήθως μέχρι δύο ορόφους χαμηλότερα. Ειδικές κατασκευές όμως που αποτελούνται από φωτοσωλήνες με μεγάλη διατομή και εγκαθίστανται σε αίθρια, είναι κατάλληλες για το φωτισμό πολυώροφων κτιρίων. 65

66 Σχήμα Φωτοσωλήνας που χρησιμοποιείται για το φυσικό φωτισμό των εσωτερικών χώρων πολυώροφων κτιρίων. Ηλιοστάσια. Τα ηλιοστάσια διαθέτουν ένα σύστημα κατόπτρων που είναι ρυθμισμένο να ακολουθεί αυτόματα την κίνηση του ήλιου, συλλέγοντας έτσι τη μέγιστη ποσότητα φυσικού φωτός. Τα κάτοπτρα είναι τοποθετημένα με τέτοιο τρόπο ώστε το φως που συλλέγουν να ανακλάται προς μια συγκεκριμένη επιθυμητή κατεύθυνση. Για παράδειγμα, το ηλιακό φως μπορεί να συγκεντρώνεται στο δώμα ενός κτιρίου και μέσω ανάκλασης να κατευθύνεται προς ένα αίθριο ή ακάλυπτο χώρο από όπου μπορεί να φωτίζει τους χαμηλότερους ορόφους του κτιρίου. Σχήμα Φυσικός φωτισμός χώρων με χρήση ηλιοστασίου. 66

67 Τα ηλιοστάσια τοποθετούνται στις ταράτσες των κτιρίων και μπορούν να συνδυαστούν με άλλα συστήματα αξιοποίησης του φυσικού φωτός, όπως οι ειδικοί φωτοσωλήνες. Σε αυτή την περίπτωση τα ηλιοστάσια χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν το φυσικό φως στην είσοδο των φωτοσωλήνων ώστε αυτοί στη συνέχεια να το μεταφέρουν στο εσωτερικό του κτιρίου. Η χρήση των ηλιοστασίων, σε συνδυασμό με άλλα συστήματα μεταφοράς του φυσικού φωτός στο εσωτερικό των κτιρίων (κυρίως ειδικών φωτοσωλήνων), είναι ιδανική για εφαρμογή στα πολυώροφα κτίρια του τριτογενούς τομέα και των βιομηχανικών εγκαταστάσεων. Διαφανή μονωτικά υλικά. Είναι υλικά με μεγάλη θερμομονωτική ικανότητα που επιτρέπουν τη διέλευση του φυσικού φωτός, αλλά περιορίζουν τη θέα. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται σε ανοίγματα που δεν απαιτείται θέα (π.χ. φεγγίτες) ή αποφεύγεται εσκεμμένα η διαφάνεια ( π.χ. ανοίγματα λουτρών). Υαλοπίνακες ειδικού τύπου. Τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία κατασκευής υαλοπινάκων έχει προοδεύσει με γοργά βήματα και μπορεί πλέον να παρουσιάσει πολλά είδη υαλοπινάκων που χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερες ιδιότητες και δυνατότητες. Πολλοί από αυτούς τους τύπους υαλοπινάκων διαθέτουν χαρακτηριστικά που τους καθιστούν ιδανικούς για την αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού. Τέτοιοι τύποι υαλοπινάκων είναι οι ακόλουθοι: Φωτοχρωμικοί υαλοπίνακες: Η διαπερατότητά τους μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τα επίπεδα φωτισμού στα οποία εκτίθενται. Έχουν άριστα αποτελέσματα στον έλεγχο της θάμβωσης. Υαλοπίνακες ομοιογενούς διάχυσης: Αποτελούνται από διπλό τζάμι με ενδιάμεσο στρώμα κυψελοειδούς υλικού που συλλέγει το φυσικό φως και το αποδίδει στο εσωτερικό του κτιρίου ομοιογενώς. Αντιθαμβωτικοί υαλοπίνακες: Οι υαλοπίνακες αυτοί επιτρέπουν είτε την αύξηση της φωτεινής ροής προς το εσωτερικό των κτιρίων, είτε την καλύτερη κατανομή του φυσικού φωτισμού ελαχιστοποιώντας τα προβλήματα οπτικής θάμβωσης. Τα κυριότερα είδη αντιθαμβωτικών υαλοπινάκων είναι τα ακόλουθα: Διπλοί υαλοπίνακες με εσωτερικά σκίαστρα: Το σύστημα αυτό αποτελείται από διπλό υαλοπίνακα με διάκενο μεταξύ των υαλοπινάκων, όπου τοποθετούνται σκίαστρα με ανακλαστική επιφάνεια. Τα σκίαστρα ανακλούν το άμεσο ηλιακό φως και επιτρέπουν την είσοδο μόνο της διάχυτης ακτινοβολίας στο χώρο, την οποία κατευθύνουν με κατάλληλο τρόπο προς την οροφή με άμεσο αποτέλεσμα τη βελτίωση της κατανομής του φυσικού φωτός στο χώρο. Η θέση των σκιάστρων μπορεί να είναι σταθερή ή να μεταβάλλεται με χρήση διάφορων ηλεκτρικών ή μαγνητικών μηχανισμών. Στη δεύτερη περίπτωση, η θέση τους προσαρμόζεται ανάλογα με τις κλιματικές συνθήκες και τις ανάγκες του χώρου. Το καλοκαίρι που ο 67

68 ήλιος βρίσκεται ψηλά στον ουρανό, η διαπερατότητα του συστήματος είναι μικρή, σε αντίθεση με το χειμώνα, όταν ο ήλιος βρίσκεται χαμηλά. Πρισματικοί υαλοπίνακες: Είναι μια τεχνολογία που έχει ραγδαία εξέλιξη τα τελευταία χρόνια. Κυκλοφορεί σε πολλούς τύπους και παραλλαγές που βασίζονται στο πρισματικό ακρυλικό γυαλί. Ο πρισματικός υαλοπίνακας αποτελείται από πρισματικές επιφάνειες που ανακλούν την προσπίπτουσα άμεση ηλιακή ακτινοβολία, ενώ επιτρέπουν τη διέλευση της διάχυτης ακτινοβολίας. Τα πρισματικά υαλοστάσια χρησιμοποιούνται συνήθως σε ανοίγματα όπου δεν υπάρχουν απαιτήσεις θέας, όπως είναι οι φεγγίτες ή τα ανοίγματα οροφής. Ακόμα, συχνή είναι η χρήση τους σε στεγάσεις αίθριων στα οποία δεν υπάρχει η δυνατότητα εγκατάστασης σκιάστρων, καθώς και σε ανακαινισμένα κτίρια που δεν εγκαθίστανται συστήματα ηλιοπροστασίας για αισθητικούς λόγους. Η πιο συνηθισμένη εφαρμογή τους όμως είναι σε κτίρια γραφείων, σε βιβλιοθήκες και γενικά σε χώρους εργασίας όπου απαιτούνται καλές συνθήκες οπτικής άνεσης, αφού ελαχιστοποιούν τη θάμβωση. Σοβαρότερο μειονέκτημα αυτών των υαλοπινάκων είναι το υψηλό κόστος. Επίσης, ενδεχόμενη ελαττωματική κατασκευή τους μπορεί να οδηγήσει σε ανάλυση της εισερχόμενης δέσμης φωτός με αποτέλεσμα την εμφάνιση των χρωμάτων του ηλιακού φάσματος στους εσωτερικούς χώρους, φαινόμενο εξαιρετικά ανεπιθύμητο σε χώρους όπου απαιτείται η ακριβής απόδοση των χρωμάτων όπως είναι οι χώροι εκθέσεων και τα μουσεία. Σχήμα α) Πρισματικός υαλοπίνακας, β) διπλός υαλοπίνακας με εσωτερικά σκίαστρα και γ) διπλός υαλοπίνακας με εσωτερικό ολογραφικό υμένιο. Διπλοί υαλοπίνακες με εσωτερικό ολογραφικό υμένιο: Οι υαλοπίνακες αυτοί χρησιμοποιούνται για τη διάχυση και την αναδιανομή του άμεσου ή του διάχυτου ηλιακού φωτός μέσα στο κτίριο, αλλάζοντας την κατεύθυνσή του προς συγκεκριμένα σημεία του χώρου. Τοποθετούνται στην οροφή ή σε πλευρικούς τοίχους και χρησιμοποιούνται ως ημιδιαφανή σκίαστρα, τα 68

69 οποία φιλτράρουν επιλεκτικά ορισμένες περιοχές του φωτεινού φάσματος και ανακλούν την θερμική ακτινοβολία, μειώνοντας έτσι τα θερμικά κέρδη, αλλά επιτρέποντας τη διέλευση του διάχυτου ορατού φωτός. Η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται από τη χρήση των τεχνικών φυσικού φωτισμού στις κτιριακές εγκαταστάσεις του τριτογενούς και του βιομηχανικού τομέα εξαρτάται από τις απαιτήσεις οπτικής άνεσης κάθε εσωτερικού χώρου, το φυσικό φως που είναι διαθέσιμο σε κάθε χώρο και τις ώρες λειτουργίας του Η συμμετοχή της βλάστησης στη βιοκλιματική αρχιτεκτονική. Η βλάστηση μιας περιοχής επιδρά σε σημαντικό βαθμό στη διαμόρφωση του μικροκλίματος της περιοχής καθώς παρουσιάζει μια σειρά από δυνατότητες, οι οποίες είναι η ηλιοπροστασία και η ανεμοπροστασία των κτιρίων, η μείωση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, η μείωση του θορύβου, η μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και η προστασία των εδαφών από τη διάβρωση που προκαλούν οι βροχοπτώσεις. Η μείωση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος οφείλεται στο φαινόμενο της εξατμισοδιαπνοής. Η εξατμισοδιαπνοή είναι ένας μηχανισμός που συμμετέχει στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης των φυτών. Με τη φωτοσύνθεση, τα φυτά παράγουν τους απαιτούμενους υδατάνθρακες που χρειάζονται για τη δημιουργία των οργανικών ουσιών που αποτελούν την τροφή τους. Για την πραγματοποίηση της φωτοσύνθεσης απαιτείται εκτός των άλλων νερό. Τα φυτά παίρνουν την απαραίτητη ποσότητα νερού από το έδαφος, μέσω των ριζών τους, και με τη βοήθεια των ξυλωδών σωλήνων τη μεταφέρουν στα φύλλα, όπου γίνεται η φωτοσύνθεση. Αφού το νερό συμμετάσχει στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, αποβάλλεται στη συνέχεια από τα φύλλα με τη μορφή υδρατμών. Για να μετατραπεί το νερό από την υγρή κατάστασή του σε υδρατμούς, απαιτείται θερμότητα. Τη θερμότητα αυτή, την αντλούν τα φυτά από τον αέρα του περιβάλλοντος χώρου και έτσι επιτυγχάνουν τοπική μείωση της θερμοκρασίας. Δεν είναι τυχαίο πως η θερμοκρασία των πάρκων και των αλσών των μεγάλων πόλεων είναι αισθητά χαμηλότερη εκείνης των γειτονικών δομημένων χώρων. Αυτή η αισθητή μείωση της θερμοκρασίας οφείλεται ακριβώς στο φαινόμενο της εξατμισοδιαπνοής των φυτών. Είναι σαφές λοιπόν, πόση σημασία έχει η ύπαρξη πολλών πνευμόνων πρασίνου σε μια πόλη, ώστε η θερμοκρασία της να διατηρείται όσο το δυνατόν χαμηλότερα κατά τη διάρκεια των θερινών μηνών. Η βλάστηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ανεμοπροστασία των κτιρίων. Τα δέντρα, οι θάμνοι και γενικά οι περιφράξεις από διάφορους συνδυασμούς δέντρων και φυτών που χρησιμοποιούνται για την προστασία των κτιρίων από τους ανέμους ονομάζονται ανεμοφράκτες. Βασικά στοιχεία των ανεμοφρακτών, τα οποία καθορίζουν την αποτελεσματικότητα της προστασίας που προσφέρουν στα κτίρια, είναι οι διαστάσεις και η πυκνότητα τους. Το ύψος ενός ανεμοφράκτη είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό του, καθώς η τιμή του καθορίζει τις τιμές των υπόλοιπων χαρακτηριστικών του φράκτη, καθώς και το μέγεθος της ζώνης προστασίας που παρέχει. Συγκεκριμένα, το πλάτος του πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο, με το ιδανικό πλάτος να μην υπερβαίνει το 10% του ύψους του. Για μεγαλύτερα πλάτη ανεμοφρακτών, η ζώνη προστασίας που παρέχουν μειώνεται. Επίσης, το μήκος του ανεμοφράκτη πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με το ενδεκαπλάσιο του ύψους του. Για μικρότερα μήκη η ζώνη προστασίας μειώνεται. Τέλος, οι πλήρεις περιφράξεις πρέπει να αποφεύγονται γιατί προσδίδουν προστασία μόνο σε μια πολύ μικρή απόσταση από αυτές. Οι ανεμοφράκτες με μικρότερη πυκνότητα δέντρων και θάμνων παρέχουν μεγαλύτερη ζώνη προστασίας. Εν κατακλείδι, η μέγιστη ζώνη προστασίας επιτυγχάνεται όταν ικανοποιούνται και τα τρία παραπάνω κριτήρια και είναι ίση με το 69

70 πενταπλάσιο του ύψους του ανεμοφράκτη, ενώ η ταχύτητα του ανέμου μέσα στη ζώνη αυτή είναι μειωμένη κατά 50%. Σχήμα Επίδραση πλάτους και πυκνότητας του ανεμοφράκτη στο μέγεθος της ζώνης προστασίας στα κατάντη. Η ανεμοπροστασία του κτιρίου περιορίζει τις θερμικές απώλειες κατά τη διάρκεια του χειμώνα, συμβάλλοντας στη διατήρηση της θερμότητας στο εσωτερικό του κτιρίου. Μάλιστα, με κατάλληλη φύτευση των δέντρων και των άλλων φυτών γύρω από το κτίριο, μπορούμε να αλλάξουμε τη διεύθυνση των ανέμων. Ως γνωστόν, οι θερινοί άνεμοι φυσάνε από διαφορετικές διευθύνσεις σε σχέση με τους χειμερινούς. Επομένως, με μια κατάλληλη διάταξη του ανεμοφράκτη μπορούμε να κατευθύνουμε τους ανέμους προς την πλευρά του κτιρίου, με σκοπό τη ψύξη του, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού ή να τους απομακρύνουμε από το κτίριο κατά τη διάρκεια του χειμώνα ώστε να περιορίσουμε τις θερμικές απώλειες του. Σημαντική είναι η συνεισφορά της βλάστησης και στη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Όπως είναι γνωστό, η ατμοσφαιρική ρύπανση οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην καύση των ανθρακούχων ορυκτών καυσίμων (στερεών, υγρών, αέριων) με σκοπό την παραγωγή ενέργειας. Από την καύση αυτή, παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και διάφοροι ρύποι (μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου, οξείδια του αζώτου, κ.α.) που προκαλούν προβλήματα τόσο στο περιβάλλον όσο και στον άνθρωπο. Για παράδειγμα, το διοξείδιο του άνθρακα προκαλεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ τα οξείδια του αζώτου προκαλούν σοβαρά αναπνευστικά προβλήματα στον ανθρώπινο οργανισμό που 70

71 μπορούν, υπό προϋποθέσεις, να οδηγήσουν μέχρι και στο θάνατο. Τέλος, σημαντική είναι η μόλυνση της ατμόσφαιρα από τα αιωρούμενα σωματίδια σκόνης. Τα φυτά έχουν την ιδιότητα της απορρόφησης των περισσότερων εξ αυτών των ρύπων, όπως το μονοξείδιο του άνθρακα, τα οξείδια του αζώτου, κ.α. Επίσης, μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης, μπορούν να δεσμεύσουν μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, μειώνοντας έτσι τη συγκέντρωσή του στην ατμόσφαιρα. Επιπλέον, έρευνες έχουν δείξει πως σε ένα δρόμο με μεγάλα και υγιή δέντρα, η συγκέντρωση της σκόνης μπορεί να μειωθεί έως και 7000 σωματίδια ανά λίτρο αέρα. Σχήμα Αλλαγή διεύθυνσης χειμερινών και καλοκαιρινών ανέμων με αειθαλή και φυλλοβόλα δέντρα. Η παρουσία φυτών στους εσωτερικούς χώρους βελτιώνει την ποιότητα του εσωτερικού αέρα αφού τα φυτά απορροφούν και τους διάφορους ρύπους που οφείλονται σε εσωτερικούς παράγοντες. Τέτοιοι ρύποι είναι η φορμαλδεΰδη, το βενζόλιο, το τολουένιο και άλλοι. Έτσι, φαινόμενα όπως πονοκέφαλος, ερεθισμός στα μάτια, ζαλάδα κ.α. που οφείλονται στην κακή ποιότητα του αέρα, περιορίζονται αισθητά Σύνοψη. Το κεφάλαιο αυτό αφιερώθηκε στη μελέτη της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής και στη διεξοδική ανάλυση όλων των τεχνικών που εφαρμόζονται για την παθητική θέρμανση, τον παθητικό δροσισμό και το φυσικό φωτισμό των εσωτερικών χώρων των κτιρίων. Η επιλογή και εφαρμογή των κατάλληλων παθητικών τεχνικών βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής εξαρτάται πρωτίστως από τα κλιματικά δεδομένα της περιοχής. Η θερμοκρασία, η υγρασία, η ηλιοφάνεια και άλλα στοιχεία του κλίματος καθορίζουν τη λειτουργικότητα των συστημάτων, τόσο με την έννοια της δυνατότητας λειτουργίας τους, όσο και με την έννοια της αποτελεσματικότητας της λειτουργίας τους. Επομένως το μέγεθος της εξοικονόμησης ενέργειας εξαρτάται άμεσα από το κλίμα της περιοχής. 71

72 Εύκρατα κλίματα όπου οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι ευνοϊκές (αυξημένη ηλιοφάνεια, δροσεροί καλοκαιρινοί άνεμοι, χαμηλή υγρασία), ευνοούν τη μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας. Βέβαια, πολλές από τις τεχνικές που αναλύθηκαν (κυρίως της παθητικής θέρμανσης), βρίσκουν καλύτερη εφαρμογή στα ψυχρά κλίματα της Βόρειας Ευρώπης, όπως είναι τα θερμοκήπια και τα ηλιακά αίθρια. Η επιλογή και εφαρμογή ενός παθητικού βιοκλιματικού συστήματος εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό και από ανάλυση της σχέσης κόστους-οφέλους από την οποία θα προκύψει ο χρόνος απόσβεσης και επομένως το οικονομικό όφελος της επένδυσης. Ο χαρακτηρισμός «επένδυση» περιγράφει με τον καλύτερο τρόπο τις παθητικές τεχνικές που χρησιμοποιεί η βιοκλιματική αρχιτεκτονική, αλλά και γενικότερα όλες τις επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας σε οποιοδήποτε πεδίο. Αυτό οφείλεται στο αυξημένο αρχικό κόστος που παρουσιάζει η ενσωμάτωσή τους στα κτίρια, νεόδμητα ή υφιστάμενα. Και μπορεί οι απλές τεχνικές (π.χ. ανοίγματα) να μην απαιτούν μεγάλο ποσό χρημάτων, όμως για προχωρημένες μεθόδους, όπως π.χ. ο τοίχος θερμικής αποθήκευσης, τα θερμοκήπια, οι καμινάδες αερισμού, οι φωτοσωλήνες και άλλες, η επένδυση ενός αξιοσέβαστου ποσού είναι απαραίτητη προϋπόθεση. Τέλος, πρέπει να σημειωθεί πως η επιτυχία ή αποτυχία των τεχνικών βιοκλιματικού σχεδιασμού εξαρτάται, ευτυχώς ή δυστυχώς, και από τον παράγοντα «άνθρωπος». Για να αποφέρει ένα παθητικό σύστημα τα αναμενόμενα αποτελέσματα, πρέπει ο χρήστης του κτιρίου να πράξει όσα απαιτούνται από τη δική του πλευρά και κυρίως να μεριμνά για τη συστηματική συντήρηση των βιοκλιματικών συστημάτων, ώστε να βελτιστοποιείται η λειτουργία τους. Παράγοντες που μειώνουν με το πέρασμα του χρόνου την απόδοση των παθητικών συστημάτων, αλλά αντιμετωπίζονται με τη σωστή συντήρηση των συστημάτων, είναι η συγκέντρωση σκόνης σε συστήματα παθητικής θέρμανσης και φυσικού φωτισμού, η δυσλειτουργία των κινητών σκιάστρων των ανοιγμάτων και άλλα. 72

73 6. Επεμβάσεις στο κτιριακό κέλυφος Εισαγωγή. Το κτιριακό κέλυφος είναι το περίβλημα του κτιρίου που διαχωρίζει τους εσωτερικούς χώρους του με το εξωτερικό περιβάλλον. Ο ρόλος του είναι πολυδιάστατος. Καταρχήν, προσφέρει προστασία στους χρήστες του κτιρίου από τα διάφορα περιβαλλοντικά φαινόμενα, παρέχοντας ασφαλείς συνθήκες παραμονής και εργασίας. Ακόμη, απομονώνει τους χρήστες του κτιρίου από τον περίγυρό τους, δίνοντας τους μια αίσθηση ιδιώτευσης και χαλάρωσης. Αποτελεί, δε, το κύριο μέσο αλληλεπίδρασης του κτιρίου με το περιβάλλον. Σε αυτή την αλληλεπίδραση οφείλεται η διαμόρφωση των εσωτερικών συνθηκών του κτιρίου. Αυτές οι συνθήκες όμως, σπάνια ταυτίζονται με τις επιθυμητές συνθήκες θερμικής άνεσης που οφείλουν να επικρατούν σε κάθε κτίριο ή σε κάθε θερμική ζώνη του. Επομένως, απαιτείται η λήψη κατάλληλων μέτρων προκειμένου να επιτευχθεί σύγκλιση των δύο καταστάσεων. Ο εύκολος τρόπος επίτευξης αυτού του στόχου είναι η εκτεταμένη χρήση συστημάτων θέρμανσης και ψύξης. Έτσι, όμως, η κατανάλωση ενέργειας είναι μεγάλη, αφού τα συστήματα αυτά λειτουργούν συνεχώς και σε υψηλό επίπεδο έντασης κατά τη διάρκεια της ημέρας, ελλείψει άλλων λύσεων. Αποτέλεσμα είναι η απώλεια της δυνατότητας εξοικονόμησης ενέργειας. Ο έτερος τρόπος είναι η λήψη μέτρων με στόχο τη βελτίωση των προδιαγραφών του κελύφους. Αυτή η μέθοδος απαιτεί την κατανάλωση μικρότερων ποσοτήτων ενέργειας, αφού τα συστήματα θέρμανσης και ψύξης υποστηρίζονται αποτελεσματικά από ένα κέλυφος με βελτιωμένη θερμική συμπεριφορά. Επομένως, η λειτουργία τους είναι περιοδική και σε χαμηλότερα επίπεδα έντασης. Ο στόχος της εξοικονόμησης ενέργειας έχει επιτευχθεί. Οι κυριότερες εσωκλιματικές παράμετροι που καθορίζουν τη θερμική άνεση ενός εσωτερικού χώρου είναι η θερμοκρασία και η υγρασία. Επομένως, οι παρεμβάσεις που θα πραγματοποιηθούν στα δομικά στοιχεία του κελύφους του κτιρίου, θα πρέπει να έχουν ως στόχο τη διατήρηση των δύο αυτών παραμέτρων στο επιθυμητό, για το κάθε κτίριο ή την κάθε θερμική ζώνη, επίπεδο Υγρομόνωση Γενικά. Οι υδρατμοί αποτελούν την αέρια φάση του νερού. Η παρουσία υδρατμών μέσα στη μάζα του αέρα ονομάζεται υγρασία. Η υγρασία αποτελεί ένα από τα χαρακτηριστικά του κλίματος κάθε περιοχής, επηρεάζοντας έτσι τις περιβαλλοντικές συνθήκες του εκάστοτε τόπου. Η αλληλεπίδραση μεταξύ κτιρίου και εξωτερικού περιβάλλοντος, καθιστά την υγρασία ρυθμιστικό παράγοντα και του εσωτερικού περιβάλλοντος των κτιρίων. Η υγρασία αποτελεί μια σοβαρή απειλή τόσο για το κέλυφος του κτιρίου, όσο και για την υγεία και ευεξία των χρηστών του κτιρίου, όταν το επίπεδο της ξεπεράσει κάποια καθορισμένη τιμή. Οι επιθυμητές τιμές υγρασίας των εσωτερικών χώρων των κτιρίων που περιλαμβάνονται στον πίνακα Π.1. είναι τέτοιες, ώστε η υγρασία να μην αποτελεί κίνδυνο για την υγεία των χρηστών των κτιρίων. Το ίδιο ισχύει για τις επιθυμητές τιμές υγρασίας των χώρων των παραγωγικών μονάδων όπου στεγάζονται οι παραγωγικές διαδικασίες, καθώς η ύπαρξη υγρασίας συνήθως δημιουργεί διάφορα προβλήματα σε αυτές. Η υγρασία οφείλεται στο νερό που διεισδύει με την υγρή ή αέρια φάση του στη μάζα των δομικών υλικών. Το νερό κινείται μέσω των τριχοειδών αγγείων των υλικών όταν είναι σε υγρή φάση και μέσω της διάχυσης των υδρατμών όταν είναι στην αέρια. Έτσι, η 73

74 υγρασία προσβάλει το εσωτερικό των δομικών στοιχείων του κελύφους, αλλά πολλές φορές γίνεται αντιληπτή και στις εξωτερικές και εσωτερικές επιφάνειες του κτιρίου. Οι επιπτώσεις που προκαλεί στην τοιχοποιία και τα άλλα δομικά στοιχεία κυμαίνονται από την απλή καταστροφή του χρώματος των επιφανειών έως και την πλήρη καταστροφή των δομικών υλικών της οικοδομής. Επειδή οι βλάβες που προκαλούνται από την υγρασία είναι σοβαρές και πολλές φορές μη αναστρέψιμες, απαιτείται η θωράκιση του κτιριακού κελύφους έναντι αυτής της απειλής. Η θωράκιση αυτή επιτυγχάνεται με την υγρομόνωση του κελύφους. Η αποτελεσματικότητα της τελευταίας κρίνεται από την ολοκληρωμένη μελέτη της ήδη από τη φάση σχεδιασμού του κτιρίου, την επιλογή των κατάλληλων υλικών για την εφαρμογή της και την σωστή και φροντισμένη τοποθέτησή της κατά τη διάρκεια κατασκευής του κτιρίου Υγρασία και ατμοσφαιρικός αέρας. Η ποσότητα των υδρατμών που περιέχεται στον αέρα, κυμαίνεται από το μηδέν μέχρι μια μέγιστη τιμή, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση του αέρα. Όταν η παρουσία υδρατμών στη μάζα του αέρα είναι μηδενική, τότε ο αέρας ονομάζεται ξηρός. Όταν η ποσότητα των υδρατμών που έχει απορροφήσει ο αέρας έχει φτάσει στη μέγιστη τιμή της, τότε ο ατμοσφαιρικός αέρας έχει φθάσει σε κατάσταση κορεσμού. Όσο πιο θερμός είναι ο αέρας, τόσο μεγαλύτερη ποσότητα υδρατμών μπορεί να συγκρατήσει στη μάζα του. Ο ατμοσφαιρικός αέρας παρουσιάζει κάποια χαρακτηριστικά, τα οποία έχουν σχέση με την υγρασία του και η γνώση τους είναι σημαντική για την περαιτέρω ανάλυση του θέματος. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι τα εξής: Ειδική υγρασία w: Είναι η ποσότητα υδρατμών που περιέχεται σε 1 kg ξηρού αέρα. Μονάδα μέτρησης έχει το [g/kg]. Απόλυτη υγρασία W: Είναι η ποσότητα υδρατμών που περιέχεται σε 1 m 3 ξηρού αέρα. Μονάδα μέτρησης έχει το [g/m 3 ]. Σχετική υγρασία φ: Είναι ο λόγος της ποσότητας υδρατμών που περιέχονται στον ατμοσφαιρικό αέρα, προς τη μέγιστη ποσότητα υδρατμών που μπορεί να απορροφήσει ο αέρας για τις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (κατάσταση κορεσμού). Δίνεται από τη σχέση: φ = 100 (w/w s ) = 100 (p u /p s ) [%] (6.1) όπου, w, η ειδική υγρασία του αέρα, w s, η ειδική υγρασία του κορεσμένου αέρα, p u, η πίεση υδρατμών του αέρα, p s, η πίεση υδρατμών του κορεσμένου αέρα. Προφανώς για την κατάσταση κορεσμού ισχύει φ = 100%. Σημείο δρόσου t dp : Είναι η θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα, στην οποία αρχίζει η συμπύκνωση των υδρατμών (υγροποίηση). Στη θερμοκρασία αυτή, η σχετική υγρασία του ατμοσφαιρικού αέρα είναι πάντα φ = 100%. Μονάδα μέτρησης έχει το [ ο C]. 74

75 Επιφανειακή συμπύκνωση υδρατμών έχουμε όταν στις εσωτερικές επιφάνειες ενός χώρου (τοίχοι, οροφή, παράθυρα) παρατηρούμε σταγόνες νερού, γεγονός που δηλώνει την ύπαρξη υγρασίας. Η συνθήκη για την επιφανειακή συμπύκνωση των υδρατμών είναι η ακόλουθη: t si t dp όπου, t si, η επιφανειακή εσωτερική θερμοκρασία, t dp, το σημείο δρόσου. Επιφανειακή συμπύκνωση υδρατμών έχουμε συνήθως στις επιφάνειες των δομικών στοιχείων που συνιστούν θερμογέφυρες (παράγραφος ), καθώς στις επιφάνειες αυτές η επιφανειακή εσωτερική θερμοκρασία t si πλησιάζει τη θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα t e, η οποία, πολλές φορές κατά τη διάρκεια του χειμώνα, συμβαίνει να είναι ίση ή ακόμα και μικρότερη του σημείου δρόσου t dp Υγρομονωτικά υλικά. Υγρομονωτικά ή στεγανωτικά ή στεγανοποιητικά υλικά ονομάζονται όλα τα ειδικά δομικά υλικά που έχουν σαν κύριο σκοπό την προστασία των κατασκευών από τη διαβρωτική και καταστροφική επίδραση του νερού. Τα στεγανωτικά υλικά είναι κυρίως συνθετικά υλικά. Βάσει της μηχανικής και θερμικής συμπεριφοράς τους, τα συνθετικά υλικά χωρίζονται σε ελαστομερή, θερμοπλαστικά πολυμερή και θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή. Ελαστομερή ή ελαστικά ονομάζονται τα συνθετικά υλικά που παρουσιάζουν μεγάλες και αντιστρεπτές παραμορφώσεις, ακόμα και υπό την άσκηση μικρών τάσεων, χωρίς να επέρχεται θραύση. Όταν θερμαίνονται, δεν μπορούν να διαμορφωθούν. Θερμοπλαστικά πολυμερή ή πλαστομερή ονομάζονται τα συνθετικά υλικά που μπορούν να παραμορφωθούν με αντιστρεπτό τρόπο αφού αρχικά έχουν θερμανθεί. Τέλος, θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή ονομάζονται τα συνθετικά υλικά που μπορούν να παραμορφωθούν με μη αντιστρεπτό τρόπο αφού θερμανθούν. Έτσι, μετά την πήξη τους η παραμόρφωσή τους είναι μόνιμη. Βάσει της μορφής με την οποία είναι διαθέσιμα στο εμπόριο, τα στεγανωτικά υλικά διακρίνονται σε στεγανωτικά υλικά υπό μορφή μεμβρανών (φύλλων) και σε επαλειφόμενα στεγανωτικά υλικά. Κάθε μία από αυτές τις κατηγορίες περιλαμβάνει ένα πλήθος ελαστομερών, θερμοπλαστικών και θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών υλικών. Πέραν των δύο βασικών κατηγοριών, υπάρχουν ακόμη μικρότερες κατηγορίες υγρομονωτικών υλικών όπως είναι τα ασφαλτικά κεραμίδια και τα υλικά για την ελαστική στεγάνωση των αρμών στις κατασκευές. Τα στεγανοποιητικά υλικά που διατίθενται στο εμπόριο υπό μορφή μεμβρανών χρησιμοποιούνται για τη στεγάνωση δωμάτων (ταρατσών), ταρατσόκηπων, υπογείων και τοιχίων. Τέτοια υλικά είναι οι μεμβράνες πολυβινυλοχλωριδίου (PVC), πολυαιθυλενίου, πολυπροπυλενίου και αλουμινίου και οι ασφαλτικές μεμβράνες ή κοινώς ασφαλτόπανα. Τα ασφαλτόπανα είναι ιδιαίτερα δημοφιλή στην Ελλάδα και χρησιμοποιούνται κυρίως για την υγρομόνωση των δωμάτων. Αποτελούνται από ένα πυρήνα οπλισμού (ο οποίος τα προστατεύει από το σχίσιμο και τη διάτρηση) και το ασφαλτικό υλικό που περιβάλλει τον πυρήνα. Διακρίνονται σε ελαστομερή και πλαστομερή. Ο οπλισμός τους επηρεάζει καθοριστικά την ποιότητα και την τιμή τους. Η εφαρμογή των ασφαλτόπανων γίνεται με τη βοήθεια φλόγιστρου προπανίου. 75

76 Μια ειδική υποκατηγορία στεγανωτικών υλικών υπό μορφή μεμβράνης είναι οι μεμβράνες κεραμοσκεπών. Αυτές είναι φύλλα μικρού πάχους και βάρους, σε αντιδιαστολή με τις ασφαλτικές μεμβράνες. Χρησιμοποιούνται κάτω από τα κεραμίδια και πάνω από την θερμομόνωση σαν μια επιπλέον προστασία από το νερό της βροχής. Διακρίνονται σε ασφαλτικές και συνθετικές μεμβράνες κεραμοσκεπών. Οι τελευταίες είναι συνήθως ατμοδιαπερατές. Τα επαλειφόμενα στεγανωτικά υλικά, ελαστομερή και μη, διατίθενται στο εμπόριο σε ημίρρευστη μορφή. Η εφαρμογή τους γίνεται με επάλειψη σε τοίχους, ταράτσες, τοιχία και υπόγεια. Μετά το στέγνωμα τους, τα ελαστομερή επαλειφόμενα υλικά σχηματίζουν μια στεγανή, μόνιμα ελαστική μεμβράνη. Στα επαλειφόμενα στεγανοποιητικά υλικά ανήκουν τα τσιμεντοειδή κονιάματα με στεγανωτικά υλικά, τα στεγανωτικά ακρυλικά χρώματα, τα πολυουρεθανικά ελαστομερή, τα ασφαλτικά ελαστομερή που έχουν ως βάση το νερό, και τα ασφαλτικά γαλακτώματα ή νερόπισσες που χρησιμοποιούνται για το παραδοσιακό μαύρισμα των τοιχίων, αλλά πλέον θεωρούνται ξεπερασμένα. Στην κατηγορία των επαλειφόμενων στεγανωτικών υλικών ανήκουν και όλα τα υλικά που χρησιμοποιούνται κατά το προπαρασκευαστικό στάδιο της υγρομόνωσης και ονομάζονται αστάρια. Τέτοια υλικά είναι τα ασφαλτικά διαλύματα που χρησιμοποιούνται σαν αστάρια για τη συγκόλληση των ασφαλτόπανων. Τα στεγανοποιητικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την ελαστική σφράγιση των αρμών ονομάζονται αλλιώς και σφραγιστικά υλικά ή μαστίχες. Πρόκειται για υλικά υπό μορφή πάστας που όταν σκληρυνθούν παραμένουν μόνιμα ελαστικά και προσαρμόζονται χωρίς πρόβλημα στις συστολές-διαστολές των αρμών, εγγυώμενα παράλληλα την απόλυτη στεγανοποίηση των αρμών. Τέλος, τα ασφαλτικά κεραμίδια χρησιμοποιούνται για την υγρομόνωση στεγών. Οι στέγες πρέπει να έχουν κλίση μεγαλύτερη από 20%. Για μικρότερες κλίσεις έως και 10% χρειάζεται σαν υπόστρωμα μια ελαστομερής μεμβράνη. Η τοποθέτηση ασφαλτικών κεραμιδιών απαιτεί την ύπαρξη ξύλινου υποστρώματος. Η διάρκεια ζωής τους κυμαίνεται από 15 έως 20 χρόνια. Αντέχουν περισσότερο σε περιοχές με λιγότερη ηλιοφάνεια και ζέστη. Πλεονεκτήματα τους είναι το χαμηλό βάρος, η υψηλή αισθητική, η ποικιλία σχεδίων και χρωμάτων και η εύκολη προσαρμογή τους ακόμα και στα πιο πολύπλοκα σημεία της στέγης Είδη υγρασίας και αντίστοιχες τεχνικές υγρομόνωσης του κελύφους. Η υγρασία που εμφανίζεται στις οικοδομές είναι αποτέλεσμα πολλών παραγόντων. Ανάλογα με το αίτιο προέλευσής της, η υγρασία διακρίνεται σε διάφορα είδη, τα οποία είναι δυνατόν να εμφανιστούν ταυτόχρονα σε μια κατασκευή, αν οι αντίστοιχοι παράγοντες εμφάνισής τους είναι ευνοϊκοί. Οι τεχνικές υγρομόνωσης που χρησιμοποιούνται προς αντιμετώπιση της υγρασίας διαφέρουν ανάλογα με το είδος της. Ακολουθεί η ανάλυση των κυριότερων κατηγοριών υγρασίας και των αντίστοιχων τεχνικών υγρομόνωσης: Υγρασία εδάφους. Η υγρασία αυτή οφείλεται σε υπόγεια ή επιφανειακά, στάσιμα ή τρεχούμενα ύδατα, τα οποία δια μέσου των τριχοειδών αγγείων ανεβαίνουν από τη θεμελίωση και προσβάλλουν την τοιχοποιία. Η κατανομή της είναι ομοιόμορφη σε όλο το πάχος του τοίχου και το ύψος μέχρι το οποίο φθάνει εξαρτάται από παράγοντες όπως οι συνθήκες περιβάλλοντος, ο ηλιασμός των τοίχων, το πάχος τους και η ηλικία του κτιρίου. 76

77 Η αντιμετώπιση αυτού του είδους υγρασίας πρέπει να προβλέπεται ήδη από τη φάση σχεδιασμού του κτιρίου και να πραγματοποιείται κατά τη φάση κατασκευής του, καθώς δύσκολα μπορεί να γίνει κάτι μετά την ολοκλήρωση της οικοδομής. Οι τρόποι υγρομόνωσης που χρησιμοποιούνται για αυτήν την περίπτωση είναι οι εξής: Τοποθέτηση οριζόντιου φράγματος υγρασίας σε όλο το πάχος του τοίχου. Τοποθέτηση επαλειφόμενης ή υπό μορφή μεμβράνης, υγρομονωτικής στρώσης στην εξωτερική επιφάνεια της τοιχοποιίας. Κατασκευή περιμετρικής τάφρου έμπροσθεν της τοιχοποιίας. Μείωση της επιφάνειας απορρόφησης. Σχήμα 6.1. Μέθοδοι αντιμετώπισης υγρασίας εδάφους. Αν για οποιαδήποτε αιτία η υγρομόνωση πρέπει να τοποθετηθεί στο κτίριο μετά την κατασκευή του, τότε υποχρεωτικά επαλείφεται η εξωτερική επιφάνεια του τοίχου με στεγανωτικό κονίαμα, αφού έχει αφαιρεθεί ο σοβάς. Υγρασία επιφανειακής συμπύκνωσης υδρατμών. Αυτό το είδος υγρασίας οφείλεται στο φαινόμενο της επιφανειακής συμπύκνωσης των υδρατμών. Οι αιτίες που προκαλούν την εμφάνιση της στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου είναι οι ακόλουθες: Αναπνευστική και θερμορυθμιστική λειτουργία έμψυχων οργανισμών. Ο αέρας που προέρχεται από τους πνεύμονες ανθρώπων και ζώων περιέχει υδρατμούς. Ακόμη, υδρατμοί απελευθερώνονται μέσω των πόρων του δέρματος από τις διαδικασίες της εφίδρωσης και της διαπνοής του. Όταν ο αέρας των εσωτερικών χώρων έχει ήδη υψηλή σχετική υγρασία και επομένως πλησιάζει την κατάσταση κορεσμού, οι υδρατμοί που μπορεί να απορροφήσει είναι μικρής ποσότητας. Οι υπόλοιποι συμπυκνώνονται σε σταγόνες νερού και προκαλούν το φαινόμενο της υγρασίας επιφανειακής συμπύκνωσης υδρατμών. Εξάτμιση οικοδομικών στοιχείων. Τα οικοδομικά στοιχεία, τα οποία δεν έχουν αποβάλλει ακόμα την υγρασία δόμησης, αποτελούν σημαντική πηγή προέλευσης υδρατμών. Επιπλέον, 77

78 υδρατμοί προέρχονται και από δομικά στοιχεία τα οποία εμφανίζουν υγρασία εδάφους ή έχουν ρωγμές. Ανθρώπινες δραστηριότητες. Οι διάφορες δραστηριότητες των ανθρώπων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό ενός οποιουδήποτε κτιρίου και συνήθως απαιτούν διάφορες συσκευές ή συστήματα για την πραγματοποίησή τους παράγουν υδρατμούς. Έναρξη περιόδου θέρμανσης του χώρου. Όταν οι ψυχροί εσωτερικοί χώροι ενός κτιρίου θερμαίνονται, ο αέρας, εξαιτίας της μικρής ειδικής θερμότητας που τον χαρακτηρίζει, θερμαίνεται πιο γρήγορα από τις επιφάνειες των δομικών στοιχείων. Επομένως η επιφανειακή θερμοκρασία των στοιχείων είναι σημαντικά χαμηλότερη από την εσωτερική θερμοκρασία και βρίσκεται πιο κοντά στα επίπεδα του σημείου δρόσου. Απουσία ακτινοβολούμενης θερμότητας από τα δομικά στοιχεία. Σε εσωτερικές περιοχές του περιβλήματος του κτιρίου, όπου ο αέρας είναι εξαιρετικά ήρεμος, υπάρχει έλλειψη ακτινοβολούμενης θερμότητας εκ μέρους των δομικών στοιχείων, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη μη αναθέρμανση του αέρα των περιοχών αυτών και την ενδεχόμενη συμπύκνωση των υδρατμών. Η υγρασία που οφείλεται στην επιφανειακή συμπύκνωση των υδρατμών, προκαλεί την εμφάνιση γκριζόμαυρων κηλίδων στην επιφάνεια των τοίχων και της οροφής, οι οποίες οφείλονται στην ανάπτυξη μυκήτων μούχλας και στην προσκόλληση μορίων σκόνης. Οι κηλίδες αυτές αρχικά είναι πολύ μικρές, αλλά η επιφάνειά τους μεγαλώνει συνεχώς με την μεγέθυνση του φαινομένου. Η υγρασία εμφανίζεται σε σημεία πίσω από: ντουλάπια κουζίνας, έπιπλα σε επαφή με τοίχο, βαριές κουρτίνες, ταπετσαρίες και αλλού. Αποτέλεσμα της υγρασίας αυτής είναι η καταστροφή του χρώματος των τοίχων και της οροφής. Επιπλέον, οι μύκητες μούχλας μπορούν να δημιουργήσουν σοβαρά προβλήματα υγείας στους χρήστες του κτιρίου, πέραν των προβλημάτων που προκαλεί η ίδια η υγρασία ως φαινόμενο. Προς αποφυγή αυτού του είδους υγρασίας πρέπει να εξασφαλίζουμε επιφανειακή εσωτερική θερμοκρασία τοιχωμάτων υψηλότερη του σημείου δρόσου. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με βελτίωση του αερισμού του χώρου, βελτίωση της θερμομόνωσης του κτιριακού κελύφους και καλή θέρμανση του χώρου. Υγρασία εσωτερικής συμπύκνωσης υδρατμών. Η υγρασία εσωτερικής συμπύκνωσης υδρατμών οφείλεται και αυτή στο φαινόμενο της συμπύκνωσης των υδρατμών σε θερμοκρασίες χαμηλότερες του σημείου δρόσου, μόνο που αυτή τη φορά οι υδρατμοί υγροποιούνται στο εσωτερικό της μάζας των δομικών στοιχείων και όχι στην επιφάνειά τους. Η διέλευση των υδρατμών από τη μάζα των δομικών στοιχείων είναι ένα φαινόμενο που οφείλεται στην πάγια ροή των υδρατμών από τη μεγαλύτερη θερμοκρασία προς τη μικρότερη, όπως ακριβώς συμβαίνει με τη θερμότητα. Έτσι, 78

79 το χειμώνα έχουμε ροή υδρατμών από το κτίριο προς το εξωτερικό περιβάλλον, ενώ το καλοκαίρι από το εξωτερικό περιβάλλον προς το κτίριο. Ο ρυθμός διέλευσης των υδρατμών από ένα δομικό στοιχείο (π.χ. τοίχος, οροφή) εξαρτάται από τη συνολική αντίσταση του στοιχείου στη διέλευση των υδρατμών, η οποία είναι το άθροισμα των επιμέρους αντιστάσεων των υλικών που το απαρτίζουν. Η αντίσταση κάθε υλικού είναι το γινόμενο του πάχους του υλικού επί το συντελεστή αντίστασης μ του υλικού στη διέλευση των υδρατμών. Ο συντελεστής μ αποτελεί χαρακτηριστικό στοιχείο κάθε υλικού. Ο ακίνητος αέρας παρουσιάζει το μικρότερο συντελεστή, μ = 1. Η διέλευση των υδρατμών χωρίς τη δημιουργία υγρασίας στο εσωτερικό των στοιχείων, είναι ακίνδυνη. Αντίθετα, η εσωτερική συμπύκνωση των υδρατμών μπορεί να προκαλέσει διάφορες καταστροφές στο κέλυφος του κτιρίου, όπως καταστροφή της μόνωσης, αποσάθρωση της τοιχοποιίας, σκούριασμα των σίδερων και σάπισμα των ξύλων. Τα τοιχώματα του κτιρίου κατασκευάζονται με μια κατάλληλη τεχνική προκειμένου να προστατευτούν από την υγρασία εσωτερικής συμπύκνωσης υδρατμών. Η τεχνική αυτή προβλέπει την τοποθέτηση ενός υδρατμοδιαπερατού επιχρίσματος στην εξωτερική πλευρά του τοίχου και τη χρήση πορωδών υλικών που διευκολύνουν την «αναπνοή» του τοίχου. Η θερμομόνωση τοποθετείται προς την εξωτερική πλευρά του τοίχου, ενώ φράγμα υδρατμών, το οποίο αποτελεί την υγρομόνωση του τοίχου, τοποθετείται προς την εσωτερική πλευρά του. Σχήμα 6.2. Θέση φράγματος υδρατμών στην τοιχοποιία. Το φράγμα υδρατμών είναι ένα λεπτό στρώμα υλικού ή υλικών με μεγάλο συντελεστή αντίστασης στη διέλευση των υδρατμών. Τα υλικά από τα οποία μπορεί να αποτελείται είναι φύλλο αλουμινίου ή PVC ή πολυαιθυλενίου, στεγανωτικό ελαστικό χρώμα (π.χ. αλουμινίου), κ.α. Η χρήση του είναι απαραίτητη σε περιοχές με ηπειρωτικό κλίμα ή με μεγάλη υγρασία, αλλά όχι σε περιοχές με ήπιο κλίμα (π.χ. στα νησιά). Η υγρασία εσωτερικής συμπύκνωσης υδρατμών συμβαίνει κατά τη διάρκεια του χειμώνα εξαιτίας των χαμηλών θερμοκρασιών που επικρατούν, οι οποίες ευνοούν την εμφάνιση θερμοκρασιών εντός των δομικών στοιχείων που να είναι ίσες ή μικρότερες του σημείου δρόσου. Την ίδια χρονική περίοδο οι υδρατμοί ρέουν από το εσωτερικό του κτιρίου προς το περιβάλλον. Η κατεύθυνση της ροής των υδρατμών δικαιολογεί τη θέση τοποθέτησης του φράγματος υδρατμών. 79

80 Γενικότερα, κατά την κατασκευή ενός τοίχου, είναι πάγιος κανόνας η τοποθέτηση των υλικών με το μεγαλύτερο συντελεστή μ (στεγανωτικά υλικά) προς την εσωτερική πλευρά του τοίχου και εκείνων με το μικρότερο συντελεστή λ (θερμομονωτικά υλικά) προς την εξωτερική πλευρά του τοίχου. Τα φράγματα υδρατμών είναι απαραίτητα σε χώρους που παρουσιάζουν μεγάλη σχετική υγρασία όπως τα κλειστά κολυμβητήρια και διάφοροι βιομηχανικοί χώροι. Υγρασία βροχής. Το νερό της βροχής έχει τη δυνατότητα να εισχωρεί στο εσωτερικό των τοιχωμάτων του κτιρίου έως ένα ορισμένο βάθος. Το βάθος αυτό δεν ξεπερνά τα 6-8 cm για ένα σωστά κατασκευασμένο τοίχο. Όταν όμως ο τοίχος παρουσιάζει κατασκευαστικά προβλήματα, τότε μπορεί να παρουσιαστεί υγρασία στην εσωτερική πλευρά του, η οποία οφείλεται είτε στο νερό της βροχής που έχει απορροφήσει ο τοίχος και στη συνέχεια έχει εξατμιστεί, είτε στην εισχώρηση της βροχής σε μεγαλύτερο βάθος από το αναμενόμενο. Τα προβλήματα που μπορεί να παρουσιάζει ο τοίχος, τα οποία ευνοούν τη βαθύτερη διείσδυση του νερού της βροχής είναι η ύπαρξη ρωγμών στους σοβάδες, τα κακής ποιότητας χρώματα και οι έντονα απορροφητικές επιφάνειες. Τα μέτρα υγρομόνωσης που λαμβάνονται κατά τη φάση της κατασκευής ώστε να περιοριστεί η διείσδυση της βροχής στα τοιχώματα είναι τα παρακάτω: Τοποθέτηση συμπαγών τούβλων στην εξωτερική σειρά του τοίχου. Αν γίνει χρήση διάτρητων τούβλων, αυτά πρέπει να τοποθετηθούν με τις οπές σε παράλληλη διεύθυνση προς το μήκος του τοίχου. Επάλειψη και της πλάγιας πλευράς του τοίχου με το συνδετικό κονίαμα για την κάλυψη τυχόν κενών. Τοποθέτηση υγρομονωτικής στρώσης στην εξωτερική πλευρά του τοίχου. Αν τα τοιχώματα και η οροφή παρουσιάζουν προβλήματα όπως ρωγμές και σαθρούς, ρηγματωμένους ή αποκολλημένους σοβάδες, τα οποία εμφανίστηκαν μετά την κατασκευή του κτιρίου, τότε η σφράγιση και στεγάνωσή τους αποτελεί αναγκαίο μέτρο για την προστασία του κτιρίου από την υγρασία του νερού της βροχής (και όχι μόνο). Η στεγάνωση αυτών των ανωμαλιών γίνεται προφανώς με τη χρήση στεγανωτικών στρώσεων. Μη αντιμετώπιση της υγρασίας βροχής μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα από μια απλή αποκόλληση χρώματος μέχρι την πλήρη αποσάθρωση του σοβά. Υγρασία κακοτεχνιών του κτιρίου. Προέλευση αυτού του είδους υγρασίας είναι οι διάφορες κακοτεχνίες και αστοχίες που υπάρχουν στο κέλυφος του κτιρίου, όπως ρωγμές και κενά στις ταράτσες, στα μπαλκόνια, στην τοιχοποιία και στα σημεία επαφής των τοίχων με στοιχεία κατασκευασμένα από σκυρόδεμα (π.χ. πλάκες, δοκοί, κολόνες). Οι κακοτεχνίες αυτές μπορεί οφείλονται στην κακή κατασκευή του κτιρίου ή στην έλλειψη συντήρησης. Άλλη αιτία που προκαλεί υγρασία είναι τυχόν προβλήματα που μπορεί να εμφανιστούν στους σωλήνες των θερμοϋδραυλικών εγκαταστάσεων, τα οποία 80

81 μπορεί να οδηγήσουν σε διαρροή νερού. Επικίνδυνη μπορεί να είναι και η κατάβρεξη των τοίχων με μεγάλες ποσότητες νερού για τον καθαρισμό τους. Η αντιμετώπιση των κακοτεχνιών που υπάρχουν στο κέλυφος γίνεται με τη σφράγιση και τη στεγάνωσή τους. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται στεγανωτικά φύλλα ή επαλειφόμενα στεγανωτικά υλικά, ανάλογα με το σημείο που παρατηρούνται οι ατέλειες Θερμομόνωση Γενικά. Θερμομόνωση ενός δομικού στοιχείου ονομάζεται το σύνολο των μεθόδων και των υλικών που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό της ροής θερμότητας μεταξύ των χώρων εκατέρωθεν του στοιχείου. Η ροή θερμότητας οφείλεται στη θερμοκρασιακή διαφορά που παρατηρείται μεταξύ των δύο χώρων, η οποία προκαλεί τη μετάδοση θερμότητας από το θερμότερο στο ψυχρότερο χώρο, μέσω του δομικού στοιχείου. Η μετάδοση θερμότητας μεταξύ του εξωτερικού και εσωτερικού περιβάλλοντος ενός κτιρίου γίνεται μέσω του κτιριακού κελύφους. Τις ψυχρές ημέρες του έτους, η ροή θερμότητας είναι από το θερμότερο εσωτερικό περιβάλλον προς το ψυχρότερο εξωτερικό περιβάλλον, ενώ τις θερμές ημέρες η ροή είναι αντίθετη. Στην πρώτη περίπτωση, η θερμότητα που διαφεύγει εκτός του κτιρίου ονομάζεται θερμικές απώλειες. Στη δεύτερη περίπτωση, εξωτερικά θερμικά κέρδη. Σκοπός της θερμομόνωσης είναι να ελαχιστοποιήσει τη μετάδοση θερμότητας από το εσωτερικό στο εξωτερικό περιβάλλον και αντίστροφα, περιορίζοντας έτσι τα εξωτερικά θερμικά κέρδη το καλοκαίρι και τις θερμικές απώλειες το χειμώνα. Έτσι περιορίζονται οι ανάγκες του κτιρίου για ψύξη το καλοκαίρι και θέρμανση το χειμώνα, αντίστοιχα. Οι θερμικές απώλειες ενός κτιρίου είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων, οι οποίοι είναι το κλίμα της περιοχής, οι διαστάσεις των εξωτερικών επιφανειών του, η επιθυμητή εσωτερική θερμοκρασία και το είδος των υλικών κατασκευής των δομικών στοιχείων του. Η εξάρτηση των θερμικών απωλειών από το είδος των δομικών υλικών εκφράζεται από το συντελεστή θερμοπερατότητας U των δομικών στοιχείων του κελύφους. Ο συντελεστής θερμοπερατότητας αποτελεί κριτήριο της θερμομονωτικής ικανότητας του δομικού στοιχείου. Ένα μη μονωμένο στοιχείο έχει υψηλό συντελεστή θερμοπερατότητας, δηλαδή μεγάλες απώλειες θερμότητας. Επομένως, η θερμομόνωση του στοιχείου έχει ως άμεσο αποτέλεσμα τη μείωση του συντελεστή θερμοπερατότητας του. Η μείωση του συντελεστή θερμοπερατότητας ενός στοιχείου απαιτεί τη χρήση θερμομονωτικών υλικών για την κατασκευή του στοιχείου, καθώς αυτά χαρακτηρίζονται από πολύ μικρό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, γεγονός που τους προσδίδει μεγάλη αντίσταση θερμοδιαφυγής. Μείωση του συντελεστή θερμοπερατότητας μπορεί να προκύψει και με αύξηση του πάχους των υλικών κατασκευής του δομικού στοιχείου, αλλά αυτή η μέθοδος έχει κόστος χώρου και χρημάτων εξαιτίας της ελάττωσης του ωφέλιμου εσωτερικού εμβαδού και της αύξησης των ποσοτήτων των δομικών υλικών, αντίστοιχα. Μάλιστα, η αντίσταση θερμοδιαφυγής που προκύπτει με χρήση αυτής της μεθόδου έχει μικρότερες τιμές συγκρινόμενη με την προηγούμενη μέθοδο. Επιπλέον, η εξοικονόμηση ενέργειας δεν είναι ανάλογη της αύξησης του πάχους του στοιχείου. Επομένως, η δεύτερη μέθοδος θερμομόνωσης δεν συνίσταται από τεχνοοικονομική άποψη. Θερμομόνωση εφαρμόζεται σε όλα τα δομικά στοιχεία του κελύφους του κτιρίου, διαφανή και αδιαφανή. Στα αδιαφανή δομικά στοιχεία περιλαμβάνονται τα στοιχεία που βρίσκονται σε επαφή με τον εξωτερικό αέρα, αλλά και εκείνα που βρίσκονται σε επαφή με μη θερμαινόμενους εσωτερικούς χώρους ή με το έδαφος. Η εφαρμογή παρεμβάσεων θερμομόνωσης εξαρτάται άμεσα από το αν το κτίριο είναι υπό κατασκευή ή ανακαίνιση. 81

82 Ασφαλώς, στην πρώτη περίπτωση υπάρχει ευρύτερο φάσμα δυνατοτήτων και προοπτικών θερμομόνωσης και αναμένονται σαφώς καλύτερα τελικά αποτελέσματα. Μια επιτυχής θερμομόνωση του κτιρίου έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των λειτουργικών εξόδων για θέρμανση και ψύξη του κτιρίου, καθώς περιορίζει την αντίστοιχη κατανάλωση ενέργειας. Επίσης, μειώνει το κόστος εγκατάστασης συστημάτων θέρμανσης και ψύξης, αφού η απαραίτητη εγκατεστημένη ισχύς και των δύο είναι μικρότερη. Ακόμη, εξαφανίζει τις θερμογέφυρες και πετυχαίνει καλύτερες συνθήκες θερμικής άνεσης στο εσωτερικό του κτιρίου. Η θερμομόνωση έχει, όμως, αντίκτυπο στο κόστος κατασκευής του κτιρίου, το οποίο αυξάνεται. Επομένως, οι τεχνικές θερμομόνωσης που θα εφαρμοστούν σε ένα κτίριο πρέπει να λαμβάνουν υπόψη και τον οικονομικό παράγοντα πέραν του τεχνικού και του ενεργειακού παράγοντα. Η σπουδαιότητα της θερμομόνωσης στην προσπάθεια εξοικονόμησης ενέργειας στον τομέα των κτιριακών εγκαταστάσεων έχει γίνει πλέον ευρέως αντιληπτή και αυτό αντικατοπτρίζεται και στη σχετική νομοθεσία του κράτους. Έτσι, η θερμομόνωση έγινε υποχρεωτική για πρώτη φορά στην Ελλάδα με τη θέσπιση του Κανονισμού Θερμομόνωσης Κτιρίων (Κ.Θ.Κ.) το 1979, ενώ ο Κανονισμός Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (Κ.Εν.Α.Κ.), ο οποίος τέθηκε σε ισχύ το 2010 (αντικαθιστώντας τον Κ.Θ.Κ.), τυποποίησε πλήρως τη θερμομόνωση, προσδιορίζοντας με ακρίβεια και σαφήνεια τις προδιαγραφές και τις απαιτήσεις που πρέπει αυτή να πληρεί Θέση μόνωσης στο περίβλημα του κτιρίου - Θερμογέφυρες. Πριν αναφέρουμε τις διάφορες μεθόδους θερμομόνωσης των δομικών στοιχείων του κτιριακού κελύφους, θα αναλύσουμε τους λόγους για τους οποίους οι δύο κυριότερες τεχνικές θερμομόνωσης των αδιαφανών δομικών στοιχείων βρίσκουν εφαρμογή σε διαφορετικές κατηγορίες κτιρίων. Οι τεχνικές αυτές είναι η εσωτερική και η εξωτερική θερμομόνωση. Αμφότερες οι τεχνικές παρουσιάζουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, τα οποία σε συνδυασμό με άλλους παράγοντες καθορίζουν την επιλογή της θέσης της μόνωσης, στην εξωτερική ή εσωτερική πλευρά του περιβλήματος. Αυτοί οι παράγοντες είναι η χρήση του κτιρίου, η συχνότητα και το ωράριο λειτουργίας του. Επομένως, γίνεται σαφές πως ο τρόπος θερμομόνωσης, ειδικότερα των κτιρίων του τριτογενούς τομέα, διαφέρει ανάλογα με τις ειδικές λειτουργικές συνθήκες που ισχύουν για την κάθε κατηγορία, οι οποίες ευνοούν την επιλογή μιας εκ των δύο μεθόδων. Κύριο γνώρισμα της εσωτερικής θερμομόνωσης είναι η γρήγορη θέρμανση και ψύξη του χώρου. Αιτία είναι η εσωτερική τοποθέτηση της μόνωσης, η οποία εμποδίζει τη μετάδοση και αποθήκευση της ηλιακής ακτινοβολίας που έχει εισχωρήσει στο χώρο, στη μάζα των δομικών στοιχείων. Έτσι η θερμοχωρητικότητά τους παραμένει ανεκμετάλλευτη και η θερμική ενέργεια αποδίδεται άμεσα στο χώρο. Εξαιτίας αυτού του χαρακτηριστικού της η εσωτερική θερμομόνωση είναι άριστη επιλογή για χώρους με περιορισμένο χρονικό διάστημα χρήσης, όπως είναι χώροι συνεδρίων, εκθέσεων, συναυλιών, μουσεία, αίθουσες κινηματογράφου, θέατρα, δικαστήρια και σχολεία. Πλεονεκτήματα της εσωτερικής μόνωσης είναι τα εξής: Απλή και γρήγορη κατασκευή. Οικονομικότερος τρόπος θερμομόνωσης. Δεν απαιτείται προστασία του μονωτικού υλικού από τις καιρικές συνθήκες. Τα μειονεκτήματα της εσωτερικής μόνωσης είναι τα ακόλουθα: 82

83 Κίνδυνος εσωτερικής συμπύκνωσης των υδρατμών και εμφάνισης υγρασίας στο εσωτερικό των δομικών στοιχείων. Μείωση του ωφέλιμου χώρου. Έλλειψη προστασίας των δομικών στοιχείων από τις θερμοκρασιακές μεταβολές και τις καιρικές συνθήκες με πιθανή συνέπεια την εμφάνιση ρωγμών και την είσοδο της βροχής. Μη αντιμετώπιση των θερμογεφυρών και των συνεπειών τους. Θερμογέφυρες ονομάζονται τα σημεία ενός δομικού στοιχείου, τα οποία έχουν αρκετά μεγαλύτερο τοπικό συντελεστή θερμοπερατότητας σε σχέση με τον συντελεστή του υπόλοιπου τμήματός του στοιχείου, με αποτέλεσμα να παρατηρείται μια μεγαλύτερη τοπικά ροή θερμότητας στα σημεία αυτά. Σε αυτές τις θέσεις, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, η επιφανειακή εσωτερική θερμοκρασία t si είναι σημαντικά μικρότερη της αντίστοιχης θερμοκρασίας του υπολοίπου τμήματος του στοιχείου και τείνει να πλησιάσει τη θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος t e. Εάν η θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος t e είναι μικρότερη ή ίση του σημείου δρόσου t dp τότε σε αυτές τις θέσεις έχουμε επιφανειακή συμπύκνωση των υδρατμών και εμφάνιση επιφανειακής υγρασίας. Σχήμα 6.3. Μεταβολή της εσωτερικής επιφανειακής θερμοκρασίας t si σε τοίχωμα με θερμογέφυρες. Συνήθεις θέσεις εμφάνισης των θερμογεφυρών είναι τα πρέκια των ανοιγμάτων και τα σημεία συνάντησης της εξωτερικής τοιχοποιίας με τα στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα, όπως οι πλάκες, τα δοκάρια και οι κολώνες. Η εξάλειψη των θερμογεφυρών και των συνεπειών τους γίνεται με την τοποθέτηση της θερμομόνωσης στην εξωτερική πλευρά του κελύφους. Σχήμα 6.4. Παραδείγματα θερμογεφυρών σε οικοδομή. 83

84 Η τοποθέτηση της μόνωσης εξωτερικά του κελύφους αυξάνει το χρόνο θέρμανσης και ψύξης των εσωτερικών χώρων. Αντίθετα με την εσωτερική μόνωση, εδώ η θερμοχωρητικότητα των δομικών στοιχείων είναι εκμεταλλεύσιμη και έτσι η ηλιακή ακτινοβολία αποθηκεύεται με τη μορφή θερμότητας στη θερμική μάζα του κτιρίου. Η θερμότητα αυτή μεταδίδεται στο εσωτερικό του κτιρίου με σημαντική χρονική καθυστέρηση συνεισφέροντας στη θέρμανσή του τις ώρες που η ηλιακή ακτινοβολία δεν είναι διαθέσιμη. Επομένως, η εξωτερική μόνωση είναι πολύ καλή επιλογή για χώρους με ωράριο λειτουργίας έως αργά το βράδυ ή ακόμα και όλο το 24ωρο. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν όλοι σχεδόν οι εσωτερικοί χώροι των παραγωγικών μονάδων, καθώς και πολλά από τα κτίρια του τριτογενούς τομέα. Τα πλεονεκτήματα της εξωτερικής μόνωσης είναι τα παρακάτω: Ελαχιστοποίηση των θερμογεφυρών (ιδιαίτερα στα σημεία ένωσης της τοιχοποιίας με τα στοιχεία οπλισμένου σκυροδέματος) και των συνεπειών τους (π.χ. υγρασία επιφανειακής συμπύκνωσης υδρατμών). Το κέλυφος του κτιρίου προστατεύεται από τις καιρικές συνθήκες με αποτέλεσμα την επιμήκυνση του χρόνου ζωής του. Η προσθήκη εξωτερικής μόνωσης σε υφιστάμενα κτίρια είναι ευκολότερη γιατί δεν παρεμποδίζεται η εσωτερική λειτουργία του κτιρίου. Αποφεύγονται τυχόν ζημιές της μόνωσης από σωληνώσεις ύδρευσης σε περίπτωση υγρασίας ή παγετού. Το κυριότερο μειονέκτημα της εξωτερικής μόνωσης είναι το υψηλό κόστος, το οποίο οφείλεται στα επιπλέον υλικά που απαιτούνται για την προστασία της μόνωσης από τις καιρικές συνθήκες, αλλά και για τη βελτίωση του αισθητικού αποτελέσματος των όψεων του κτιρίου (ειδικά σε κτίρια με έντονο εξωτερικό μορφολογικό ενδιαφέρον όψεων). Είναι απαραίτητο λοιπόν, να καταβάλλεται κάθε δυνατή προσπάθεια ώστε το κόστος τοποθέτησης της εξωτερικής θερμομόνωσης να διατηρείται όσο το δυνατόν χαμηλότερο. Τέλος, πρέπει να επισημανθεί πως η εσωτερική και η εξωτερική μόνωση είναι οι μόνες δυνατές επιλογές θερμομόνωσης υφιστάμενων κτιρίων (οι υπόλοιπες τεχνικές μόνωσης δομικών στοιχείων που θα αναφερθούν μπορούν να εφαρμοστούν μόνο σε νεόδμητα κτίρια). Εν τούτοις η εφαρμογή εσωτερικής θερμομόνωσης σε υφιστάμενα κτίρια είναι πολλές φορές ασύμφορη ή δύσκολη, έτσι βασική επιλογή σε τέτοιες περιπτώσεις είναι η εξωτερική μόνωση Θερμομόνωση δομικών στοιχείων. Σε αυτήν την παράγραφο περιγράφονται οι τεχνικές θερμομόνωσης όλων των αδιαφανών δομικών στοιχείων του περιβλήματος του κτιρίου. Η θερμομόνωση των διαφανών δομικών στοιχείων, δηλαδή των κουφωμάτων, θα εξεταστεί σε επόμενη ενότητα. Σημαντικό είναι να τονιστεί πως πολλά από τα υλικά που θα αναφερθούν στη συνέχεια ως δημοφιλέστερα μονωτικά υλικά των δομικών στοιχείων, δεν σημαίνει ότι αποτελούν και τις καλύτερες δυνατές επιλογές τόσο από ενεργειακή, όσο και από οικολογική άποψη. Η εδραίωσή τους οφείλεται κυρίως σε λόγους όπως το χαμηλό κόστος, η ανυπαρξία καλύτερων εναλλακτικών λύσεων τα πρώτα χρόνια της θερμομόνωσης και η άγνοια ή επιφυλακτικότητα των μηχανικών για τα νέα και συνήθως καλύτερα από ενεργειακή και οικολογική άποψη μονωτικά υλικά. Εξωτερικές τοιχοποιίες 84

85 Οι τεχνικές μόνωσης που εφαρμόζονται στις εξωτερικές τοιχοποιίες είναι οι εξής: Εσωτερική θερμομόνωση. Το μονωτικό υλικό τοποθετείται στην εσωτερική πλευρά του τοίχου και προστατεύεται από φράγμα υδρατμών και κάποιο στερεό δομικό υλικό (π.χ. γυψοσανίδα) που ενεργεί ως επίχρισμα. Η ανάλυση αυτής της μεθόδου έγινε στην προηγούμενη παράγραφο. Εξωτερική θερμομόνωση. Το μονωτικό υλικό τοποθετείται στην εξωτερική πλευρά του τοίχου και προστατεύεται από τις εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες με επένδυση φύλλων αλουμινίου, ασβεστοτσιμέντο, κ.α. Η ανάλυση αυτής της μεθόδου έγινε στην προηγούμενη παράγραφο. Θερμομόνωση πυρήνα. Η τοποθέτηση του μονωτικού υλικού γίνεται στο κενό που υπάρχει μεταξύ ενός διπλού τοίχου. Ο διπλός τοίχος μπορεί να είναι δρομικός, ορθοδρομικός ή δρομικός-ορθοδρομικός. Μια αποδοτικότερη παραλλαγή αυτής της μεθόδου είναι η πρόβλεψη ενός κενού αέρα λίγων εκατοστών (> 2cm) δίπλα στη μόνωση και μεταξύ των τοίχων. Σε αυτήν την περίπτωση η μόνωση πρέπει να τοποθετηθεί δίπλα στον εσωτερικό τοίχο. Η λύση αυτή δίνει μικρότερο συντελεστή θερμοπερατότητας για την τοιχοποιία από την κλασική επιλογή, αλλά περιορίζει τον ωφέλιμο εσωτερικό χώρο. Σχήμα 6.5. Θερμομόνωση πυρήνα με στρώμα αέρα. Η θερμομόνωση πυρήνα είναι ο συνηθέστερος τρόπος μόνωσης των εξωτερικών τοίχων στην Ελλάδα αφού ικανοποιεί τις μέγιστες ανεκτές τιμές του συντελεστή θερμομόνωσης όπως ορίζονται από τον Κ.Εν.Α.Κ. και επιπλέον το κόστος κατασκευής της είναι μικρότερο της εξωτερικής θερμομόνωσης. Είναι γεγονός όμως πως η θερμομονωτική ικανότητα που έχει είναι κατώτερη της εξωτερικής μόνωσης. Αεριζόμενη θερμομόνωση με προκέλυφος. 85

86 Το μονωτικό υλικό τοποθετείται στην εξωτερική πλευρά του τοίχου και σε απόσταση 2-4cm από αυτό, αναρτάται μια προκατασκευασμένη τοιχοποιία, ώστε στο ενδιάμεσο κενό να επιτρέπεται η κυκλοφορία του εξωτερικού αέρα. Στη φυσική κυκλοφορία και ανανέωση του αέρα του διακένου οφείλονται πολλά από τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής μόνωσης, μεταξύ των οποίων είναι και η προστασία του τοίχου από την εσωτερική συμπύκνωση των υδρατμών. Συνολικά τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής είναι τα εξής: Ελαχιστοποιεί τις θερμογέφυρες με την κάλυψη όλης της εξωτερικής επιφάνειας με μονωτικό υλικό. Εκμεταλλεύεται τη θερμοχωρητικότητα του τοίχου αποτρέποντας τις απότομες θερμοκρασιακές μεταβολές του χώρου. Προστατεύει την τοιχοποιία από την εμφάνιση υγρασίας λόγω εσωτερικής συμπύκνωσης υδρατμών. Το διάκενο αέρα προστατεύει τον τοίχο από υπερθέρμανση το καλοκαίρι, ψύξη το χειμώνα και περιορίζει τις απώλειες που οφείλονται στην υψηλή ταχύτητα του ανέμου. Η αεριζόμενη θερμομόνωση έχει το μεγαλύτερο κόστος κατασκευής αμέσως μετά την εξωτερική μόνωση. Στα θετικά της συγκαταλέγεται και η δυνατότητα εφαρμογής της σε υφιστάμενα κτίρια. Τοιχοποιία από ειδικά δομικά υλικά. Δομικά υλικά όπως θερμομονωτικά τούβλα, ελαφρόπετρα, monoblock και thermoblock, τα οποία έχουν πολύ χαμηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας εξαιτίας του μεγάλου αριθμού κυψελίδων που περιέχουν, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των εξωτερικών τοίχων χωρίς τη χρήση πρόσθετων μονωτικών υλικών. Για ενίσχυση των θερμομονωτικών ικανοτήτων αυτών των υλικών συνίσταται η χρήση μονωτικών επιχρισμάτων. Ο συνδυασμός των θερμομονωτικών υλικών και επιχρισμάτων εξασφαλίζει καλή συμπεριφορά του τοίχου απέναντι σε κάθε είδος υγρασίας, κάλυψη των θερμογεφυρών και επίτευξη του απαιτούμενου συντελεστή θερμοπερατότητας. Βέβαια, ο συντελεστής αυτός είναι μεγαλύτερος από τις προηγούμενες περιπτώσεις, παρόλα αυτά βρίσκεται εντός των επιτρεπτών ορίων. Μειονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι η μικρή θερμοχωρητικότητα της τοιχοποιίας που έχει ως αποτέλεσμα τη γρήγορη ψύξη του χώρου μετά τη διακοπή λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης. Τα θερμομονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον στη μόνωση των εξωτερικών τοίχων του κτιρίου είναι η διογκωμένη πολυστερίνη (felizol), η εξηλασμένη πολυστερίνη (styrofoam), η πολυουρεθάνη και ο υαλοβάμβακας. Στέγες-Δώματα Η θερμομόνωση των δωμάτων και των στεγών έχει μεγάλη σπουδαιότητα για την εξοικονόμηση ενέργειας και τη δημιουργία του απαιτούμενου εσωκλίματος. Η οροφή του κτιρίου πρέπει να εξασφαλίζει υδατοστεγανότητα, να έχει την κατάλληλη κλίση για την απομάκρυνση των νερών της βροχής και καλές θερμικές ιδιότητες για την προστασία των εσωτερικών χώρων από υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες. Τέσσερις είναι οι τεχνικές μόνωσης του δώματος (επίπεδη οροφή) ενός κτιρίου: 86

87 Εσωτερική θερμομόνωση. Η μονωτική στρώση τοποθετείται κάτω από την πλάκα του δώματος και προστατεύεται με φράγμα υδρατμών από την υγρασία που ενδέχεται να προκληθεί εξαιτίας της πιθανής υγροποίησης των υδρατμών που διέρχονται μέσω της πλάκας προς το εξωτερικό περιβάλλον. Οι υπόλοιπες στρώσεις υλικών τοποθετούνται πάνω από την πλάκα. Για την εξασφάλιση της υδατοστεγανότητας της οροφής χρησιμοποιούνται δύο στεγανωτικές στρώσεις από ελαστομερείς οπλισμένες μεμβράνες. Όσα αναφέρθηκαν σε προηγούμενη παράγραφο σχετικά με την εσωτερική μόνωση, ισχύουν και εδώ. Σχήμα 6.6. Δώμα με εσωτερική θερμομόνωση. Εξωτερική θερμομόνωση συμβατικού δώματος. Η θερμομόνωση τοποθετείται πάνω από την πλάκα του δώματος (όπως και οι υπόλοιπες στρώσεις υλικών) και προστατεύεται από φράγμα υδρατμών. Οι δύο στεγανωτικές ελαστομερείς οπλισμένες μεμβράνες βρίσκονται πάνω από τη μόνωση. Όσα αναφέρθηκαν σε προηγούμενη παράγραφο σχετικά με την εσωτερική μόνωση, ισχύουν και εδώ. Σχήμα 6.7. Θερμομόνωση συμβατικού δώματος. Εξωτερική θερμομόνωση ανεστραμμένου δώματος. Αυτή η περίπτωση είναι ίδια με την προηγούμενη, με τη διαφορά πως η μόνωση τοποθετείται πάνω από τις στεγανωτικές στρώσεις. Η παραλλαγή αυτή προσδίδει σχετικά καλύτερες θερμομονωτικές ιδιότητες στο ανεστραμμένο δώμα. Το φράγμα υδρατμών δεν είναι απαραίτητο (το ρόλο του τον αναλαμβάνουν οι στεγανωτικές στρώσεις) και επομένως παραλείπεται. 87

88 Σχήμα 6.8. Θερμομόνωση ανεστραμμένου δώματος. Αεριζόμενη θερμομόνωση με προκέλυφος. Το μονωτικό υλικό τοποθετείται κατευθείαν πάνω στην πλάκα του δώματος, χωρίς την παρεμβολή στεγανωτικών στρώσεων ώστε να διευκολύνεται η αναπνοή του. Πάνω από την θερμομόνωση και σε απόσταση 3-4cm από αυτή, τοποθετείται το προκέλυφος στηριζόμενο σε έδρανα από κεραμικά. Το προκέλυφος εξασφαλίζει την υδατοστεγανότητα της οροφής. Στο διάκενο μεταξύ της μόνωσης και του προκελύφους κυκλοφορεί εξωτερικός αέρας. Τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου μόνωσης δώματος είναι τα ίδια με εκείνα που προσφέρει η αντίστοιχη μόνωση εξωτερικών τοίχων. Αντίθετα όμως με τους εξωτερικούς τοίχους, η αεριζόμενη θερμομόνωση στα δώματα έχει μικρότερο κόστος κατασκευής από τις υπόλοιπες τεχνικές αφού η εφαρμογή της δεν χρειάζεται πολλές από τις στρώσεις υλικών που ήταν απαραίτητες στις υπόλοιπες μεθόδους (π.χ. στεγανωτικές στρώσεις). Τα υλικά που χρησιμοποιούνται κυρίως για τη θερμομόνωση του δώματος είναι πλάκες εξηλασμένης πολυστερίνης, φύλλα υαλοβάμβακα ή πετροβάμβακα και μόνωση με μεταλλικές ίνες. Σε όλες τις μεθόδους χρησιμοποιούνται τσιμεντόπλακες ή χαλίκια ως ανώτερη στρώση προστασίας της όλης κατασκευής. Οι στέγες (κεκλιμένες οροφές) περιλαμβάνουν τριών ειδών κατασκευές. Κεκλιμένες οροφές από οπλισμένο σκυρόδεμα, κεκλιμένες ξύλινες οροφές με πλάκα και κεκλιμένες ξύλινες οροφές χωρίς πλάκα. Οι δύο συνηθέστερες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μόνωση μιας στέγης από οπλισμένο σκυρόδεμα ανήκουν στην κατηγορία της εξωτερικής θερμομόνωσης και είναι οι εξής: Συμβατική θερμομόνωση. Επάνω στο οπλισμένο σκυρόδεμα τοποθετείται το φράγμα υδρατμών και, ακολούθως, κατασκευάζεται ένας ξύλινος ιστός από δοκούς, ανάμεσα στις οποίες τοποθετείται το μονωτικό υλικό. Οι δοκοί και το μονωτικό υλικό καλύπτονται κατόπιν με ένα ξύλινο υπόστρωμα και, επάνω σε αυτό, εφαρμόζεται η στεγανωτική στρώση. Τέλος, γίνεται η τοποθέτηση των κεραμιδιών, τα οποία στερεώνονται πάνω σε οριζόντια πηχάκια. Ανεστραμμένη θερμομόνωση. Σε αυτή τη μέθοδο μόνωσης προβλέπεται η τοποθέτηση της στεγανωτικής στρώσης ακριβώς επάνω στην πλάκα και κάτω από την θερμομόνωση. Έτσι το φράγμα υδρατμών δεν χρειάζεται και παραλείπεται. Στη συνέχεια κατασκευάζεται 88

89 ο ξύλινος ιστός από δοκούς μεταξύ των οποίων τοποθετείται το μονωτικό υλικό και αυτά καλύπτονται από ξύλινο υπόστρωμα (εδώ υπάρχει και η επιλογή να μην χρησιμοποιηθεί καθόλου ξύλινο υπόστρωμα). Κατόπιν στερεώνονται τα οριζόντια πηχάκια και, επάνω σε αυτά, τοποθετούνται τα κεραμίδια. Η τεχνική αυτή έχει σχετικά καλύτερη μονωτική ικανότητα από τη συμβατική μόνωση. Σχήμα 6.9. Συμβατική θερμομόνωση κεκλιμένης οροφής από οπλισμένο σκυρόδεμα. Πέραν όμως των τεχνικών εξωτερικής θερμομόνωσης, υπάρχει και η εσωτερική θερμομόνωση στέγης, όπου η θερμομονωτική στρώση τοποθετείται στην εσωτερική πλευρά της κεκλιμένης πλάκας από μπετόν αρμέ. Ασφαλώς, συνοδεύεται από φράγμα υδρατμών τοποθετημένο στην κάτω πλευρά της και υγρομονωτική στρώση στην άνω πλευρά της. Οι περιπτώσεις χρήσης αυτής της τεχνικής έχουν ήδη αναφερθεί. Οι ξύλινες στέγες με πλάκα διακρίνονται, ανάλογα με τη θέση τοποθέτησης της θερμομόνωσης, σε ψυχρές και θερμές. Στις ψυχρές στέγες, το μονωτικό υλικό τοποθετείται στο επίπεδο της οροφής του κτιρίου. Η υγρομονωτική στρώση τοποθετείται στη στέγη, κάτω από τα κεραμίδια. Στο διάκενο που υπάρχει μεταξύ των δύο στρώσεων μπορεί να κυκλοφορεί ή όχι, εξωτερικός αέρας. Στην πρώτη περίπτωση, η στέγη ονομάζεται αεριζόμενη ψυχρή στέγη. Στις θερμές στέγες, η θερμομονωτική στρώση τοποθετείται κάτω ακριβώς από την υγρομονωτική στρώση, δηλαδή στο επίπεδο της στέγης και όχι της πλάκας, χωρίς να υπάρχει διάκενο μεταξύ τους. Το πλεονέκτημα της θερμής στέγης έναντι της ψυχρής είναι η δυνατότητα που προσφέρει για την αξιοποίηση του χώρου της σοφίτας ως χώρου διαβίωσης. Από την άλλη πλευρά, η ψυχρή στέγη συνεισφέρει στην αντιμετώπιση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας. Στη στέγη που είναι κατασκευασμένη από ξύλο, επάνω στους αμείβοντες (λοξά ξύλινα δοκάρια), τοποθετείται το σανίδωμα. Αυτό, ακολούθως, καλύπτεται από το φράγμα υδρατμών και πάνω από το τελευταίο τοποθετείται η στρώση μονωτικού υλικού. Κατόπιν εφαρμόζεται η στεγανωτική στρώση και τέλος τοποθετούνται οι τεγίδες (ξύλινες δοκοί), τα πηχάκια και τα κεραμίδια. Μια θερμομονωτική λύση, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί στις στέγες των κτιρίων, είναι και το φράγμα ακτινοβολίας (παράγραφος ). Η τεχνική αυτή όμως, είναι κατάλληλη μόνο για θερμά κλίματα όπου προέχει η ψύξη του κτιρίου. Θερμομονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μόνωση στεγών είναι φύλλα υαλοβάμβακα ή πετροβάμβακα και πλάκες εξηλασμένης ή διογκωμένης πολυστερίνης. Η επιλογή των κατάλληλων μονωτικών υλικών για κάθε εφαρμογή εξαρτάται από το είδος της στέγης και τον τρόπο θερμομόνωσής της. Για παράδειγμα, η 89

90 χρήση αφρώδων οργανικών μονωτικών υλικών σε ξύλινες στέγες αντενδεικνύεται εξαιτίας της εύφλεκτης φύσης τους. Οι μεμβράνες που χρησιμοποιούνται για την προστασία της στέγης από το νερό της βροχής είναι συνήθως μεμβράνες κεραμοσκεπών. Ωστόσο πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην επιλογή των κατάλληλων, για την κάθε εφαρμογή, μεμβρανών. Για παράδειγμα, οι ασφαλτικές μεμβράνες κεραμοσκεπών πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο σε ψυχρές στέγες, οι οποίες εξασφαλίζουν επαρκή αερισμό και των δύο πλευρών της μεμβράνης. Οι ατμοδιαπερατές μεμβράνες (δηλαδή οι συνθετικές) πρέπει υποχρεωτικά να χρησιμοποιούνται σε θερμές και σε μη αεριζόμενες ψυχρές στέγες, ώστε να διευκολύνουν την απομάκρυνση των υδρατμών. Τέλος, μια έξυπνη επιλογή υγρομόνωσης στεγών είναι η χρήση ασφαλτικών κεραμιδιών. Δάπεδα Σημαντική για την αναβάθμιση της ενεργειακής απόδοσης του κτιρίου θεωρείται η θερμομόνωση του δαπέδου του. Τα δάπεδα που βρίσκονται σε επαφή με τον εξωτερικό αέρα (πυλωτές) ή με μη θερμαινόμενους χώρους (υπόγεια) πρέπει απαραίτητα να μονώνονται. Αντίθετα, η μόνωση των δαπέδων που βρίσκονται σε επαφή με το έδαφος δεν είναι αναγκαία. Μάλιστα, ένα αμόνωτο, σε επαφή με τη γη δάπεδο, μπορεί να εκμεταλλευτεί τη μεγάλη θερμοχωρητικότητα του εδάφους προς βελτίωση της θερμικής συμπεριφοράς του. Γνωρίζουμε ότι οι μεγάλες τιμές θερμοχωρητικότητας αποτρέπουν τις απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας του στοιχείου. Έτσι, το χειμώνα η θερμοκρασία του εδάφους είναι μεγαλύτερη της αντίστοιχης του εξωτερικού αέρα, συνεισφέροντας στη θέρμανση του κτιρίου, ενώ το καλοκαίρι είναι μικρότερη της θερμοκρασίας του εξωτερικού αέρα, διευκολύνοντας την απομάκρυνση της πλεονάζουσας θερμότητας από το εσωτερικό του κτιρίου. Η θερμομόνωση ενός δαπέδου που έρχεται σε επαφή με τον εξωτερικό αέρα ή με μη θερμαινόμενο χώρο μπορεί να είναι εσωτερική ή εξωτερική. Για τις δύο τεχνικές ισχύουν όσα ήδη έχουμε αναφέρει σε προηγούμενη παράγραφο. Σχήμα Εξωτερική θερμομόνωση δαπέδου που βρίσκεται σε επαφή με μη θερμαινόμενο χώρο. Σχήμα Εσωτερική θερμομόνωση δαπέδου που βρίσκεται σε επαφή με μη θερμαινόμενο χώρο. 90

91 Τα θερμομονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μόνωση των δαπέδων είναι ανόργανα ινώδη υλικά (υαλοβάμβακας, πετροβάμβακας, διογκωμένος περλίτης) και οργανικά αφρώδη υλικά (διογκωμένη και εξηλασμένη πολυστερίνη) Ανοίγματα κτιριακού κελύφους Γενικά. Ένα από τα στοιχεία αρχιτεκτονικής ενός κτιρίου που έχει εξαιρετική σημασία όσον αφορά τη λειτουργικότητα του κτιρίου είναι το σύνολο των ανοιγμάτων του. Στο προηγούμενο κεφάλαιο μελετήσαμε διεξοδικά τη σημασία που έχουν τα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά των ανοιγμάτων (όπως είναι η θέση, το μέγεθος και ο προσανατολισμός τους) για ορισμένες πτυχές ενός σωστού βιοκλιματικού σχεδιασμού κτιρίων, όπως είναι ο φυσικός φωτισμός και η παθητική θέρμανση. Στο ίδιο κεφάλαιο εξετάστηκε και το θέμα της σκίασης των ανοιγμάτων. Η παρούσα ενότητα καταπιάνεται κυρίως με τις ιδιότητες και τις δυνατότητες των δομικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των ανοιγμάτων και των συνθετικών στοιχείων που τα αποτελούν. Η επιφάνεια των ανοιγμάτων καλύπτεται από τα διαφανή δομικά στοιχεία, τα οποία ονομάζονται υαλοστάσια ή κουφώματα. Τα υαλοστάσια αποτελούνται από τους υαλοπίνακες (τζάμια) και τα πλαίσια, στα οποία προσαρμόζονται οι υαλοπίνακες. Εξαιτίας της μεγάλης σπουδαιότητας των υαλοστασίων στο θέμα της εξοικονόμηση ενέργειας, οι τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα αυτό υπήρξαν ραγδαίες σε σχέση με τα υπόλοιπα δομικά στοιχεία. Αποτέλεσμα αυτού ήταν η κατασκευή και χρήση νέων, αναβαθμισμένων πλαισίων στα υαλοστάσια, καθώς και η δημιουργία ενός πλήθους υαλοπινάκων με διαφορετικές ιδιότητες και εφαρμογές. Στις αμέσως επόμενες παραγράφους θα μελετήσουμε αναλυτικά τόσο τα πλαίσια, όσο και τους υαλοπίνακες των κουφωμάτων. Ιδιαίτερη αναφορά θα γίνει στα κτίρια με γυάλινες προσόψεις, κατασκευές πολύ συνηθισμένες στον τριτογενή και τον παραγωγικό τομέα, οι οποίες παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για την εξοικονόμηση ενέργειας Πλαίσια. Πλαίσιο ονομάζεται το τμήμα του υαλοστασίου, στην εσωτερική περίμετρο του οποίου προσαρμόζεται ο υαλοπίνακας. Τα πρώτα πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα ξύλινα πλαίσια. Κατόπιν εμφανίστηκαν τα μεταλλικά πλαίσια (αρχικά σιδερένια και έπειτα αλουμινίου) και πλέον είναι διαθέσιμα και τα συνθετικά (πλαστικά) πλαίσια. Η ανάγκη για την ελαχιστοποίηση της θερμοπερατότητας των υαλοστασίων υπήρξε ο κινητήριος μοχλός για τις συνεχείς προσπάθειες εύρεσης νέων αναβαθμισμένων τύπων πλαισίων. Προφανώς, αφού τα πλαίσια συνιστούν τμήμα των κουφωμάτων, είναι αναμενόμενο ο συντελεστής θερμοπερατότητας του πλαισίου να επηρεάζει το συνολικό συντελεστή θερμοπερατότητας του κουφώματος. Ο συντελεστής θερμοπερατότητας ενός κουφώματος δίνεται από τη σχέση: U w = (A f U f +A g U g )/A w [W/(m 2 K)] (6.2) όπου, U w, ο συντελεστής θερμοπερατότητας όλου του κουφώματος, U f, ο συντελεστής θερμοπερατότητας του πλαισίου, U g, ο συντελεστής θερμοπερατότητας του υαλοπίνακα, A w, το εμβαδό του κουφώματος, 91

92 A f, η επιφάνεια του πλαισίου, A g, η επιφάνεια του υαλοπίνακα. Τα μεγέθη A f και A g συνήθως εκφράζονται ως ποσοστά της συνολικής επιφάνειας του κουφώματος A w. Από τη σχέση (6.2) διαπιστώνουμε πως η ενεργειακή συμπεριφορά ενός κουφώματος εξαρτάται από τη θερμοπερατότητα του πλαισίου. Ο βαθμός εξάρτησης κυμαίνεται ανάλογα με το ποσοστό του υαλοστασίου το οποίο καταλαμβάνει το πλαίσιο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το πλαίσιο καλύπτει ακόμα και το 30% της επιφάνειας του ανοίγματος, επομένως υψηλή τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας του πλαισίου μειώνει δραματικά τη θερμομονωτική ικανότητα του υαλοστασίου. Οι κυριότεροι τύποι πλαισίων που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι ακόλουθοι: Ξύλινα πλαίσια. Τα κατασκευασμένα από ξύλο πλαίσια ήταν, χρονικά, τα πρώτα πλαίσια που εμφανίστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στις οικοδομές. Τέτοιου είδους πλαίσια είναι ανοιγόμενα ή ανακλινόμενα, ενώ περιμετρικά της εσωτερικής πλευράς τους, δηλαδή εκεί όπου αυτή εφάπτεται στον τοίχο, τοποθετείται αρμοκάλυπτρο. Το μεγάλο πλεονέκτημα των ξύλινων πλαισίων, σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο τύπο πλαισίου, είναι η εξαιρετική θερμομονωτική ικανότητα που διαθέτουν. Συνέπεια αυτού, είναι, οι θερμικές απώλειες που οφείλονται στην θερμοπερατότητα της επιφάνειας των πλαισίων να είναι μικρές. Επιπρόσθετο πλεονέκτημα των ξύλινων πλαισίων είναι το χαμηλό ενεργειακό κόστος τους και η φιλική συμπεριφορά τόσο ως προς τον άνθρωπο, όσο και ως προς το περιβάλλον καθ όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Το σπουδαιότερο μειονέκτημα των ξύλινων πλαισίων είναι η μειωμένη αεροστεγάνωση που προσφέρουν στο κτίριο, γεγονός που επιτρέπει την διείσδυση του εξωτερικού αέρα μέσω των χαραμάδων των κουφωμάτων του κελύφους (συναρμογές κουφωμάτων με περιμετρικά δομικά στοιχεία, συναρμογή κινητών φύλλων κουφωμάτων με σταθερά πλαίσια κουφωμάτων) στο εσωτερικό του κτιρίου. Η είσοδος του εξωτερικού αέρα αυξάνει σημαντικά τις θερμικές απώλειες του κτιρίου, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, που οφείλονται στον φυσικό αερισμό, ενώ συντελεί και στην υπερθέρμανση του κτιρίου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Από την άλλη, η έλλειψη πλήρους αεροστεγάνωσης συνεισφέρει στη βελτίωση της ποιότητας του αέρα των εσωτερικών χώρων λόγω της συνεχούς ανανέωσης του εσωτερικού αέρα με νωπό αέρα περιβάλλοντος. Σε όσα κτίρια του τριτογενούς τομέα δεν προβλέπεται φυσικός αερισμός, τα ξύλινα πλαίσια δεν περιλαμβάνονται, φυσικά, στις επιλογές πλαισίων προς χρήση. Μεταλλικά πλαίσια. Τα μεταλλικά πλαίσια ήταν τα αμέσως επόμενα, χρονικώς, πλαίσια που εμφανίστηκαν στην κατασκευή των υαλοστασίων. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν σιδερένια πλαίσια, αλλά πλέον κυριαρχούν τα πλαίσια αλουμινίου. Τα πλαίσια αυτά μπορεί να είναι συρόμενα, ανοιγόμενα ή ανοιγοανακλινόμενα (ανοιγόμενα με μηχανισμό ανάκλισης). Τα ανοιγόμενα πλαίσια είναι ακριβότερα των συρόμενων, αλλά παρουσιάζουν καλύτερη θερμομονωτική συμπεριφορά. Η πλήρης κυριαρχία των πλαισίων αλουμινίου στην οικοδομική δραστηριότητα οφείλεται στην πλήρη στεγάνωση που προσφέρουν από αέρα και νερό. Οι χαραμάδες των ξύλινων πλαισίων, οι οποίες επέτρεπαν το φυσικό αερισμό των εσωτερικών χώρων του κτιρίου, εδώ δεν υπάρχουν. Άρα, και οι αντίστοιχες 92

93 θερμικές απώλειες είναι μηδενικές. Από την άλλη όμως, η έλλειψη χαραμάδων δεν επιτρέπει την ανανέωση του εσωτερικού αέρα με νωπό αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και έτσι απαιτείται η χρήση άλλων τεχνικών φυσικού και τεχνητού αερισμού για την απαιτούμενη ανανέωση του εσωτερικού αέρα. Σε όσα κτίρια του τριτογενούς τομέα οι απαιτήσεις σε νωπό αέρα καλύπτονται πλήρως από σύστημα μηχανικού αερισμού, τα πλαίσια αλουμινίου είναι κανόνας. Άλλο πλεονέκτημα των πλαισίων αλουμινίου είναι ότι δεν απαιτείται συντήρησή τους. Το σοβαρότερο μειονέκτημα των μεταλλικών πλαισίων είναι η μειωμένη θερμομονωτική ικανότητα που παρουσιάζουν. Μάλιστα, η θερμομονωτική ικανότητα των μεταλλικών πλαισίων είναι αρκετά χαμηλότερη εκείνης των ξύλινων πλαισίων. Το μειονέκτημα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με την τοποθέτηση ενός κομματιού πολυαμιδίου (είδος PVC) μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού προφίλ αλουμινίου του πλαισίου. Η προσθήκη αυτή ονομάζεται θερμοδιακοπή. Το πολυαμίδιο είναι κακός αγωγός της θερμότητας, περιορίζοντας έτσι τις θερμικές απώλειες διαμέσου του πλαισίου του υαλοστασίου. Βεβαίως, με την επέμβαση αυτή, το κόστος του πλαισίου θα αυξηθεί. Συνθετικά πλαίσια. Τα συνθετικά πλαίσια είναι σχετικά μια σύγχρονη κατασκευή, η οποία συνδυάζει τη χαμηλή θερμική αγωγιμότητα των ξύλινων πλαισίων και την ευκολία κατασκευής των μεταλλικών πλαισίων. Η παραγωγή τους γίνεται από πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC) και ενισχύονται από μεταλλικές διατομές από αλουμίνιο ή γαλβανισμένο χάλυβα. Πλεονεκτήματα των συνθετικών πλαισίων είναι η καλή θερμομονωτική συμπεριφορά που παρουσιάζουν, η οποία είναι σχεδόν ίση με εκείνη των ξύλινων πλαισίων, η άριστη στεγανότητα που προσφέρουν στο κτίριο από αέρα και νερό και έλλειψη απαίτησης συντήρησης. Βλέπουμε λοιπόν, πως τα συνθετικά πλαίσια συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των μεταλλικών και των ξύλινων πλαισίων, ενώ δεν παρουσιάζουν κανένα από τα μειονεκτήματά τους. Το μόνο μειονέκτημα των συνθετικών πλαισίων είναι πως δεν είναι φιλικά προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο, καθώς το πολυβινυλοχλωρίδιο έχει χείριστες περιβαλλοντικές επιδόσεις και δημιουργεί σοβαρά προβλήματα σε ολόκληρη τη διάρκεια ζωής του. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται οι τιμές του συντελεστή θερμοπερατότητας των παραπάνω πλαισίων, όπως αυτές καθορίζονται από την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010. Πίνακας 6.1. Τιμές του συντελεστή θερμοπερατότητας πλαισίου, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του συντελεστή θερμοπερατότητας των κουφωμάτων. Τύπος πλαισίου U f [W/(m 2 K)] Μεταλλικό πλαίσιο χωρίς θερμοδιακοπή 7,00 Μεταλλικό πλαίσιο με θερμοδιακοπή 12 mm 3,50 Μεταλλικό πλαίσιο με θερμοδιακοπή 24 mm 2,80 Συνθετικό πλαίσιο 2,80 Ξύλινο πλαίσιο 2,20 Κλείνοντας με αυτή την παράγραφο, πρέπει οπωσδήποτε να εξετάσουμε το σημαντικό θέμα της αντιμετώπισης των θερμογεφυρών. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, ένα από τα κυριότερα σημεία εμφάνισης θερμογεφυρών είναι τα σημεία ένωσης των πλαισίων 93

94 των κουφωμάτων με την περιβάλλουσα τοιχοποιία. Φυσικά, οι θερμογέφυρες αυτές, είναι πηγή επιπρόσθετων θερμικών απωλειών για το εσωτερικό του κτιρίου και αν δεν αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά, μειώνουν αισθητά τα ενεργειακά κέρδη των υαλοστασίων. Ο περιορισμός των θερμογεφυρών απαιτεί αρχικά τη σωστή τοποθέτηση των πλαισίων στα ανοίγματα του κελύφους και στη συνέχεια την πλήρωση και τη σφράγιση των αρμών μεταξύ των πλαισίων και της τοιχοποιίας με κατάλληλα υλικά, όπως π.χ. η σιλικόνη. Τελευταίο βήμα της όλης διαδικασίας είναι η εφαρμογή υλικών, όπως π.χ. θερμομονωτικές λωρίδες, πάνω στο υλικό με το οποίο έχουν σφραγιστεί οι αρμοί, ώστε να ενισχυθεί η θερμομονωτική ικανότητα της περιοχής. Τα παραπάνω μέτρα προφανώς συμβάλλουν και στην καλύτερη στεγανότητα των κουφωμάτων απέναντι στον αέρα και στο νερό Υαλοπίνακες. Υαλοπίνακας ονομάζεται το διαφανές τμήμα του υαλοστασίου (τζάμι), το οποίο επιτρέπει την είσοδο της ηλιακής ακτινοβολίας στο εσωτερικό του κτιρίου, συνεισφέροντας έτσι στο φωτισμό και τη θέρμανση του κτιρίου. Παράλληλα όμως είναι και το τμήμα του κελύφους το οποίο είναι υπεύθυνο για το μεγαλύτερο ποσοστό των θερμικών απωλειών καθώς το γυαλί παρουσιάζει πολύ κακή θερμομονωτική συμπεριφορά. Όπως έχουμε αναφέρει, η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από την άμεση, τη διάχυτη και την ανακλώμενη ακτινοβολία. Κάθε φορά, μόνο ένα ποσοστό της ολικής ακτινοβολίας ή ακόμα και μόνο ένα τμήμα της (από τα τρία) επιτρέπεται να διεισδύσει στον εσωτερικό χώρο. Αυτό είναι κάτι που καθορίζεται από τις ιδιότητες του κάθε υαλοπίνακα. Οι απαιτήσεις που έχουμε γενικά από τους υαλοπίνακες είναι η μεγιστοποίηση των ηλιακών κερδών το χειμώνα και η ελαχιστοποίηση τους το καλοκαίρι, η ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών το χειμώνα, ο περιορισμός του υπερβολικού φωτισμού των χώρων, η εξασφάλιση ηχομόνωσης, η μηχανική αντοχή, η αισθητική αρτιότητα, η εύκολη συντήρηση και αντικατάσταση και το χαμηλό κόστος. Κάθε απαίτηση οδηγεί σε μια συγκεκριμένη ιδιότητα του υαλοπίνακα και καθορίζει τα πλαίσια της τιμής που αυτή πρέπει να έχει (π.χ. μικρή, μεγάλη) ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση. Επειδή όμως κάποιες από τις παραπάνω απαιτήσεις ικανοποιούνται με διαφορετικές τιμές της ίδιας ιδιότητας, καταλήγουμε στο συμπέρασμα, πως η επιλογή του κατάλληλου υαλοπίνακα είναι κάθε φορά προϊόν συμβιβασμού των παραπάνω απαιτήσεων. Για παράδειγμα, η ελαχιστοποίηση των ηλιακών κερδών κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού προϋποθέτει τη χρήση υαλοπινάκων με μικρό συντελεστή ηλιακών κερδών. Αυτό όμως έρχεται σε αντίθεση με την απαίτηση για μεγιστοποίηση των ηλιακών κερδών κατά τη διάρκεια του χειμώνα που προϋποθέτει τη χρήση υαλοπινάκων με μεγάλο συντελεστή ηλιακών κερδών. Η επιλογή των κατάλληλων υαλοπινάκων διευκολύνεται από τον καθορισμό των προτεραιοτήτων του κάθε χώρου, δηλαδή ποιες απαιτήσεις πρέπει αυτός πρωτίστως να πληρεί, όπως και από την ανάλυση των ιδιαιτεροτήτων κάθε ανοίγματος (π.χ. άνοιγμα προσανατολισμένο προς βορρά πρέπει να καλύπτεται από υαλοπίνακα χαμηλής θερμοπερατότητας εξαιτίας των αυξημένων θερμικών απωλειών). Οι ιδιότητες των υαλοπινάκων, με βάση τις τιμές των οποίων γίνεται η επιλογή των κατάλληλων υαλοπινάκων για κάθε εφαρμογή, είναι οι εξής: Διαπερατότητα, ανακλαστικότητα και απορροφητικότητα στο ορατό φάσμα. Οι παράμετροι αυτές καθορίζουν τις οπτικές ιδιότητες του υαλοπίνακα και σχετίζονται μεταξύ τους με τη σχέση: 94

95 α + ρ + τ = 1 (6.3) όπου, α, η απορροφητικότητα, ρ, η ανακλαστικότητα, τ, η διαπερατότητα του υαλοπίνακα στο ορατό φάσμα. Το μέρος του ορατού φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε έναν υαλοπίνακα και ανακλάται άμεσα εκφράζεται από το συντελεστή ανακλαστικότητας, το τμήμα που απορροφάται από τον υαλοπίνακα εκφράζεται από το συντελεστή απορροφητικότητας και το υπόλοιπο που διέρχεται από τον υαλοπίνακα, εισέρχεται στο χώρο και μετατρέπεται σε θερμότητα εκφράζεται από το συντελεστή διαπερατότητας. Μέρος του ορατού φάσματος που απορροφήθηκε από τον υαλοπίνακα ανακλάται στη συνέχεια προς το εξωτερικό περιβάλλον, ενώ το υπόλοιπο τμήμα που έχει απορροφηθεί από τον υαλοπίνακα εισέρχεται και αυτό στο εσωτερικό του κτιρίου. Μεγάλος συντελεστής απορροφητικότητας οδηγεί σε υπερθέρμανση του υαλοπίνακα κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού με συνέπεια τη μείωση της θερμικής άνεσης, ενώ μεγάλος συντελεστής ανακλαστικότητας περιορίζει αισθητά τα ηλιακά κέρδη του υαλοπίνακα, πράγμα ανεπιθύμητο κατά τους χειμερινούς μήνες. Συνεπώς, υαλοπίνακες με μεγάλη απορροφητικότητα συνιστώνται για περιοχές με ψυχρό κλίμα, ενώ υαλοπίνακες με μεγάλη ανακλαστικότητα προτείνονται για χρήση σε περιοχές με θερμό κλίμα. Συντελεστής ηλιακών θερμικών κερδών. Ο συντελεστής ηλιακών θερμικών κερδών του υαλοπίνακα εκφράζει τη μέση τιμή του λόγου της ηλιακής ακτινοβολίας που διέρχεται από την επιφάνεια του υαλοπίνακα προς την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτόν. Λαμβάνεται ίσος με το 90% του συντελεστή ηλιακού κέρδους σε κάθετη πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στον υαλοπίνακα. Ο συντελεστής ηλιακών θερμικών κερδών του υαλοπίνακα συμπεριλαμβάνει και την ακτινοβολία η οποία έχει απορροφηθεί από τον υαλοπίνακα και στη συνέχεια μεταδόθηκε στο εσωτερικό του κτιρίου. Η τιμή του προφανώς εξαρτάται από το είδος του υαλοπίνακα. Αντίστροφος του συντελεστή ηλιακών θερμικών κερδών του υαλοπίνακα είναι ο συντελεστής σκίασης. Ο συντελεστής ηλιακών θερμικών κερδών του υαλοπίνακα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του συντελεστή ηλιακών θερμικών κερδών του κουφώματος με χρήση της ακόλουθης σχέσης: g w = g gl (1-F f ) (6.4) όπου, g w, ο συντελεστής ηλιακών θερμικών κερδών του κουφώματος, g gl, ο συντελεστής ηλιακών θερμικών κερδών του υαλοπίνακα, F f, το ποσοστό πλαισίου στο κούφωμα. Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφάται από το πλαίσιο και μεταδίδεται με τη μορφή θερμότητας στο εσωτερικό είναι πολύ μικρή συγκριτικά με αυτή που διέρχεται από το διαφανές τμήμα του κουφώματος και γι αυτό αγνοείται. Τυπικές τιμές του συντελεστή ηλιακών θερμικών κερδών και του συντελεστή ηλιακών θερμικών κερδών σε κάθετη πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας για διάφορους 95

96 τύπους υαλοπινάκων δίνονται από τον παρακάτω πίνακα (Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010): Πίνακας 6.2. Τυπικές τιμές της συνολικής διαπερατότητας ηλιακής ακτινοβολίας σε κάθετη πρόσπτωση g και της μέσης διαπερατότητας g gl για διάφορους τύπους υαλοπινάκων. Τύπος υαλοπίνακα g g gl Μονός υαλοπίνακας 0,85 0,77 Διπλός υαλοπίνακας 0,75 0,68 Διπλός υαλοπίνακας με επίστρωση χαμηλού συντελεστή εκπομπής (Low-e) 0,67 0,60 Ασφαλώς, υαλοπίνακες με μεγάλο συντελεστή ηλιακών θερμικών κερδών επιλέγονται για περιπτώσεις κτιρίων όπου είναι επιθυμητή η είσοδος της μέγιστης δυνατής ποσότητας ηλιακής ενέργειας στο εσωτερικό τους. Παραδείγματα τέτοιων περιπτώσεων είναι τα κτίρια περιοχών με ψυχρό κλίμα. Συντελεστής οπτικής ή φωτεινής διαπερατότητας. Ο συντελεστής οπτικής ή φωτεινής διαπερατότητας LT εκφράζει το ποσοστό της φωτεινής ακτινοβολίας που διέρχεται μέσα από τον υαλοπίνακα και μεταφέρεται στον εσωτερικό χώρο. Για παράδειγμα, LT = 0.8 σημαίνει πως το 80% της ορατής ακτινοβολίας μεταφέρεται στο εσωτερικό του κτιρίου. Υψηλή τιμή του συντελεστή LT είναι αναγκαία και επιθυμητή για την πλήρη αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού. Αντίθετα ένας χαμηλός συντελεστής φωτεινής διαπερατότητας αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας στο σύστημα τεχνητού φωτισμού. Ιδανικές τιμές του συντελεστή LT είναι 60%-80%, ανάλογα με τις ανάγκες και τις ιδιαιτερότητες του εκάστοτε χώρου. Συντελεστής ψυχρότητας. Ο συντελεστής ψυχρότητας ορίζεται ως ο λόγος της διαπερατότητας του υαλοπίνακα στο ορατό φάσμα του φωτός προς το συντελεστή σκίασής του. Το απλό διαφανές γυαλί έχει συντελεστή ψυχρότητας ίσο περίπου με 1. Ένας ιδανικός υαλοπίνακας κατάλληλος για κτίρια με υψηλά θερμικά φορτία οφείλει να διαθέτει μεγάλη οπτική διαπερατότητα και μικρή θερμοπερατότητα. Στην περίπτωση αυτή, ο συντελεστής ψυχρότητας του ιδανικού υαλοπίνακα είναι ίσος με 2. Οι υαλοπίνακες με τιμές συντελεστών ψυχρότητας μεγαλύτερες του 1, θεωρούνται φασματικά επιλεκτικοί, δηλαδή επιτρέπουν τη διέλευση μόνο της ορατής ακτινοβολίας. Είναι κατάλληλοι για κτίρια στα οποία παρατηρείται υπερθέρμανση κατά τους θερινούς μήνες. Συντελεστής θερμοπερατότητας. Γνωρίζουμε ήδη πως ορίζεται ο συντελεστής θερμοπερατότητας ενός δομικού υλικού ή στοιχείου. Οι απλοί υαλοπίνακες έχουν μεγάλο συντελεστή θερμοπερατότητας, επομένως παρουσιάζουν αυξημένες απώλειες θερμότητας και συνήθως είναι ανεπιθύμητοι για κτιριακές εφαρμογές. Γενικά, η όλη ενεργειακή συμπεριφορά του κτιρίου καθορίζει αν είναι απαραίτητη η χρήση υαλοπινάκων με μικρό ή μεγάλο συντελεστή θερμοπερατότητας. Στη συντριπτική πλειοψηφία, όμως, των περιπτώσεων χρησιμοποιούνται υαλοπίνακες με μικρό συντελεστή θερμοπερατότητας. Χάρις στις τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα των υαλοπινάκων, έχουν κατασκευαστεί αναβαθμισμένοι τύποι υαλοπινάκων, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από μικρό συντελεστή θερμοπερατότητας. Έτσι, αντιμετωπίζεται το μέχρι πρόσφατα σοβαρό πρόβλημα των θερμικών απωλειών των υαλοστασίων. Μάλιστα ορισμένα είδη υαλοπινάκων έχουν 96

97 μικρότερη θερμοπερατότητα ακόμα και από τα πλαίσια στα οποία εφαρμόζονται. Βέβαια, εξαιτίας της σχέσης (6.2), ο συντελεστής θερμοπερατότητας του υαλοστασίου θα είναι κάπως μεγαλύτερος, εξαιτίας της θερμοπερατότητας του πλαισίου. Όλα τα είδη υαλοπινάκων προηγμένων χαρακτηριστικών θα εξεταστούν στη συνέχεια της παραγράφου. Στη συνέχεια ακολουθεί ένας πίνακας με τυπικές τιμές του συντελεστή θερμοπερατότητας διαφόρων τύπων υαλοπινάκων (Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε.) /2010): Πίνακας 6.3. Τιμές του συντελεστή θερμοπερατότητας υαλοπίνακα που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του συντελεστή θερμοπερατότητας των κουφωμάτων. Τύπος υαλοπίνακα U g [W/(m 2 K)] Μονός υαλοπίνακας 5,70 Δίδυμος υαλοπίνακας με διάκενο αέρα 6 mm 3,30 Δίδυμος υαλοπίνακας με διάκενο αέρα 12 mm 2,80 Δίδυμος υαλοπίνακας με διάκενο 6 mm αέρα και επίστρωση μεμβράνης 2,60 χαμηλής εκπομπής (ε = 0,10) Δίδυμος υαλοπίνακας με διάκενο 12 mm αέρα και επίστρωση μεμβράνης 1,80 χαμηλής εκπομπής (ε = 0,10) Όπως αναφέραμε, οι υαλοπίνακες επιλέγονται με βάση ένα σύνολο παραμέτρων και πρέπει να ικανοποιούν μια σειρά από απαιτήσεις. Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έχουν δημιουργήσει διάφορους τύπους υαλοπινάκων, έκαστος εκ των οποίων διαθέτει προηγμένες ιδιότητες και μοναδικά χαρακτηριστικά. Έτσι, η εύρεση του κατάλληλου υαλοπίνακα μεταξύ των διαφόρων τύπων που υπάρχουν που να πληρεί τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής είναι πλέον σίγουρη και εύκολη. Στη συνέχεια παραθέτονται τα διάφορα είδη υαλοπινάκων που είναι διαθέσιμα σήμερα στην αγορά: Απλός μονός υαλοπίνακας. Έχει το μεγαλύτερο συντελεστή θερμοπερατότητας, ο οποίος μειώνεται όσο αυξάνεται το πάχος του γυαλιού. Επίσης, διαθέτει μεγάλο συντελεστή ηλιακού θερμικού κέρδους. Πλέον, θεωρείται για πολλές εφαρμογές ξεπερασμένος και έτσι συναντάται σπάνια σε κτίρια. Απλός διπλός ή τριπλός υαλοπίνακας. Μεταξύ των υαλοπινάκων υπάρχει κενό ξηρού αέρα και ο συντελεστής θερμοπερατότητας μειώνεται όσο αυξάνεται το πλάτος του κενού (με οριακή τιμή τα mm). Μεγαλύτερα πλάτη χρησιμοποιούνται μόνο για υψηλές απαιτήσεις ηχομόνωσης. Καλύτερες θερμομονωτικές ικανότητες επιτυγχάνονται α) με την πλήρωση του κενού με αέριο χαμηλότερης θερμικής αγωγιμότητας από αυτήν του ξηρού αέρα (π.χ. αργό, κρυπτό) και β) με την τοποθέτηση ειδικών μονωτικών διαφανών υλικών μέσα στο κενό, τα οποία εμποδίζουν την κίνηση του αέρα ή του αερίου, αποτρέποντας έτσι την μετάδοση της θερμότητας με μετάβαση. Είναι αναμενόμενο ότι ο τριπλός υαλοπίνακας έχει μικρότερο συντελεστή θερμοπερατότητας από τον διπλό, αλλά ταυτόχρονα έχει μικρότερο συντελεστή ηλιακών θερμικών κερδών καθώς και υψηλότερο κόστος. Γι αυτό συνήθως, ο τριπλός υαλοπίνακας χρησιμοποιείται σε περιοχές που έχουν πραγματικά ψυχρό κλίμα ή σε περιπτώσεις όπου απαιτείται καλή ηχομόνωση του χώρου. 97

98 Δίδυμος υαλοπίνακας. Στο ίδιο πλαίσιο στερεώνονται δύο υαλοπίνακες και ο αέρας που υπάρχει μεταξύ τους δεν είναι ξηρός. Έχουν καλύτερες θερμομονωτικές ικανότητες από τους μονούς υαλοπίνακες και χειρότερες από τους διπλούς. Πλεονεκτούν όμως έναντι των τελευταίων στο κόστος. Το σημαντικότερο μειονέκτημα των δίδυμων υαλοπινάκων είναι η εύκολη θάμβωση, επειδή ο αέρας που βρίσκεται στο κενό, μπορεί να υγροποιηθεί. Σχήμα Είδη υαλοπινάκων. Διπλός ή τριπλός ή δίδυμος υαλοπίνακας με επίστρωση. Αυτοί είναι απλοί υαλοπίνακες που διαθέτουν όμως κάποιου είδους επίστρωση, η οποία αναβαθμίζει κάποιες από τις ιδιότητές τους. Υπάρχουν ανακλαστικές επιστρώσεις που ελαττώνουν τα ηλιακά θερμικά κέρδη και τη θάμβωση, επιστρώσεις χαμηλού συντελεστή εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας (Low-e) που δεν επιτρέπουν τη διέλευση της υπέρυθρης ακτινοβολίας, ελαττώνοντας έτσι τα ηλιακά θερμικά κέρδη το καλοκαίρι και περιορίζοντας τις θερμικές απώλειες το χειμώνα και επιστρώσεις με φασματική επιλεκτικότητα που έχουν μεγάλη διαπερατότητα στο οπτικό φάσμα και μικρή στο θερμικό. Υαλοπίνακες μεταβλητών ιδιοτήτων. Οι υαλοπίνακες αυτοί μεταβάλλουν κάποιες από τις ιδιότητές τους (π.χ. οπτική διαπερατότητα, συντελεστή ηλιακών θερμικών κερδών) ανάλογα με την επίδραση κάποιου συγκεκριμένου παράγοντα. Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται τα παρακάτω είδη: Ηλεκτροχρωμικός υαλοπίνακας: Η οπτική διαπερατότητά τους μεταβάλλεται ανάλογα με το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο (χρειάζονται τροφοδοσία 1-3 V). 98

99 Φωτοχρωμικός υαλοπίνακας: Η οπτική διαπερατότητά τους μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τα επίπεδα φωτισμού στα οποία εκτίθενται. Έχει άριστα αποτελέσματα στον έλεγχο της θάμβωσης αλλά πολλές φορές είναι αντιοικονομικοί στην εφαρμογή τους. Θερμοχρωμικός υαλοπίνακας: Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τους από διαφανής γίνεται γαλακτόχρωμος. Υαλοπίνακας ομοιογενούς διάχυσης: Αποτελείται από δύο φύλλα απλού υαλοπίνακα, τα οποία περιέχουν στο ενδιάμεσο ένα στρώμα κυψελοειδούς υλικού που ρυθμίζει τη συνολική διαπερατότητα του ορατού φάσματος του φωτός από 0 έως 70%. Ο υαλοπίνακας συλλέγει το ηλιακό φως και το αποδίδει στον εσωτερικό χώρο ομοιογενώς. Υαλοπίνακας υγρών κρυστάλλων: Όταν εφαρμόζεται τάση στον υαλοπίνακα, αυτός γίνεται γαλακτόχρωμος από διαφανής. Χρησιμοποιείται κυρίως για λόγους ιδιωτικότητας, αλλά δεν εξοικονομεί ενέργεια. Αντιθαμβωτικοί υαλοπίνακες. Τα είδη αυτής της κατηγορίας υαλοπινάκων έχουν ήδη παρουσιαστεί στο προηγούμενο κεφάλαιο (παράγραφος ) Διαφανείς προσόψεις. Η ευρεία χρήση διαφανών υλικών στο κέλυφος των κτιρίων (υαλοπίνακες, διαφανής μόνωση, παθητικά ηλιακά στοιχεία) είναι κάτι πολύ συνηθισμένο στις μέρες μας. Ειδικά σε κτίρια του τριτογενούς (κτίρια γραφείων, εμπορικά καταστήματα, ξενοδοχεία, κτλ.) και του παραγωγικού τομέα, είναι δημοφιλής η χρήση του γυαλιού ως αποκλειστικού υλικού για την κατασκευή των προσόψεων τους με στόχο την προβολή ή την ενίσχυση του κύρους των εταιριών που στεγάζουν. Από ενεργειακή άποψη όμως, τα κτίρια αυτά είναι ό,τι χειρότερο, καθώς αποτελούν τις πλέον ενεργειοβόρες κατασκευές, καταναλώνοντας τεράστιες ποσότητες για θέρμανση και ψύξη. Οι υπερβολικές απαιτήσεις θέρμανσης, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, οφείλονται στην έλλειψη υπολογίσιμης θερμικής μάζας (αφού απουσιάζουν τα δομικά υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας, όπως το σκυρόδεμα, η πέτρα, το τούβλο) και στην κακή θερμομονωτική συμπεριφορά του γυαλιού. Ο πρώτος παράγοντας έχει ως αποτέλεσμα την αδυναμία από μέρους του κτιρίου να αποθηκεύσει τη θερμότητα που απορροφά κατά τη διάρκεια της ημέρας και να την επαναχρησιμοποιήσει τις βραδινές ώρες για τη θέρμανση του. Ο δεύτερος παράγοντας ευθύνεται για τις μεγάλες θερμικές απώλειες των γυάλινων κτιρίων. Από την άλλη, οι μεγάλες απαιτήσεις ψύξης, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, οφείλονται στα μεγάλα ηλιακά θερμικά κέρδη του γυαλιού που προκαλούν υπέρ-συσσώρευση θερμότητας στο εσωτερικό του κτιρίου. Η θερμότητα που διαχέουν τα γυάλινα κτίρια ευθύνεται και για το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Η τάση κατασκευής κτιρίων με διαφανείς προσόψεις (με ακραίο παράδειγμα τα προαναφερόμενα γυάλινα κτίρια), οδηγεί αναμενόμενα στην ανάγκη για μελέτη και βελτιστοποίηση των προσόψεων των εν λόγω κτιρίων. Μια σωστά σχεδιασμένη διαφανής πρόσοψη είναι ικανή να διατηρεί μια δυναμική ισορροπία μεταξύ των περιβαλλοντικών 99

100 παραμέτρων με σκοπό την επίτευξη του επιθυμητού εσωτερικού μικροκλίματος. Επομένως πρέπει να λειτουργεί με τέτοιον τρόπο ώστε να επιτρέπει να ελέγχονται τα εξής: Οι θερμικές απώλειες (χρήση διάφανων μονώσεων, υαλοπινάκων Low-e, κλπ.). Ο αερισμός (διπλό αεριζόμενο κέλυφος). Ο φωτισμός και η θάμβωση (χρήση ανακλαστικών σκιάστρων, αντιθαμβωτικών υαλοπινάκων, κλπ.). Η σκίαση (χρήση αυτόματων σκιάστρων). Γενικά, οι διαφανείς προσόψεις διακρίνονται σε απλές προσόψεις (μονό κέλυφος) και σε πολλαπλές (με συνηθέστερο το διπλό κέλυφος). Οι υαλοπίνακες που τις αποτελούν, μπορούν να ανήκουν σε οποιοδήποτε είδος από όσα έχουν περιγραφεί στην προηγούμενη παράγραφο. Στη συνέχεια αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των σπουδαιότερων τύπων πρόσοψης ανάλογα και με το είδος σκίασης που χρησιμοποιούν: Απλή διαφανής πρόσοψη μονού κελύφους. Σκίαση με εξωτερικά σκίαστρα. Πλεονεκτήματα αυτού του τύπου πρόσοψης είναι η εξαιρετική ελάττωση των ηλιακών κερδών, ενώ αν τα σκίαστρα είναι κινούμενα, τότε οι εσωτερικές συνθήκες μπορούν να μεταβάλλονται ανάλογα με τις απαιτήσεις των εξωτερικών συνθηκών. Στα μειονεκτήματα ανήκει το υψηλό κόστος συντήρησης και καθαρισμού. Σκίαση με εσωτερικό σύστημα σκιάστρων μεταξύ διπλού υαλοπίνακα. Στα πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος περιλαμβάνεται το χαμηλό κόστος καθαρισμού, ενώ μειονεκτήματά του είναι το υψηλό κόστος συντήρησης, ειδικά στην περίπτωση που τα σκίαστρα ελέγχονται από κινητήρες. Επίσης παρεμποδίζεται η οπτική επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον. Σκίαση με εσωτερικά σκίαστρα. Πλεονεκτήματα του συστήματος είναι το χαμηλό κόστος καθαρισμού, η απλή συντήρηση και η ποικιλία παρόμοιων συστημάτων διαθέσιμων στην αγορά. Σοβαρό μειονέκτημα αυτού του τύπου πρόσοψης είναι τα υψηλά ηλιακά κέρδη. Διπλή διαφανής αεριζόμενη πρόσοψη. Πρακτικά πρόκειται για δύο προσόψεις, μεταξύ των οποίων διοχετεύεται αέρας. Στα θετικά αυτού του τύπου πρόσοψης ανήκει το γεγονός ότι στους χώρους που γειτνιάζουν με αυτήν την πρόσοψη επιτυγχάνονται εύκολα συνθήκες θερμικής άνεσης, αφού η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού και της επιφάνειας του υαλοπίνακα μπορεί να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα. Συνεπώς, επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση και ψύξη. Ενδεχόμενη χρήση οριζόντιων σκιάστρων προκαλεί δυσκολία στην κίνηση του αέρα στο κενό μεταξύ των δύο προσόψεων και επίσης έχουν υψηλό κόστος κατασκευής. Γενικότερα το κόστος κατασκευής αυτής της πρόσοψης είναι υψηλό. 100

101 Κατα νομή φωτισμού Σκίαση Θερμικές απώλειες Χαμηλό κόστος κατασκευής Χαμηλό κόστος συντήρησης Χαμηλό κόστος καθαρισμού Εξοικονόμηση ενέργειας Αερισμός Οπτική επαφή με το εξωτ. περιβάλλον Διπλή διαφανής πρόσοψη. Η πρόσοψη αυτή χαρακτηρίζεται από την ευκολία τοποθέτησης συστημάτων σκίασης στο χώρο ενδιάμεσα των δύο προσόψεων. Επίσης, ευνοείται η φυσική κίνηση του αέρα προς τα επάνω, απομακρύνοντας έτσι τη θερμότητα που παράγεται από το σύστημα σκίασης. Ακόμα, το σύστημα αυτό προσφέρει καλή αντιπυρική προστασία, εξαιρετική ηχομόνωση, φυσικό αερισμό με αποτέλεσμα την ελάττωση του μεγέθους του συστήματος εξαερισμού και εύκολο καθαρισμό. Σημαντικότερο πλεονέκτημά του όμως είναι η μείωση των θερμικών απωλειών και η σημαντική ελάττωση κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση και ψύξη. Μειονεκτήματα αυτής της πρόσοψης είναι το υψηλότατο κόστος κατασκευής και ο περιορισμός της ανοδικής φυσικής κινήσεως του αέρα σε 2-3 ορόφους. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η εκτίμηση των δυνατοτήτων των διαφόρων τύπων διαφανών προσόψεων. Πίνακας 6.4. Παρουσίαση των δυνατοτήτων διαφόρων τύπων διαφανών προσόψεων. Όπου (++++) εξαιρετικές δυνατότητες, (+++) καλές, (++) μέτριες και (+) κακές. Τύπος πρόσοψης Απλή με εξωτερικά σκίαστρα Απλή με σκίαστρα μεταξύ διπλού υαλοπίνακα Απλή με εσωτερικά σκίαστρα Διπλή μηχανικά αεριζόμενη Διπλή με φυσικό αερισμό Είναι προφανές ότι η ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών διαφανών προσόψεων εξαρτάται αποκλειστικά από τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται. Ο κάθε σχεδιαστής όμως έχει τη δυνατότητα να συνθέτει προσόψεις με τη χρήση διαδοχικών επίπεδων διαφανών υλικών. Η πρόσοψη μπορεί να αναβαθμιστεί με την επικόλληση πολυεστερικών υμενίων που ελαττώνουν τα ηλιακά κέρδη, τη θάμβωση και το ποσοστό της υπεριώδους ακτινοβολίας. Η συνήθης διάρκεια ζωής αυτών των υλικών είναι περίπου 10 χρόνια, αλλά αναμένεται ότι θα αυξηθεί στο μέλλον. 101

102 7. Συμβατικά ενεργειακά συστήματα Εισαγωγή. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάστηκαν αναλυτικά τα παθητικά συστήματα, τα οποία ενσωματώνονται στο κέλυφος του κτιρίου και χρησιμεύουν για τη θέρμανση, το δροσισμό και το φωτισμό των εσωτερικών χώρων. Σημαντικό πλεονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι η μηδενική κατανάλωση ενέργειας, γεγονός που συνεισφέρει τα μέγιστα στην εξοικονόμηση ενέργειας. Όμως, ακόμα και ένας βέλτιστος βιοκλιματικός σχεδιασμός δεν μπορεί να καλύψει εξ ολοκλήρου τις ενεργειακές ανάγκες των εσωτερικών χώρων ενός κτιρίου. Έτσι, η χρήση ενεργειακών συστημάτων είναι απαραίτητη για τη διασφάλιση της κάλυψης των αναγκών αυτών, σε περιπτώσεις που η λειτουργία των παθητικών συστημάτων κρίνεται ανεπαρκής. Η λειτουργία ενός ενεργειακού συστήματος προϋποθέτει την κατανάλωση ορισμένης ποσότητας συμβατικών ή ανανεώσιμων καυσίμων προκειμένου να παραχθεί, μέσω των κατάλληλων τεχνολογιών, η χρήσιμη μορφή ενέργειας (θερμική ή ηλεκτρική ενέργεια), η οποία θα αξιοποιηθεί στην ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών. Τα ενεργειακά συστήματα, τα οποία κάνουν χρήση συμβατικών τεχνολογιών και καυσίμων προκειμένου να παράγουν την απαιτούμενη ποσότητα θερμικής ή ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να ικανοποιήσουν τις ανάγκες για τις οποίες προορίζονται, ονομάζονται συμβατικά ενεργειακά συστήματα. Από την άλλη πλευρά, τα συστήματα που κάνουν χρήση νέων, καινοτόμων τεχνολογιών ή/και ανανεώσιμων καυσίμων για την παραγωγή θερμικής ή ηλεκτρικής ενέργειας, ονομάζονται μη συμβατικά ενεργειακά συστήματα. Πιο ειδικά, τα συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούν κάποια μορφή ανανεώσιμων καυσίμων, ονομάζονται συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται τα κυριότερα συμβατικά ενεργειακά συστήματα, σκοπός των οποίων είναι η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών που πηγάζουν από την ανάγκη διαμόρφωσης του κατάλληλου εσωκλίματος στους εσωτερικούς χώρους των κτιριακών εγκαταστάσεων του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα. Οι ανάγκες αυτές είναι η θέρμανση, η ψύξη, η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, ο αερισμός ή/και εξαερισμός και ο φωτισμός των χώρων. Επιπλέον, εξετάζονται τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου και οι διάφορες συσκευές ηλεκτρικής κατανάλωσης που συναντώνται συχνά σε αυτά τα κτίρια. Η παρουσίαση των συμβατικών ενεργειακών συστημάτων, μολονότι, καλύπτει τη δομή και τον τρόπο λειτουργίας αυτών, εν τούτοις εστιάζει στις τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας που μπορούν να εφαρμοστούν σε κάθε σύστημα, αφού αυτές αποτελούν το αντικείμενο της παρούσης εργασίας. Έτσι, όσον αφορά τη δομή και τον τρόπο λειτουργίας των ενεργειακών συστημάτων, η περιγραφή είναι συνοπτική, αλλά περιεκτική, ώστε να εξετάζονται όλες οι βασικές πτυχές τους, οι οποίες είναι άλλωστε απαραίτητες για την κατανόηση του όλου θέματος της εξοικονόμησης ενέργειας Συστήματα θέρμανσης χώρων Γενικά. Σύστημα θέρμανσης ονομάζεται το σύνολο των συσκευών, κατασκευών, μηχανισμών, κτλ. που απαιτούνται για την πρόσδοση θερμικής ενέργειας στους διάφορους εσωτερικούς χώρους ενός κτιρίου, με σκοπό την αντιστάθμιση των θερμικών απωλειών προς το περιβάλλον και τη διατήρηση της θερμικής άνεσης στα επιθυμητά επίπεδα. Η κατάταξη των συστημάτων θέρμανσης σε κατηγορίες ποικίλλει, αναλόγως του κριτηρίου, το οποίο χρησιμοποιείται κάθε φορά. Με κριτήριο τη θέση της πηγής παροχής θερμικής ενέργειας, έχουμε: α) κεντρική θέρμανση, β) τοπική θέρμανση, γ) περιφερειακή 102

103 θέρμανση πόλης (τηλεθέρμανση). Με κριτήριο την πηγή παροχής θερμικής ενέργειας, έχουμε: α) θέρμανση με στερεά καύσιμα, β) θέρμανση με υγρά καύσιμα, γ) θέρμανση με αέρια καύσιμα και δ) θέρμανση με ηλεκτρική ενέργεια. Με κριτήριο το φορέα της θερμικής ενέργειας, έχουμε: α) θέρμανση με νερό, β) θέρμανση με ατμό και γ) θέρμανση με αέρα. Τέλος, με κριτήριο τον τρόπο μετάδοσης της θερμικής ενέργειας στο χώρο, έχουμε: α) θέρμανση με ακτινοβολία θερμότητας, β) θέρμανση με μετάβαση θερμότητας και γ) συνδυασμός των παραπάνω. Το σύστημα ή τα συστήματα θέρμανσης που εξυπηρετούν ένα κτίριο ή τμήμα αυτού, σχεδιάζονται και διαστασιολογούνται έτσι, ώστε να καλύπτουν τις απαιτήσεις θέρμανσης στις δυσμενέστερες εξωτερικές συνθήκες περιβάλλοντος (συνθήκες σχεδιασμού χειμώνα), όπως αυτές προδιαγράφονται στους σχετικούς κανονισμούς και οδηγίες (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010, «Κλιματικά δεδομένα ελληνικών περιοχών»). Κατά την πραγματική περίοδο θέρμανσης, οι εξωτερικές συνθήκες περιβάλλοντος μεταβάλλονται συνεχώς, τόσο σε ημερήσια όσο και σε ωριαία βάση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα κάθε σύστημα θέρμανσης να λειτουργεί για το μεγαλύτερο διάστημα της περιόδου θέρμανσης σε συνθήκες μερικού φορτίου, πράγμα που συνεπάγεται μείωση της απόδοσης του σε σχέση με την ονομαστική. Ο σχεδιασμός του συστήματος θέρμανσης θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την πραγματικότητα και να προβλέπει την κάλυψη των μερικών φορτίων με κατά το δυνατόν αυξημένο βαθμό απόδοσης λειτουργίας, ανάλογα με τη χρήση του κτιρίου, το ωράριο λειτουργίας και τη διακύμανση των θερμικών αναγκών του κτιρίου. Για το λόγο αυτό, όπως θα δούμε και στη συνέχεια, επιβάλλεται η χρήση πολυβάθμιων λεβήτων ή/και η χρήση περισσότερων του ενός λεβήτων διαφορετικής ισχύος, ιδιαίτερα σε όσα κτίρια του τριτογενούς τομέα και της βιομηχανίας απαιτούν εγκαταστάσεις μεγάλης θερμικής ισχύος. Οι περισσότερο διαδεδομένες μονάδες παραγωγής θερμότητας για θέρμανση χώρων που εφαρμόζονται στα ελληνικά κτίρια είναι λέβητες θερμού νερού που χρησιμοποιούν ως καύσιμο πετρέλαιο, φυσικό αέριο, σπανιότερα υγραέριο και ακόμα πιο σπάνια βιομάζα. Επειδή στα κτίρια τόσο του τριτογενούς, όσο και του παραγωγικού τομέα, απαιτείται και ψύξη, οι μονάδες παραγωγής θερμότητας μπορεί να είναι και ηλεκτρικές αντλίες θερμότητας νερού ή άμεσης εξάτμισης. Σε λίγες περιπτώσεις γίνεται χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (π.χ. ηλιακών συλλεκτών ή γεωθερμίας). Τα συστήματα τηλεθέρμανσης εφαρμόζονται σε πολύ περιορισμένη κλίμακα στα ελληνικά κτίρια (σύμφωνα με στοιχεία του 2004, η τηλεθέρμανση αντιστοιχούσε σε ένα ποσοστό μόλις 0,8% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στη χώρα), κοντά σε μονάδες ηλεκτροπαραγωγής της Δ.Ε.Η. όπως για παράδειγμα στην Πτολεμαΐδα ή στη Μεγαλόπολη. Για το λόγο η τηλεθέρμανση δεν θα μας απασχολήσει ιδιαίτερα σε αυτή την εργασία, εκτός από ορισμένες σποραδικές αναφορές, όπου κάτι τέτοιο κρίνεται απαραίτητο. Η μελέτη των εγκαταστάσεων θέρμανσης θα γίνει με βάση τις κατηγορίες που προκύπτουν από το κριτήριο της θέσης της πηγής παροχής θερμικής ενέργειας μέσα στο κτίριο. Σε αυτήν την παράγραφο θα εξεταστούν συστήματα που χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για θέρμανση χώρων. Συστήματα που χρησιμοποιούνται για θέρμανση και ψύξη ή για τον ολοκληρωμένο κλιματισμό ενός χώρου (θέρμανση, ψύξη, αερισμός ή/και εξαερισμός) θα παρουσιαστούν σε επόμενες ενότητες Συστήματα κεντρικής θέρμανσης. Σύστημα κεντρικής θέρμανσης ενός κτιρίου ή τμήματός του ονομάζεται μία κεντρική πηγή παραγωγής θερμότητας, η οποία είναι εγκατεστημένη στο κτίριο ή τμήμα του κτιρίου, όπως και το σύνολο των συσκευών, κατασκευών, μηχανισμών κλπ. που παραλαμβάνουν θερμική ενέργεια από αυτή μέσω ενός φορέα μεταφοράς θερμότητας (θερμαντικού μέσου) και την κατανέμουν στους διάφορους χώρους του κτιρίου ή τμήματός 103

104 του, προκειμένου να καλύψουν τις θερμικές απώλειες αυτών και να διατηρήσουν τη θερμοκρασία τους σε επιθυμητά επίπεδα. Το σύστημα κεντρικής θέρμανσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, δυνατότητα που θα αναλυθεί σε επόμενη ενότητα. Η κεντρική θέρμανση είναι γενικά ένα πολύ αποδοτικό σύστημα που είναι και το πλέον διαδεδομένο συμβατικό σύστημα θέρμανσης σε όλες τις κτιριακές εγκαταστάσεις της χώρας μας. Μια εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης, ανεξάρτητα από το καύσιμο ή το φορέα μεταφοράς θερμικής ενέργειας που χρησιμοποιεί, αποτελείται από τις παρακάτω βασικές συσκευές: Λέβητας: Είναι η συσκευή στην οποία πραγματοποιείται η παραγωγή θερμότητας με την καύση στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων και η μετάδοσή της στο θερμαντικό μέσο. Στην ουσία είναι ένας εναλλάκτης θερμότητας. Καυστήρας: Είναι μια συσκευή προσαρμοσμένη στο λέβητα που εξασφαλίζει την ανάμειξη του καυσίμου με τον αέρα έτσι, ώστε να προκαλείται και να συντηρείται η καύση. Θερμαντικά σώματα: Αποτελούν τις τελικές συσκευές μέσω των οποίων η θερμότητα που μεταφέρεται από το θερμαντικό μέσο, μεταδίδεται στους εσωτερικούς χώρους με θερμική μετάβαση και ακτινοβολία. Σύστημα μεταφοράς: Είναι το δίκτυο μεταφοράς του θερμαντικού μέσου από το λέβητα στα θερμαντικά σώματα. Καπνοδόχος: Απάγει τα καυσαέρια από το χώρο καύσης προς το περιβάλλον. Η σύνδεσή της με το λέβητα γίνεται με τον καπναγωγό. Δεξαμενή καυσίμου: Είναι ο χώρος αποθήκευσης του καυσίμου που χρησιμοποιεί η κεντρική θέρμανση. Μέσω ενός κατάλληλου συστήματος παροχής, το καύσιμο μεταφέρεται από τη δεξαμενή στον καυστήρα. Σημείωση: Η δεξαμενή καυσίμου δεν υπάρχει στις εγκαταστάσεις θέρμανσης που χρησιμοποιούν ως καύσιμο το φυσικό αέριο. Σε αυτά τα συστήματα η παροχή του καυσίμου γίνεται από το δίκτυο διανομής φυσικού αερίου, μέσω του αγωγού παροχής που συνδέει το δίκτυο διανομής με το σύστημα θέρμανσης. Ο λέβητας, ο καυστήρας, η δεξαμενή καυσίμου καθώς και άλλες δευτερεύουσες συσκευές του συστήματος θέρμανσης βρίσκονται μέσα σε έναν ειδικό χώρο που ονομάζεται λεβητοστάσιο. Οι διαστάσεις του εξαρτώνται από τη θερμική ισχύ του λέβητα. Τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης ανάλογα με το φορέα θερμικής ενέργειας (θερμαντικό μέσο) που χρησιμοποιούν, διακρίνονται στα συστήματα θέρμανσης με νερό, ατμό και αέρα. Συστήματα θέρμανσης με νερό. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των συστημάτων χρησιμοποιεί το θερμό νερό ως φορέα θερμικής ενέργειας. Λίγα συστήματα χρησιμοποιούν υπέρθερμο νερό, αντί του θερμού. Οι λέβητες που χρησιμοποιούνται ανήκουν στην κατηγορία των λεβήτων θερμού νερού. Το νερό κυκλοφορεί στο εσωτερικό ή στο εξωτερικό κατάλληλα διαμορφωμένων στοιχείων (αυλοί, κανάλια), ενώ αντίστοιχα τα καυσαέρια του 104

105 λέβητα κυκλοφορούν στο εξωτερικό ή το εσωτερικό αυτών των στοιχείων, ώστε να μην υπάρχει ανάμειξη των δύο ρευστών. Η θερμότητα μεταφέρεται από τα καυσαέρια στο νερό μέσω των τοιχωμάτων των στοιχείων. Τα θερμαντικά σώματα που χρησιμοποιούνται ανήκουν και αυτά στην κατηγορία των σωμάτων νερού. Τα σώματα θερμού νερού τροφοδοτούνται με νερό θερμοκρασίας ο C και αποκτούν μια μέση επιφανειακή θερμοκρασία ο C, η οποία διαφέρει κατά ο C από τη θερμοκρασία του αέρα. Τα κυριότερα είδη σωμάτων θερμού νερού είναι τα AKAN, τα PANEL, τα RUNTAL, τα σώματα αλουμινίου και τα fan convectors. Η μετάδοση της θερμότητας μέσω αυτών των σωμάτων γίνεται με συνδυασμό θερμικής μετάβασης και ακτινοβολίας (πλην των fan convectors που χρησιμοποιούν μόνο τη θερμική μετάβαση). Βασικά υλικά κατασκευής τους είναι ο χάλυβας (AKAN, RUNTAL, PANEL) και το αλουμίνιο (σώματα αλουμινίου, fan convectors). Τα σώματα PANEL είναι αυτά που κυριαρχούν σήμερα στις εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης εξαιτίας της κομψότητας, της ποικιλίας διαστάσεων, της αντοχής στο χρόνο και της λογικής τιμής τους. Όλα τα σώματα θερμού νερού διαθέτουν βαλβίδες εξαερισμού για την εξαέρωσή τους. Το σύστημα μεταφοράς του θερμού νερού αποτελείται από ένα δίκτυο σωληνώσεων, το οποίο μεταφέρει το νερό στα θερμαντικά σώματα. Οι σωλήνες κατασκευάζονται από χαλκό ή πλαστικό. Υπάρχουν δύο κατηγορίες συστημάτων: Μονοσωλήνιο σύστημα. Αποτελείται από δύο παράλληλους, κατακόρυφους σωλήνες που αποτελούν τη κεντρική στήλη ή κατακόρυφο δίκτυο του συστήματος. Ο ένας σωλήνας ονομάζεται σωλήνας προσαγωγής και μεταφέρει το θερμό νερό από το λέβητα προς τα θερμαντικά σώματα, ενώ ο άλλος σωλήνας ονομάζεται σωλήνας επιστροφής και μεταφέρει το κρύο νερό πίσω στο λέβητα για επαναθέρμανση. Για κάθε εσωτερικό χώρο που πρόκειται να θερμανθεί, από το σωλήνα προσαγωγής ξεκινούν μικροί σωλήνες, οι οποίοι αφού τροφοδοτήσουν έναν αριθμό θερμαντικών σωμάτων ο κάθε ένας, καταλήγουν στο σωλήνα επιστροφής. Η σύνδεση των θερμαντικών σωμάτων που τροφοδοτούνται με θερμό νερό από τον ίδιο σωλήνα γίνεται σε σειρά. Οι επιμέρους σωλήνες που τροφοδοτούν τα θερμαντικά σώματα κάθε εσωτερικού χώρου ονομάζονται οριζόντιο δίκτυο του συστήματος. Δισωλήνιο σύστημα. Για κάθε θερμαντικό σώμα ξεκινά ένας σωλήνας προσαγωγής θερμού νερού από το συλλέκτη προσαγωγής της κεντρικής εγκατάστασης. Αντίστοιχα, από κάθε θερμαντικό σώμα ξεκινά ένας σωλήνας επιστροφής κρύου νερού που καταλήγει στο συλλέκτη επιστροφής της κεντρικής εγκατάστασης. Στο σύστημα αυτό, όλα τα θερμαντικά σώματα είναι συνδεδεμένα παράλληλα. Το δισωλήνιο σύστημα έχει επικρατήσει πλέον σχεδόν σε όλες τις εφαρμογές κεντρικής θέρμανσης έναντι του μονοσωλήνιου συστήματος. Το σύστημα μεταφοράς περιλαμβάνει επίσης κυκλοφορητές φυγοκεντρικού τύπου που κινούνται με τη βοήθεια ενός ηλεκτρικού κινητήρα και εξασφαλίζουν τη μεταφορά του νερού από το λέβητα στα θερμαντικά σώματα. 105

106 Σχήμα 7.1. Μονοσωλήνιο και δισωλήνιο σύστημα κεντρικής θέρμανσης με νερό. Σημαντικές είναι και οι διατάξεις ασφαλείας του συστήματος θέρμανσης, οι οποίες εξασφαλίζουν τη σταθερή πίεση του νερού μέσα στην εγκατάσταση θέρμανσης και την ασφάλεια του συστήματος σε περίπτωση βλάβης ή πυρκαγιάς. Οι διατάξεις αυτές αποτελούνται από το δοχείο διαστολής, τον αυτόματο πλήρωσης, τη βαλβίδα ασφαλείας, τους θερμοστάτες και την ηλεκτροβάνα καυσίμου. Σχήμα 7.2. Συστήματα κεντρικής θέρμανσης θερμού νερού με βάνα ανάμειξης. Τέλος, σημαντικό εξάρτημα του όλου συστήματος είναι η περιστροφική βάνα ανάμειξης. Η συσκευή αυτή προσφέρει τη δυνατότητα ελέγχου της θερμοκρασίας των θερμαντικών σωμάτων, η οποία ονομάζεται αντιστάθμιση. Οι τρίοδες βάνες ανάμειξης επιτυγχάνουν την αντιστάθμιση είτε με τον έλεγχο της παροχής θερμού νερού στα σώματα, είτε με τον έλεγχο της θερμοκρασίας του θερμού νερού που παρέχεται στα σώματα. Οι τετράοδες βάνες μπορούν να επιτύχουν αντιστάθμιση μόνο μέσω της ρύθμισης της θερμοκρασίας του θερμού νερού που παρέχεται στα 106

107 σώματα. Έχουν όμως το πλεονέκτημα της δυνατότητας ρύθμισης της θερμοκρασίας του νερού εισόδου στο λέβητα. Αυτή η ιδιότητα των τετράοδων βανών, όπως και το θέμα της αντιστάθμισης, παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον από άποψη εξοικονόμησης ενέργειας και θα μας απασχολήσουν στην επόμενη παράγραφο. Συστήματα θέρμανσης με αέρα. Ο θερμός αέρας χρησιμοποιείται στα συστήματα αυτά ως θερμαντικό μέσο για τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων. Ως συσκευές παραγωγής θερμότητας χρησιμοποιούνται οι αερολέβητες και οι κλίβανοι. Οι κλίβανοι δρουν και αυτοί ως εναλλάκτες θερμότητας και η αρχή λειτουργίας τους είναι η ίδια με εκείνη των λεβήτων. Οι συσκευές αυτές συνηθίζονται κυρίως στις παραγωγικές μονάδες λόγω της δυνατότητας χρήσης τους και σε άλλες θερμικές διεργασίες της μονάδας. Θα παρουσιαστούν αναλυτικά σε επόμενο κεφάλαιο. Το σύστημα μεταφοράς του θερμαντικού μέσου είναι ένα δίκτυο αεραγωγών μέσα στους οποίους κινείται ο θερμός αέρας. Ανάλογα με τη θέση του λέβητα/κλίβανου στο κτίριο έχουμε διάφορα συστήματα αεραγωγών. Αν ο λέβητας/κλίβανος είναι εγκατεστημένος σε κεντρικό σημείο του κτιρίου, τότε χρησιμοποιούνται συστήματα αεραγωγών άμεσης, περιμετρικής ή ακτινικής διανομής. Με τα συστήματα αυτά περιορίζονται στο ελάχιστο τα μήκη των αεραγωγών και η αντίσταση των τριβών του αέρα σε αυτά. Επίσης εξασφαλίζεται ισορροπία στη ροή του αέρα στους διάφορους χώρους. Όταν ο λέβητας/κλίβανος βρίσκεται στα άκρα του κτιρίου, τότε χρησιμοποιείται σύστημα αεραγωγών βαθμωτής διαμέτρου που παρέχουν ομαλή τροφοδότηση των χώρων με αέρα. Στα συστήματα αυτά, ως θερμαντικά σώματα χρησιμοποιούνται διάφορα στόμια αέρος που χρησιμεύουν για την εισαγωγή και την εξαγωγή του αέρα από τους χώρους. Εφαρμόζονται στις οροφές, τους τοίχους και τα δάπεδα των εσωτερικών χώρων. Τα στόμια αέρος αποτελούν ένα πολύ σημαντικό προσάρτημα στις εγκαταστάσεις θέρμανσης με αέρα και η μελέτη και κατασκευή τους πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερα προσεγμένο τρόπο. Επίσης, βασικά στοιχεία ενός συστήματος θέρμανσης με αέρα είναι ο ανεμιστήρας, τα φίλτρα, τα διαφράγματα αέρα («ντάμπερ»), ο υγραντήρας και θερμοστάτες κατάλληλοι για αεραγωγούς. Τα φίλτρα και ο υγραντήρας είναι απαραίτητα εξαρτήματα για την υγιεινή λειτουργία του συστήματος. Σκοπός των φίλτρων είναι η απορρόφηση της σκόνης και η παρεμπόδιση της ανάπτυξης μυκήτων. Πρέπει να αντικαθίστανται σε συχνά διαστήματα. Από την άλλη πλευρά, η χρήση του υγραντήρα είναι απαραίτητη για την διατήρηση της σχετικής υγρασίας των χώρων στα επιθυμητά επίπεδα. Οι θερμοστάτες αποτελούν βασικό στοιχείο του τμήματος ελέγχου και ασφάλειας του συστήματος. Ο ανεμιστήρας και ο ηλεκτρικός κινητήρας του, περιλαμβάνονται στα συστήματα θέρμανσης με εξαναγκασμένη κυκλοφορία του αέρα. Στα συστήματα αυτά, τα οποία είναι και τα πλέον διαδεδομένα, η κίνηση του αέρα μέσα στους αεραγωγούς γίνεται με τη βοήθεια του ανεμιστήρα, ώστε να εξουδετερώνονται οι αντιστάσεις τριβής. Δηλαδή η χρήση του ανεμιστήρα είναι όμοια με εκείνη του κυκλοφορητή στα συστήματα θέρμανσης με νερό. Τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας του αέρα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: α) άμεσης και β) έμμεσης λειτουργίας. Στα συστήματα άμεσης λειτουργίας ο αέρας θερμαίνεται από αερολέβητες, ενώ στα συστήματα έμμεσης λειτουργίας ο αέρας θερμαίνεται από το νερό που τροφοδοτεί τον εναλλάκτη θερμότητας (εδώ ο εναλλάκτης μπορεί να είναι οποιοσδήποτε τύπος λέβητα, όχι μόνο αερολέβητας). Τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας άμεσης λειτουργίας εξασφαλίζουν ταχεία θέρμανση των εσωτερικών χώρων και έχουν 107

108 χαμηλό κόστος. Έτσι αποτελούν άριστη επιλογή για χώρους που χρησιμοποιούνται περιοδικά, όπως χώροι συνεδρίων, εκθέσεων, συναυλιών, θέατρα, κινηματογράφοι, κτίρια εκπαίδευσης, κ.α. Αντιθέτως, τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας έμμεσης λειτουργίας χρησιμοποιούνται μόνο σε κτιριακές εγκαταστάσεις μεγάλων διαστάσεων, όπως οι βιομηχανικές μονάδες και τα μεγάλα κτίρια του τριτογενούς τομέα, εξαιτίας της δαπανηρότητάς τους. Πέραν των συστημάτων εξαναγκασμένης κυκλοφορίας, υπάρχουν και τα συστήματα με φυσική κυκλοφορία του αέρα. Στα συστήματα αυτά, ο θερμός αέρας κινείται με φυσικό ελκυσμό μέσα στους αεραγωγούς υπό την επίδραση της φυσικής στρωμάτωσής του. Επομένως ο ανεμιστήρας παραλείπεται. Ως μονάδα παραγωγής θερμότητας χρησιμοποιούνται οι κλίβανοι και όχι οι λέβητες. Σοβαρά μειονεκτήματα των συστημάτων φυσικής κυκλοφορίας είναι οι δυσχέρειες που εμφανίζουν στον έλεγχο λειτουργίας τους και η καταλληλότητα τους μόνο για κτίρια με ενιαίους χώρους. Έτσι, η εφαρμογή τους σε μεγάλες κτιριακές εγκαταστάσεις του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα, όπου απαιτούνται συστήματα θέρμανσης με σύνθετη λειτουργία και έλεγχο, είναι μάλλον ανύπαρκτη. Συστήματα θέρμανσης με ατμό. Η χρήση του ατμού ως φορέα μεταφοράς της θερμικής ενέργειας αποτελεί με διαφορά την καλύτερη επιλογή για ένα σύστημα κεντρικής θέρμανσης εξαιτίας μιας σειράς πλεονεκτημάτων, τα οποία οφείλονται στη δυνατότητα του ατμού να θερμαίνεται σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από το νερό ή τον αέρα, στην υψηλή πίεση λειτουργίας που τον χαρακτηρίζει και στον υψηλό συντελεστή θερμικής μετάδοσης που διαθέτει. Το μεγάλο μειονέκτημα, όμως, ενός συστήματος κεντρικής θέρμανσης με ατμό είναι το πολύ υψηλό κόστος του, το οποίο καθιστά απαγορευτική τη χρήση του σε κτίρια του τριτογενούς τομέα. Μόνη εξαίρεση αποτελούν τα νοσοκομεία, όπου ο ατμός του συστήματος κεντρικής θέρμανσης αξιοποιείται και σε άλλες εφαρμογές, όπως π.χ. η αποστείρωση χειρουργικών εργαλείων, σκευών κουζίνας και ρούχων. Οι εφαρμογές αυτές δεν είναι δυνατόν να πραγματοποιηθούν με χρήση θερμού νερού ή αέρα. Τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης με ατμό είναι πολύ διαδεδομένα στις μεγάλες βιομηχανικές μονάδες εξαιτίας των απαιτήσεων πολλών βιομηχανικών διεργασιών για θερμική ενέργεια πολύ υψηλών θερμοκρασιών, η οποία μπορεί να προέλθει μόνο από ένα σύστημα ατμού. Έτσι, λοιπόν, ο ατμός τροφοδοτείται αρχικά σε συστήματα εκτέλεσης διάφορων βιομηχανικών διεργασιών. Σε αυτές τις διεργασίες αποδίδει το μεγαλύτερο μέρος της θερμικής ενέργειας που μεταφέρει. Επειδή, όμως, η θερμική ενέργεια που παραμένει στον ατμό είναι σημαντική, επιβάλλεται για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας, η αξιοποίησή της σε άλλες εφαρμογές. Έτσι, ο ατμός διοχετεύεται σε ένα σύστημα κεντρικής θέρμανσης με σκοπό τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων των βιομηχανικών εγκαταστάσεων. Τα συστήματα ατμού θα παρουσιαστούν πιο αναλυτικά σε επόμενο κεφάλαιο. Η συχνότητα εφαρμογής των παραπάνω συστημάτων στα κτίρια του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα είναι άμεση συνάρτηση των αναγκών αυτών των κτιρίων και σε ψύξη και αερισμό ή/και εξαερισμό. Στα μικρά κτίρια, όπου οι ανάγκες αυτές μπορούν να καλυφθούν με χρήση παθητικών τεχνικών ή τοπικών συστημάτων κλιματισμού, οι εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης είναι εξαιρετικά δημοφιλείς. Αντίθετα, στα μεγάλα κτίρια του τριτογενούς τομέα, καθώς και στις μεγάλες παραγωγικές μονάδες, η χρήση τους θεωρείται αντιοικονομική, καθώς δεν μπορούν να καλύψουν τις υπόλοιπες ενεργειακές 108

109 ανάγκες ενός κτιρίου. Επομένως, στα κτίρια αυτά συνηθίζεται η χρήση ολοκληρωμένων συστημάτων κλιματισμού ή συστημάτων κεντρικής ψύξης, τα οποία μπορούν να ικανοποιήσουν ταυτόχρονα περισσότερες από μία ενεργειακές ανάγκες ενός κτιρίου. Η ανάλυση των συστημάτων αυτών θα γίνει σε επόμενες ενότητες του παρόντος κεφαλαίου Εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα κεντρικής θέρμανσης. Μια εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης θεωρείται επιτυχημένη όταν η λειτουργία της χαρακτηρίζεται από επάρκεια, οικονομία και ασφάλεια. Η επίτευξη ενός τέτοιου τρόπου λειτουργίας προϋποθέτει την εκτέλεση μιας σωστής μελέτης, η οποία αρχικά θα υπολογίζει με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια τις θερμικές ανάγκες του κτιρίου και στη συνέχεια, θα σχεδιάζει το κατάλληλο σύστημα κεντρικής θέρμανσης που θα μπορεί να καλύψει αυτές τις ανάγκες. Ο σχεδιασμός μιας εγκατάστασης κεντρικής θέρμανσης περιλαμβάνει τη σωστή επιλογή των ενεργειακών και τεχνικών χαρακτηριστικών των συσκευών, την έξυπνη διάταξη τους στο χώρο, τον ορθολογικό σχεδιασμό του συστήματος μεταφοράς του θερμαντικού μέσου και τη λειτουργική σύνδεση και ρύθμιση των στοιχείων. Οι κυριότερες παρεμβάσεις που μπορούν να συμβάλλουν σημαντικά στην εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα σύστημα κεντρικής θέρμανσης είναι οι ακόλουθες: Σωστή διαστασιολόγηση του λέβητα. Η επιλογή της ονομαστικής θερμικής ισχύος του λέβητα αποτελεί πρώτη προτεραιότητα για το σωστό σχεδιασμό της εγκατάστασης θέρμανσης και στηρίζεται στον υπολογισμό των θερμικών απωλειών του κτιρίου και στις βασικές κλιματικές παραμέτρους της περιοχής. Υπερδιαστασιολόγηση του λέβητα έχει ως αποτέλεσμα τη συνεχή λειτουργία αυτού υπό συνθήκες μερικού φορτίου. Έτσι, ο συντελεστής απόδοσης του μειώνεται και η κατανάλωση ενέργειας εκ μέρους του αυξάνεται. Αντίθετα, ένας υποδιαστασιολογημένος λέβητας αδυνατεί να καλύψει πλήρως τις θερμικές ανάγκες του κτιρίου, ενώ υφίσταται και σοβαρή καταπόνηση εξαιτίας της συνεχούς λειτουργίας του υπό συνθήκες πλήρους φορτίου, γεγονός που μειώνει το χρόνο ζωής του. Αντικατάσταση υφιστάμενου λέβητα με λέβητα υψηλής απόδοσης. Η χρήση λεβήτων νέου τύπου με υψηλή απόδοση σε συστήματα κεντρικής θέρμανσης επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Με δεδομένη την κλίμακα απόδοσης που δίνουν οι κατασκευαστές των λεβήτων (80-110%), ένας λέβητας θεωρείται αποδοτικός, από άποψη εξοικονόμησης ενέργειας, όταν η απόδοσή του είναι άνω του 90%. Οι πλέον εξελιγμένοι, διαθέσιμοι τύποι λέβητα υψηλής απόδοσης, είναι ο λέβητας αερίου παλμικής καύσης και ο λέβητας συμπύκνωσης (παράγραφος ). Οι λέβητες αυτοί επιτυγχάνουν συντελεστή απόδοσης πάνω από 95%, μπορούν να μειώσουν το κόστος λειτουργίας της εγκατάστασης κατά 15-20% και έχουν μέγιστη περίοδο απόσβεσης 4-5 έτη. Αποφυγή κυκλικής λειτουργίας του λέβητα. Οι λέβητες έχουν υψηλότερο βαθμό απόδοσης όταν λειτουργούν με την ονομαστική θερμική ισχύ τους, δηλαδή υπό συνθήκες πλήρους φορτίου. Όμως, αυτό σπάνια συμβαίνει στην πράξη. Αντίθετα, οι χρονικές διακυμάνσεις των θερμικών φορτίων που απαιτούνται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του 109

110 κτιρίου, οδηγούν στη συχνή εκκίνηση και παύση λειτουργίας του λέβητα με αποτέλεσμα η απόδοση του συστήματος να μειώνεται δραματικά (συχνά ακόμα και κάτω από το 50%). Η λειτουργία του λέβητα σε θερμικά φορτία πολύ μικρότερα από την ονομαστική θερμική ισχύ του επί μεγάλα χρονικά διαστήματα, έχει ως συνέπεια την πολύ χαμηλή απόδοση και τη μεγάλη σπατάλη καυσίμου, επομένως και ενέργειας. Για το λόγο αυτό πρέπει να αποφεύγουμε την κυκλική λειτουργία του λέβητα (εκκίνηση-παύση-εκκίνηση). Η αποφυγή της κυκλικής λειτουργίας του λέβητα εξασφαλίζεται: α) με τον καθορισμό ελέγχων που χρησιμοποιούν βηματικούς (υψηλός-χαμηλός-μηδενικός) ή μεταβλητούς ρυθμούς καύσης (15-100%) και β) με τη χρήση πολλών μικρών λεβήτων. Στη δεύτερη περίπτωση εκκινεί αρχικά ένας λέβητας για να καλύψει τα μικρά θερμικά φορτία και μόλις αυτά αυξηθούν, εκκινούν διαδοχικά και οι υπόλοιποι λέβητες. Όταν τα φορτία μειωθούν, οι λέβητες βγαίνουν διαδοχικά εκτός λειτουργίας. Η χρήση πολλών λεβήτων είναι ευρέως διαδεδομένη σε κτιριακές εγκαταστάσεις που απαιτούν συστήματα θέρμανσης μεγάλης θερμικής ισχύος (άνω των 350kW). Θερμομόνωση λέβητα. Οι απώλειες ενός μονωμένου λέβητα δεν ξεπερνούν το 1%, ενώ σε έναν αμόνωτο λέβητα είναι μεγαλύτερες του 5%. Επομένως η θερμομόνωση του περιβλήματος του λέβητα είναι επιβεβλημένη. Θερμομόνωση συστήματος μεταφοράς. Η θερμομόνωση του δικτύου σωλήνων ή αεραγωγών, όταν αυτοί διέρχονται από μη θερμαινόμενους χώρους (υπόγεια, κλιμακοστάσια, κλπ) είναι υποχρεωτική. Υλικά μόνωσης που χρησιμοποιούνται είναι ο υαλοβάμβακας, η πολυουρεθάνη, το πυριτικό ασβέστιο, ο ορυκτοβάμβακας και το κυψελοειδές γυαλί. Σωστή κατασκευή σωληνώσεων και αεραγωγών. Η ορθή επιλογή του μήκους, της διαμέτρου και της διαμόρφωσης των σωλήνων του δικτύου μεταφοράς θερμού νερού είναι αναγκαία, ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα αυξημένων απωλειών πίεσης, τα οποία οδηγούν σε επιλογή αντλιών μεγαλύτερης ισχύος, με αποτέλεσμα αυξημένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, σωστός σχεδιασμός του δικτύου σωληνώσεων εξασφαλίζει την υδραυλική εξισορρόπηση του δικτύου, δηλαδή την παροχή ίσης ποσότητας θερμού νερού σε όλους τους κλάδους σωληνώσεων του δικτύου. Η έλλειψη υδραυλικής εξισορρόπησης προκαλεί μεγαλύτερη πτώση πίεσης στους κλάδους που είναι απομακρυσμένοι από τον κυκλοφορητή, με αποτέλεσμα την παροχή μικρότερης ποσότητας θερμού νερού στα θερμαντικά σώματα των κλάδων αυτών. Υδραυλική εξισορρόπηση επιτυγχάνεται με χρήση κατάλληλων ρυθμιστικών βαλβίδων. Στα συστήματα θέρμανσης με αέρα, πρέπει επίσης να γίνει σωστή επιλογή του μήκους και της διαμόρφωσης των αεραγωγών, ειδάλλως προκύπτουν φαινόμενα αυξημένων απωλειών πίεσης, τα οποία οδηγούν σε επιλογή ανεμιστήρων μεγαλύτερης ισχύος, με αποτέλεσμα αυξημένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Και εδώ είναι απαραίτητη η εξισορρόπηση του δικτύου, ώστε να παρέχεται ίση ποσότητα αέρα σε όλους τους κλάδους των αεραγωγών. Η έλλειψη εξισορρόπησης οδηγεί σε όμοια προβλήματα με εκείνα που εμφανίζονται στα συστήματα νερού. Η 110

111 εξισορρόπηση επιτυγχάνεται με ειδικές ηλεκτροκίνητες διατάξεις ρύθμισης της ροής του αέρα που ονομάζονται διαφράγματα αέρα (dampers). Εγκατάσταση αναλυτή καυσαερίων. Η εγκατάσταση ενός αναλυτή καυσαερίων, συμβάλλει σημαντικά στην καλύτερη απόδοση του συστήματος. Η τέλεια καύση, η οποία αποτελεί προϋπόθεση για την αποδοτική λειτουργία του καυστήρα, απαιτεί βελτιστοποίηση της αναλογίας καυσίμου-αέρα στο θάλαμο καύσης. Ο αναλυτής παρακολουθεί τη θερμοκρασία του καυσίμου όπως και τις συγκεντρώσεις CO και CO 2 στα καυσαέρια, έτσι ώστε να είναι δυνατή η αυτόματη ή χειροκίνητη ρύθμιση της βέλτιστης αναλογίας καυσίμου-αέρα στον καυστήρα, ανάλογα με τις απαιτήσεις του συστήματος σε κάθε χρονική στιγμή. Εγκατάσταση μετρητικής συσκευής. Οι μετρητικές συσκευές είναι συσκευές υπολογισμού της κατανάλωσης θερμικής ενέργειας από την εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης. Η χρήση τους επιτρέπει στους καταναλωτές να γνωρίζουν την ποσότητα ενέργειας που έχουν καταναλώσει, ώστε να αποφεύγουν την αλόγιστη σπατάλη καυσίμου. Από τους διάφορους τύπους μετρητικών συσκευών (ωρομετρητές, ογκομετρητές, θερμιδομετρητές), ο πλέον ακριβής και αξιόπιστος τύπος είναι οι θερμιδομετρητές. Αυτή η συσκευή εγκαθίσταται σε συστήματα θέρμανσης με νερό ή ατμό και μετρά τη θερμοκρασία του νερού ή του ατμού προσαγωγής και επιστροφής. Από τη διαφορά των δύο θερμοκρασιών υπολογίζει τη θερμική ενέργεια που καταναλώθηκε από την εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης. Τοποθέτηση διαφράγματος αέρα στον καπναγωγό. Το διάφραγμα περιορίζει τις θερμικές απώλειες του συστήματος θέρμανσης κατά τις περιόδους που το σύστημα είναι ανενεργό, καθώς εμποδίζει την είσοδο κρύου αέρα από τον καπναγωγό. Τοποθετείται στον καπναγωγό και περιστρέφεται από έναν ηλεκτρομαγνήτη που παίρνει τη σχετική εντολή από τον καυστήρα. Οι σύγχρονοι καυστήρες φέρουν ενσωματωμένο αυτόματο διάφραγμα. Τακτική επιθεώρηση και συντήρηση της εγκατάστασης. Σε τακτά χρονικά διαστήματα πρέπει να γίνεται έλεγχος και συντήρηση όλων των συσκευών που περιλαμβάνονται στο σύστημα θέρμανσης προκειμένου να εξασφαλίζεται η σωστή και αποδοτική λειτουργία του. Όλες οι εργασίες ελέγχου και συντήρησης πρέπει να γίνονται από εξειδικευμένο προσωπικό βάσει των οδηγιών του κατασκευαστή της κάθε συσκευής. Χωρισμός εγκατάστασης σε θερμικές ζώνες και αυτονομία θέρμανσης. Η τεχνική αυτή είναι επιβεβλημένη για κτίρια που αποτελούνται από χώρους, οι οποίοι χρειάζονται θέρμανση (και όχι μόνο) σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα (π.χ. εξαιτίας διαφορετικών ωρών λειτουργίας) ή έχουν διαφορετικές θερμικές απαιτήσεις (π.χ. εξαιτίας της χρήσης τους). Κατεξοχήν παραδείγματα τέτοιων κτιρίων είναι τα νοσοκομεία, τα ξενοδοχεία και οι βιομηχανικές μονάδες. 111

112 Κτίρια διαιρεμένα σε θερμικές ζώνες επιβάλλεται να διαθέτουν αυτονομία στη θέρμανση κάθε ζώνης. Η αυτονομία αυτή επιτυγχάνεται στα συστήματα θέρμανσης με νερό με χρήση μιας ηλεκτροκίνητης βάνας αυτονομίας και ενός θερμοστάτη χώρου ανά θερμική ζώνη. Ο θερμοστάτης χώρου τοποθετείται σε κάποιον από τους θερμαινόμενους χώρους της ζώνης και ρυθμίζεται στην επιθυμητή θερμοκρασία της. Μόλις η θερμοκρασία κάποιας ζώνης πέσει κάτω από την επιθυμητή τιμή, ο θερμοστάτης της ζώνης δίνει ηλεκτρική εντολή στη αντίστοιχη βάνα να ανοίξει, επιτρέποντας έτσι την παροχή θερμαντικού μέσου στα σώματα αυτής της θερμικής ζώνης. Το αντίθετο συμβαίνει εάν η θερμοκρασία κάποιας ζώνης υπερβεί την επιθυμητή τιμή. Στα συστήματα θέρμανσης με αέρα, το ρόλο των ηλεκτροβανών αναλαμβάνουν τα διαφράγματα αέρα που βρίσκονται στους κεντρικούς αεραγωγούς τροφοδοσίας των επιμέρους δικτύων αεραγωγών κάθε ζώνης. Τα διαφράγματα αυτά ρυθμίζουν την κυκλοφορία του θερμού αέρα εντός των κεντρικών αεραγωγών, επιτρέποντας τη διέλευση της επιθυμητής, κάθε φορά, ποσότητας, η οποία μπορεί να είναι από μηδενική (το damper κλείνει τελείως) έως μέγιστη. Η ρύθμιση των διαφραγμάτων αέρα του κεντρικού αεραγωγού κάθε ζώνης πραγματοποιείται από το θερμοστάτη της ζώνης με τρόπο ανάλογο εκείνου των συστημάτων νερού. Χάρη στο σύστημα αυτονομίας των θερμικών ζωνών, η κατανάλωση θερμικής ενέργειας προσαρμόζεται σύμφωνα με τις εκάστοτε ανάγκες κάθε ζώνης και έτσι επιτυγχάνεται σοβαρή εξοικονόμηση ενέργειας. Χρήση θερμοστατικών διακοπτών. Ο συνδυασμός ηλεκτροβάνας-θερμοστάτη εξασφαλίζει την αυτονομία θέρμανσης των θερμικών ζωνών ενός κτιρίου. Όμως, η κάθε ζώνη αποτελείται από έναν αριθμό θερμαινόμενων χώρων, κάποιος από τους οποίους είναι δυνατόν να παρουσιάζει διαφορετική θερμοκρασία με τους υπόλοιπους. Αυτή η θερμοκρασία μπορεί να είναι διάφορη της επιθυμητής και επομένως να χρειάζεται ρύθμιση. Στην περίπτωση αυτή, απαιτείται ρύθμιση της θερμοκρασίας μόνο ενός χώρου και όχι όλης της θερμικής ζώνης. Η λύση αυτού του προβλήματος επιτυγχάνεται με τη μέθοδο των θερμοστατικών διακοπτών, η οποία εξασφαλίζει την αυτονομία κάθε μεμονωμένου θερμαντικού σώματος. Οι θερμοστατικοί διακόπτες μοιάζουν με τους απλούς διακόπτες, τους οποίους μπορούν να αντικαταστήσουν, αλλά στη θέση της χειρολαβής έχουν μια θερμοστατική κεφαλή, η οποία φέρει αριθμούς για τη ρύθμιση της επιθυμητής θερμοκρασίας του χώρου. Οι θερμοστατικοί διακόπτες τοποθετούνται στα σώματα και διατηρούν τη θερμοκρασία τους και επομένως και τη θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου στην επιθυμητή τιμή, ρυθμίζοντας την παροχή θερμού νερού σε αυτά. Μόλις η θερμοκρασία του χώρου πέσει κάτω από την επιθυμητή τιμή, τότε οι διακόπτες των σωμάτων αφήνουν ελεύθερη τη διέλευση του θερμαντικού μέσου προς τα σώματα. Μόλις η θερμοκρασία φτάσει την επιθυμητή τιμή, οι διακόπτες των σωμάτων περιορίζουν ή σταματούν τη διέλευση του θερμαντικού μέσου, ώστε η θερμοκρασία να διατηρηθεί στην τιμή αυτή. Στα συστήματα θέρμανσης με αέρα, το ρόλο των θερμοστατικών διακοπτών τον αναλαμβάνουν τα διαφράγματα αέρα, τα οποία βρίσκονται στους αεραγωγούς που καταλήγουν στα στόμια αέρα κάθε θερμαινόμενου χώρου της ζώνης. Η ρύθμιση των διαφραγμάτων γίνεται με τρόπο ανάλογο των θερμοστατικών διακοπτών, ώστε να ελέγχεται η παροχή θερμού αέρα στο χώρο. 112

113 Χρήση συστήματος αντιστάθμισης. Στα συστήματα νερού, η τοποθέτηση του συστήματος αντιστάθμισης στην εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης επιτυγχάνει την ακριβή ρύθμιση της θερμοκρασίας των θερμαντικών σωμάτων σε συνάρτηση με την εκάστοτε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η αντιστάθμιση μπορεί να γίνει είτε με τον έλεγχο της παροχής θερμού νερού στα σώματα, είτε με τον έλεγχο της θερμοκρασίας του θερμού νερού που παρέχεται στα σώματα. Η πρώτη τεχνική μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με τη χρήση τρίοδων βανών ανάμειξης, αλλά η εφαρμογή της είναι πολύ σπάνια. Η αιτία είναι η λειτουργικότητα αυτού του ελέγχου μόνο σε περιπτώσεις μικρών, σχετικά, αυξομειώσεων στην παροχή θερμού νερού στα σώματα. Δυστυχώς όμως αυτές οι μικρές αυξομειώσεις επιφέρουν ακόμα πιο μικρή εξοικονόμηση ενέργειας. Για παράδειγμα, μείωση κατά 50% της παροχής έχει ως αποτέλεσμα μόνο μια μείωση της τάξης του 10% στην ποσότητα θερμικής ενέργειας που προσφέρεται στο θερμαντικό μέσο του δικτύου. Η επίτευξη σημαντικής μείωσης της θερμικής ενέργειας προϋποθέτει στραγγαλισμό της παροχής θερμού νερού σε σημείο που να κινδυνεύει σοβαρά η υδραυλική εξισορρόπηση του δικτύου. Για το λόγο αυτό, η τεχνική αντιστάθμισης που εφαρμόζεται είναι η ρύθμιση της θερμοκρασίας του θερμού νερού που παρέχεται στα θερμαντικά σώματα. Αυτό το σύστημα αντιστάθμισης αποτελείται από την ηλεκτρονική συσκευή ελέγχου, τον επιλογέα εσωτερικής θερμοκρασίας, τους αισθητήρες καιρού και θερμού νερού προσαγωγής στα σώματα και το σερβοκινητήρα της βάνας ανάμειξης. Σχήμα 7.3. Σύστημα αντιστάθμισης (με τετράοδη βάνα ανάμειξης) σε κτίριο με διαφορετικές θερμικές ζώνες. Αρχικά καθορίζεται η επιθυμητή εσωτερική θερμοκρασία στον επιλογέα. Οι μεταβολές της εξωτερικής θερμοκρασίας γνωστοποιούνται στην συσκευή ελέγχου από τον αισθητήρα καιρού. Με βάση την επιθυμητή εσωτερική θερμοκρασία και τις μεταβολές της εξωτερικής θερμοκρασίας, η ηλεκτρονική συσκευή ελέγχου επιλέγει ανάλογα τη θερμοκρασία του νερού προσαγωγής. Στη συνέχεια, η συσκευή αυτή δίνει εντολή στο σερβοκινητήρα να μεταβάλλει τη θέση του περιστρεφόμενου μύλου της βάνας ανάμειξης. Η περιστροφή καθορίζει το ποσοστό ανάμειξης, από το οποίο προκύπτει τελικά η επιθυμητή θερμοκρασία του νερού προσαγωγής. Τέλος, ο αισθητήρας του νερού προσαγωγής αντιλαμβάνεται τις μεταβολές της θερμοκρασίας του θερμού νερού που τροφοδοτεί τα σώματα και ενημερώνει σχετικά την ηλεκτρονική συσκευή. Αυτή δίνει πάλι εντολή στο 113

114 σερβοκινητήρα να διορθώσει τη θέση του περιστρεφόμενου μύλου της βάνας, ώστε να διατηρηθεί σταθερή η θερμοκρασία στα θερμαντικά σώματα. Με το σύστημα αυτό επιτυγχάνεται σημαντικότατη εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς αξιοποιείται η θερμική ενέργεια του νερού που επιστρέφει από τα σώματα, η οποία διαφορετικά θα έμενε ανεκμετάλλευτη. Το σύστημα αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για κτίρια, τα οποία είναι χωρισμένα σε θερμικές ζώνες. Χρήση τετράοδης βάνας ανάμειξης. Η τετράοδη βάνα ανάμειξης έχει τη βασική ιδιότητα να επιτρέπει σε ένα μέρος του θερμού νερού να επιστρέφει πίσω στο λέβητα. Με τον τρόπο αυτό διατηρεί τη θερμοκρασία του λέβητα σε υψηλά επίπεδα, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας και την αύξηση της διάρκειας ζωής του λέβητα, επειδή αποτρέπεται η δημιουργία συμπυκνωμάτων θειικού οξέος, τα οποία διαβρώνουν το λέβητα. Μείωση προκαθορισμένης θερμοκρασίας χώρου. Η μείωση της θερμοκρασίας του χώρου κατά 1 o C κάτω από την επιθυμητή εξασφαλίζει εξοικονόμηση καυσίμων κατά 6%. Οι παραπάνω τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας σε συστήματα κεντρικής θέρμανσης μπορούν να περιορίσουν σε σημαντικό βαθμό την ανεξέλεγκτη κατανάλωση που λαμβάνει χώρα, ιδίως σε κτίρια του τριτογενούς τομέα, όπου η κεντρική θέρμανση είναι υπεύθυνη για το 52% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Εν κατακλείδι, αυτό που πρέπει να γίνει αντιληπτό είναι πως ο σωστός σχεδιασμός και η προσεκτική μελέτη πριν την εγκατάσταση ενός συστήματος κεντρικής θέρμανσης εγγυάται μια επιτυχημένη εγκατάσταση. Μάλιστα, η συνεργασία του υπεύθυνου της οικοδομής με τον επιβλέποντα Διπλ. Μηχανικό και τον εγκαταστάτη υδραυλικό βοηθά στη λύση πολλών προβλημάτων Συστήματα τοπικής θέρμανσης. Συστήματα τοπικής θέρμανσης ονομάζονται οι ανεξάρτητες μονάδες παραγωγής θερμότητας, οι οποίες εγκαθίστανται στο χώρο τον οποίο πρόκειται να θερμάνουν. Η θερμότητα που παράγουν χρησιμοποιείται για τη θέρμανση αποκλειστικά του χώρου στον οποίο βρίσκονται. Τα συστήματα τοπικής θέρμανσης αποτελούν τη μοναδική εφικτή λύση για τη θέρμανση ενός απομονωμένου χώρου, ο οποίος για οποιοδήποτε λόγο (τεχνικό ή οικονομικό) δεν μπορεί να συνδεθεί σε ένα σύστημα κεντρικής θέρμανσης. Επίσης, χρησιμοποιούνται ως συμπληρωματικά στοιχεία μιας εγκατάστασης κεντρικής θέρμανσης όταν αυτή δεν μπορεί να θερμάνει ικανοποιητικά ένα χώρο, εξαιτίας π.χ. κακής διαστασιολόγησης του λέβητα. Τα πιο διαδεδομένα συστήματα τοπικής θέρμανσης είναι τα ακόλουθα: Θερμάστρες καυσίμων. Ανάλογα με το είδος του χρησιμοποιούμενου καυσίμου διακρίνονται σε θερμάστρες στερεών καυσίμων (ξύλο, γαιάνθρακας), θερμάστρες πετρελαίου και θερμάστρες αερίου (υγραέριο). 114

115 Ηλεκτρικές θερμάστρες. Αποτελούνται από ηλεκτρικές αντιστάσεις, γυμνές ή καλυμμένες από κάποιο θερμικά αγώγιμο υλικό, οι οποίες ερυθροπυρώνονται όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Ένας ανακλαστήρας κατευθύνει τη θερμική ακτινοβολία προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Θερμάστρες υπέρυθρης ακτινοβολίας. Λειτουργούν με πετρέλαιο, υγραέριο ή ηλεκτρισμό και αποτελούνται από την πηγή της υπέρυθρης ακτινοβολίας και τον ανακλαστήρα, ο οποίος κατευθύνει την ακτινοβολία προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Έτσι, θερμαίνουν απευθείας τα άτομα ή τα αντικείμενα που βρίσκονται απέναντι και όχι τον ενδιάμεσο αέρα, ο οποίος είναι κακός απορροφητής της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Επομένως η λειτουργία των συσκευών αυτών είναι οικονομικότερη, καθώς δεν θερμαίνουν τον αέρα. Αερόθερμα. Λειτουργούν με πετρέλαιο, φυσικό αέριο ή ηλεκτρισμό και αποτελούνται από έναν ανεμιστήρα με τον κινητήρα του, ένα θερμαντικό στοιχείο και το περίβλημα που είναι και το σώμα του αερόθερμου. Τα πιο απλά και εύχρηστα, τα οποία τοποθετούνται στα δάπεδα των κτιρίων, είναι τα ηλεκτρικά αερόθερμα. Το θερμαντικό στοιχείο τους είναι οι ηλεκτρικές αντιστάσεις που θερμαίνουν τον αέρα, ο οποίος κυκλοφορεί με τη βοήθεια του ανεμιστήρα. Η χρήση αερόθερμων είναι συνηθισμένη σε χώρους όπως συνεργεία, μηχανουργεία, βαφεία και σε μικρές βιοτεχνικές μονάδες. Θερμοσυσσωρευτές. Αποτελούνται από πυρότουβλα με ενσωματωμένες ηλεκτρικές αντιστάσεις, τα οποία περιβάλλονται από κατάλληλα θερμομονωτικά υλικά. Όλη η κατασκευή περικλείεται από μεταλλικό περίβλημα. Το ηλεκτρικό ρεύμα διαβιβάζεται στις αντιστάσεις τη νύχτα, οπότε και ισχύει φθηνότερο τιμολόγιο. Η θερμότητα που παράγεται, αποθηκεύεται στα τούβλα που έχουν μεγάλη θερμοχωρητικότητα και στη συνέχεια αποδίδεται στον εσωτερικό χώρο κατά τη διάρκεια του 24ώρου. Σχήμα 7.4. Δυναμικός θερμοσυσσωρευτής. 115

116 Ανάλογα με τον τρόπο απόδοσης της θερμότητας, οι θερμοσυσσωρευτές διακρίνονται σε στατικούς και δυναμικούς. Στους στατικούς θερμοσυσσωρευτές η απόδοση της θερμότητας γίνεται χωρίς έλεγχο, εξαιτίας της ακτινοβολίας της εξωτερικής επιφάνειάς τους. Στους δυναμικούς θερμοσυσσωρευτές, οι οποίοι έχουν υψηλότερο κόστος, η απόδοση της θερμότητας είναι ρυθμιζόμενη και γίνεται με τη βοήθεια ανεμιστήρα, ο οποίος λειτουργεί μέσω ενός θερμοστάτη χώρου. Σημείωση: Στα συστήματα τοπικής θέρμανσης ανήκουν και τα τζάκια, τα οποία όμως δεν χρησιμοποιούνται πλέον σε κτίρια του τριτογενούς τομέα ή σε βιομηχανίες. Τα συστήματα τοπικής θέρμανσης δεν προσφέρουν πολλά περιθώρια για παρεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως αποτελούνται από μια μεμονωμένη συσκευή, η οποία εξοικονομεί τόση ενέργεια, όση της επιτρέπει ο αρχικός κατασκευαστικός σχεδιασμός της. Επομένως, ο συντελεστής απόδοσης της συσκευής είναι ένα μέγεθος με εξαιρετική σημασία, καθώς αποτελεί ένα μέτρο της εξοικονόμησης ενέργειας εκ μέρους της. Όμως, εκτός από κατασκευαστικές και λειτουργικές παραμέτρους, η τιμή του συντελεστή απόδοσης εξαρτάται και από το καύσιμο που χρησιμοποιεί η συσκευή τοπικής θέρμανσης. Για παράδειγμα, ο συντελεστής απόδοσης συσκευών φυσικού αερίου είναι μεγαλύτερος εκείνου των συσκευών πετρελαίου. Αυτό σημαίνει πως οι θερμάστρες ή τα αερόθερμα φυσικού αερίου είναι καλύτερα των αντίστοιχων πετρελαίου. Συνεπώς, κατά την επιλογή ενός συστήματος τοπικής θέρμανσης πρέπει πάντα να εξετάζουμε το συντελεστή απόδοσης, ώστε η επιλογή μας να είναι βέλτιστη Συστήματα ψύξης χώρων Γενικά. Ως σύστημα ψύξης εσωτερικών χώρων νοείται κάθε σύστημα που παράγει και διανέμει ψυκτική ενέργεια μέσα στο κτίριο. Σκοπός των συστημάτων ψύξης είναι η διατήρηση της θερμοκρασίας των εσωτερικών χώρων ενός κτιρίου στα επιθυμητά επίπεδα και η εξασφάλιση χαμηλών θερμοκρασιών σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές, με κυριότερη εκείνη της συντήρησης τροφίμων. Οι μονάδες παραγωγής ψύξης κατατάσσονται, ανάλογα με τη θέση της πηγής ψυκτικής ενέργειας, στις: α) κεντρικές μονάδες και β) τοπικές μονάδες παραγωγής ψύξης. Επίσης, ανάλογα με τον τύπο συμπυκνωτή (ή το μέσο συμπύκνωσης) που χρησιμοποιούν, διακρίνονται: α) στις αερόψυκτες μονάδες, β) στις υδρόψυκτες μονάδες και γ) στις μονάδες εξατμιζόμενου τύπου. Τέλος, ανάλογα με το προς ψύξη ή ψυχόμενο μέσο, έχουμε, κυρίως, τα ψυκτικά συστήματα: α) αέρα και β) νερού. Το σύστημα ή τα συστήματα ψύξης εσωτερικών χώρων που καλύπτουν ένα κτίριο ή τμήμα αυτού, σχεδιάζονται και διαστασιολογούνται έτσι, ώστε να καλύπτουν τις απαιτήσεις ψύξης σε δυσμενείς συνθήκες περιβάλλοντος (συνθήκες σχεδιασμού θέρους), όπως αυτές προδιαγράφονται στους σχετικούς κανονισμούς και στις σχετικές οδηγίες (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε /2010, «Κλιματικά δεδομένα ελληνικών περιοχών»). Κατά την περίοδο ψύξης, οι εξωτερικές συνθήκες περιβάλλοντος μεταβάλλονται συνεχώς, τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας, όσο και από ημέρα σε ημέρα και αποκλίνουν σημαντικά από τις συνθήκες σχεδιασμού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα κάθε σύστημα ψύξης να λειτουργεί το περισσότερο χρόνο της περιόδου ψύξης υπό συνθήκες μερικού φορτίου και η πραγματική ενεργειακή απόδοσή του να είναι μικρότερη της ονομαστικής. 116

117 Ο σχεδιασμός του συστήματος ψύξης πρέπει να γίνεται έτσι, ώστε να προβλέπεται η κάλυψη των μερικών φορτίων με τον καλύτερο δυνατό βαθμό απόδοσης, ανάλογα με τη χρήση, το ωράριο λειτουργίας και τη διακύμανση των ψυκτικών αναγκών του κτιρίου. Η χρήση πολυβάθμιων συστημάτων ψύξης μεταβλητής ψυκτικής ικανότητας (αντλίες θερμότητας ή ψύκτες με πολυβάθμιους συμπιεστές ή κινητήρες μεταβλητής συχνότητας) ή/και η χρήση περισσότερων του ενός συστημάτων ψύξης διαφορετικής ισχύος, ιδιαίτερα σε εγκαταστάσεις μεγάλης ψυκτικής ισχύος, συμβάλλουν προς τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των ψυκτικών μονάδων και τελικά τη μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας. Τα συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούνται ευρέως στα ελληνικά κτίρια είναι ψύκτες ή αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούν, κυρίως, ηλεκτρικούς κινητήρες ή πιο σπάνια, κινητήρες κατανάλωσης φυσικού αερίου ή άλλου συμβατικού καυσίμου. Σε μεγάλα κτίρια του τριτογενούς τομέα (κυρίως στα νεόδμητα) και σε μεγάλες βιομηχανικές μονάδες χρησιμοποιούνται κυρίως κεντρικά συστήματα ψύξης ή κλιματισμού. Αντίθετα, στα μικρά κτίρια χρησιμοποιούνται τοπικά συστήματα ψύξης, καθώς η λύση της κεντρικής ψύξης είναι αντιοικονομική. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, τα κεντρικά συστήματα ψύξης χρησιμοποιούνται και για τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων. Η δυνατότητα αυτής της «διπλής» λειτουργίας θα εξεταστεί αναλυτικά στην επόμενη παράγραφο. Η χρήση των κεντρικών συστημάτων ψύξης σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες («βιομηχανική ψύξη») με κυριότερη τη συντήρηση τροφίμων, θα μας απασχολήσει σε επόμενο κεφάλαιο Ψυκτικοί κύκλοι. Η διαδικασία παραγωγής ψύξης μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση πολλών διατάξεων, οι οποίες ονομάζονται ψυκτικοί κύκλοι. Οι πιο διαδεδομένοι ψυκτικοί κύκλοι είναι ο κύκλος ψύξης με συμπίεση, ο κύκλος ψύξης με απορρόφηση και ο ενδιάμεσος κύκλος ή κύκλος ψύξης με προσρόφηση. Ένα σύστημα ψύξης που χρησιμοποιεί τον κύκλο ψύξης με συμπίεση, αποτελείται από το συμπιεστή, την εκτονωτική βαλβίδα και δύο εναλλάκτες θερμότητας. Το συμπυκνωτή και τον εξατμιστή. Προκειμένου να λειτουργήσει ένα τέτοιο σύστημα, απαιτείται μηχανική ενέργεια ώστε να τεθεί σε κίνηση ο συμπιεστής. Την ενέργεια αυτή την παρέχει ένας κινητήρας. Για τη λειτουργία του συστήματος απαιτείται μια κατάλληλη χημική ουσία που ονομάζεται ψυκτικό μέσο. Η βασική αρχή λειτουργίας των συστημάτων ψύξης με συμπίεση ατμού είναι το γεγονός πως τα καθαρά υγρά εξατμίζονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες και σε διαφορετικές πιέσεις οι υψηλές πιέσεις δίνουν υψηλά σημεία βρασμού και κατά το βρασμό απορροφούν λανθάνουσα θερμότητα από το περιβάλλον (λανθάνουσα θερμότητα είναι η θερμότητα που πρέπει να απορροφήσει ένα σώμα προκειμένου να αλλάξει φυσική κατάσταση, χωρίς αλλαγή της θερμοκρασίας του). Αντίστροφα, κατά τη μετατροπή ατμού σε υγρό (συμπύκνωση) εκλύεται θερμότητα. Εάν η εξάτμιση μπορεί να λάβει χώρα σε μια δεδομένη πίεση και η συμπύκνωση σε μία άλλη, τότε η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί από ένα επίπεδο σε άλλο. Στη ψύξη θέλουμε να μεταφέρουμε θερμότητα από κάποια χαμηλή (ψυχρή) θερμοκρασία σε μία υψηλότερη. Ο ατμός που παράγεται από το υγρό που βράζει σε χαμηλή πίεση, πρέπει να συμπιεστεί σε υψηλότερη πίεση έτσι ώστε να μπορεί να συμπυκνωθεί σε υψηλότερη θερμοκρασία. Ο κύκλος ψύξης με συμπίεση είναι ο εξής: το ψυκτικό μέσο, το οποίο βρίσκεται σε αέρια κατάσταση, εισέρχεται στο συμπιεστή με χαμηλή πίεση και θερμοκρασία λίγο μεγαλύτερη από το σημείο βρασμού στην πίεση αυτή. Ο συμπιεστής, κινούμενος από τον κινητήρα, αυξάνει την πίεση και τη θερμοκρασία του ατμού, καταναλώνοντας μηχανική ενέργεια. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών υγροποίησης και 117

118 εξάτμισης, τόσο μεγαλύτερη είναι η μηχανική ενέργεια που απαιτεί ο συμπιεστής από τον κινητήρα για την παραγωγή ίδιας ποσότητας ψύξης. Στη συνέχεια, ο συμπιεσμένος ατμός ψύχεται και υγροποιείται μέσα στον συμπυκνωτή και αποβάλλει τη λανθάνουσα θερμότητά του στον περιβάλλοντα αέρα ή νερό, τα οποία αποτελούν τα μέσα συμπύκνωσης. Το υγροποιημένο ψυκτικό μέσο περνά τότε από υψηλή σε χαμηλή πίεση μέσω της εκτονωτικής βαλβίδας. Η μείωση της πίεσης έχει ως αποτέλεσμα την ατμοποίηση ενός μέρους του υγρού. Το μίγμα στη συνέχεια φθάνει στον εξατμιστή, όπου απορροφά θερμότητα και εξατμίζεται. Η θερμότητα αυτή προέρχεται από το ψυχόμενο μέσο που είναι το μέσο που χρησιμοποιείται για τη ψύξη του αέρα των εσωτερικών χώρων. Στη συνέχεια, ο ατμός χαμηλής πίεσης εισέρχεται στο συμπιεστή και η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται. Σχήμα 7.5. Κύκλος ψύξης με συμπίεση. Ο κύκλος ψύξης με απορρόφηση αντικαθιστά το συμπιεστή με μια νέα διάταξη, η οποία αποτελείται από τον απορροφητή, την αντλία, το διαχωριστή, τον εναλλάκτη θερμότητας και την εκτονωτική βαλβίδα. Για τη λειτουργία του κύκλου ψύξης με απορρόφηση, απαιτούνται δύο κατάλληλες ουσίες, οι οποίες είναι το ψυκτικό μέσο και το απορροφητικό υγρό. Ο ψυκτικός κύκλος με απορρόφηση, διαφέρει του ψυκτικού κύκλου με συμπίεση, μόνο στο τμήμα μεταξύ του εξατμιστή και του συμπυκνωτή. Είναι αυτό ακριβώς το τμήμα όπου ο συμπιεστής του προηγούμενου κύκλου έχει αντικατασταθεί με τη νέα διάταξη. Η πορεία της ψύξης στο τμήμα αυτό είναι η εξής: αφού το ψυκτικό μέσο εξέλθει με τη μορφή ατμού χαμηλής πίεσης από τον εξατμιστή, εισέρχεται στον απορροφητή. Εκεί ο ατμός αναμειγνύεται με το απορροφητικό υγρό και δημιουργείται ένα πυκνό διάλυμα το οποίο με τη βοήθεια της αντλίας περνάει από τον εναλλάκτη θερμότητας και καταλήγει στο διαχωριστή. Εκεί το διάλυμα θερμαίνεται και διαχωρίζεται σε υπέρθερμο ατμό υψηλής πίεσης (ψυκτικό μέσο) και σε αραιό διάλυμα υψηλής πίεσης (απορροφητικό υγρό). Το ψυκτικό μέσο εισέρχεται στο συμπυκνωτή. Η υπόλοιπη διαδικασία είναι γνωστή. Ο τελευταίος ψυκτικός κύκλος που θα μελετήσουμε είναι ο ενδιάμεσος κύκλος ή κύκλος ψύξης με προσρόφηση. Ένα σύστημα ψύξης που λειτουργεί βάσει αυτού του κύκλου, χωρίζεται σε τέσσερα διαμερίσματα. Τα δύο από αυτά είναι ο συμπυκνωτής και ο εξατμιστής που συνδέονται μέσω της εκτονωτικής βαλβίδας. Τα άλλα δύο διαμερίσματα είναι εναλλάκτες θερμότητας με χάλκινους σωλήνες, οι οποίοι περιβάλλονται από ένα υλικό που ονομάζεται silica gel. Το silica gel είναι μια μορφή διοξειδίου του πυριτίου και έχει την ιδιότητα να απορροφά την υγρασία. Βρίσκεται σε στερεά κατάσταση και 118

119 χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο (μοναδική περίπτωση χρήσης στερεού ψυκτικού μέσου από κύκλο ψύξης). Το silica gel παίζει το ρόλο του προσροφητή στο ένα διαμέρισμα και το ρόλο του διαχωριστή στο άλλο διαμέρισμα. Ο κύκλος προσρόφησης είναι όμοιος με τους άλλους δύο κύκλους ψύξης, εκτός του τμήματος μεταξύ του εξατμιστή και του συμπυκνωτή. Η διαδικασία της ψύξης σε αυτό το τμήμα είναι η εξής: ο ατμός χαμηλής πίεσης που φεύγει από τον εξατμιστή, εισέρχεται στον προσροφητή. Εκεί το silica gel απορροφά τους υδρατμούς και η παραγόμενη θερμότητα αποβάλλεται στο μέσο συμπύκνωσης, το οποίο ψύχει το εν λόγω διαμέρισμα. Η ψύξη του διαμερίσματος του προσροφητή είναι απαραίτητη, ώστε να εξακολουθήσει το silica gel να είναι ικανό να απορροφά τους υδρατμούς. Ακολούθως οι υδρατμοί που έχουν απορροφηθεί από το silica gel στο διαμέρισμα του προσροφητή, διαχωρίζονται από αυτό στο διαμέρισμα του διαχωριστή. Για να γίνει ο διαχωρισμός απαιτείται θερμότητα (θερμότητα αναγέννησης). Τέλος, οι υδρατμοί πηγαίνουν στο συμπυκνωτή προκειμένου να ψυχθούν και ο υπόλοιπος κύκλος είναι γνωστός. Αν η ψυκτική ικανότητα μειωθεί σε μια ορισμένη τιμή, λόγω κορεσμού του ψυκτικού μέσου στον προσροφητή, τα διαμερίσματα προσροφητή και διαχωριστή έχουν τη δυνατότητα να αντιστρέψουν τη λειτουργία τους. Αυτό μπορεί να γίνει όσες φορές είναι απαραίτητο. Όλοι οι ψυκτικοί κύκλοι διαθέτουν μια τετράοδη βαλβίδα με τη βοήθεια της οποίας έχουν τη δυνατότητα αντιστροφής της λειτουργίας τους. Αντιστροφή του ψυκτικού κύκλου σημαίνει εναλλαγή μεταξύ της ψυκτικής και της θερμαντικής λειτουργίας. Κατά την αντιστροφή του ψυκτικού κύκλου, το μόνο που αλλάζει είναι η αντιστροφή ρόλων μεταξύ του συμπυκνωτή και του εξατμιστή. Αυτή η ιδιότητα των ψυκτικών κύκλων είναι εξαιρετικής σημασίας, καθώς δίνει τη δυνατότητα χρήσης της ίδιας συσκευής, τόσο για τη ψύξη, όσο και για τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων. Επομένως, ένας ψυκτικός κύκλος, παρότι φέρει το χαρακτηρισμό «ψυκτικός», χρησιμοποιείται για την παραγωγή ψυκτικής, αλλά και θερμικής ενέργειας. Ο κύκλος ψύξης με συμπίεση αποτελεί το πιο διαδεδομένο ψυκτικό κύκλο, ενώ ο κύκλος ψύξης με προσρόφηση χρησιμοποιείται μόνο από μερικές εκατοντάδες ψυκτικά συστήματα. Ένας από τους κυριότερους λόγους που οδήγησαν σε αυτή τη συχνότητα χρήσης των ψυκτικών κύκλων είναι ο συντελεστής απόδοσης τους, όπως θα δούμε στη συνέχεια. Εν τούτοις, ο συνδυασμός των κύκλων απορρόφησης-προσρόφησης με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, κυρίως την ηλιακή ενέργεια, δίνει νέα και εξαιρετικά ελπιδοφόρα προοπτική όσον αφορά τη χρήση τους από τα συστήματα ψύξης. Αυτό είναι όμως κάτι που θα εξεταστεί σε επόμενο κεφάλαιο Κεντρικά συστήματα ψύξης. Κεντρικό σύστημα ψύξης ενός κτιρίου ή τμήματός τους ονομάζεται μια κεντρική πηγή παραγωγής ψύξης, η οποία είναι εγκατεστημένη στο κτίριο ή τμήμα αυτού, καθώς και το σύνολο των συσκευών, διατάξεων, μηχανισμών, κτλ. που παραλαμβάνουν τη ψυκτική ενέργεια που παράγεται από την πηγή μέσω του ψυχόμενου μέσου και την κατανέμουν στους εσωτερικούς χώρους του κτιρίου ή του τμήματός του. Τα κεντρικά συστήματα ψύξης χρησιμοποιούνται τόσο για τη ψύξη, όσο και για τη θέρμανση των κτιρίων, ενώ αν διαθέτουν τον απαιτούμενο εξοπλισμό, παράγουν και ζεστό νερό χρήσης. Στην κατηγορία των κεντρικών ψυκτικών συστημάτων ανήκουν οι διάφοροι τύποι ψυκτών και αντλιών θερμότητας, οι οποίοι παρουσιάζονται στη συνέχεια: Ψύκτες. Οι ψύκτες είναι οι κλασικότερες συσκευές παραγωγής ψύξης. Διακρίνονται σε ηλεκτροκίνητους, μηχανοκίνητους και θερμοκίνητους ψύκτες, ανάλογα με το είδος 119

120 της ενέργειας που καταναλώνουν για την παραγωγή ψυκτικής ενέργειας. Οι ηλεκτροκίνητοι και οι μηχανοκίνητοι ψύκτες ονομάζονται και συμβατικοί ψύκτες επειδή χρησιμοποιούν τον κύκλο ψύξης με συμπίεση για την παραγωγή ψύξης. Οι θερμοκίνητοι ψύκτες κάνουν χρήση των κύκλων απορρόφησης ή προσρόφησης για την παραγωγή ψύξης. Επιπλέον, οι ψύκτες διακρίνονται σε αερόψυκτους και υδρόψυκτους ψύκτες ανάλογα με το είδος του συμπυκνωτή που χρησιμοποιούν. Οι αερόψυκτοι συμπυκνωτές χρησιμοποιούν τον αέρα του περιβάλλοντος ως μέσο συμπύκνωσης, όπου γίνεται η απευθείας απόρριψη της λανθάνουσας θερμότητας του ψυκτικού μέσου. Οι υδρόψυκτοι συμπυκνωτές χρησιμοποιούν το νερό για την απόρριψη της λανθάνουσας θερμότητας του ψυκτικού μέσου. Επομένως, οι υδρόψυκτοι ψύκτες διαθέτουν έναν πύργο ψύξης (τοποθετείται σε υπαίθριο χώρο) όπου γίνεται η εκ νέου ψύξη και απόρριψη της θερμότητας που μεταφέρει το μέσο συμπύκνωσης, δηλαδή το νερό. Ηλεκτροκίνητοι ψύκτες. Ονομάζονται απλά και ηλεκτρικοί ψύκτες. Οι ψύκτες αυτοί χρησιμοποιούν ηλεκτρικούς κινητήρες για την κίνηση του συμπιεστή τους, άρα καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή ψύξης. Το ψυχόμενο μέσο που χρησιμοποιούν οι ηλεκτρικοί ψύκτες είναι είτε ο αέρας, είτε το νερό. Το ψυχόμενο μέσο ψύχεται στην κεντρική μονάδα ψύξης (στον εξατμιστή) και διοχετεύεται στους εσωτερικούς χώρους μέσω ενός δικτύου αεραγωγών ή σωληνώσεων (ανάλογα με την περίπτωση). Ανάλογα με τον τύπο συμπιεστή που χρησιμοποιούν, οι ηλεκτρικοί ψύκτες κατανέμονται σε τρεις κατηγορίες: Ηλεκτρικοί ψύκτες ονομαστικής ψυκτικός ισχύος kW, οι οποίοι χρησιμοποιούν φυγοκεντρικούς συμπιεστές. Ηλεκτρικοί ψύκτες ονομαστικής ψυκτικής ισχύος kW, οι οποίοι χρησιμοποιούν παλινδρομικούς συμπιεστές. Ηλεκτρικοί ψύκτες ονομαστικής ψυκτικής ισχύος kW, οι οποίοι χρησιμοποιούν περιστροφικούς συμπιεστές. Η ψυκτική απόδοση όλων των ψυκτικών συστημάτων εκφράζεται από το δείκτη ενεργειακής απόδοσης EER, ενώ η θερμική απόδοσή τους από το συντελεστή επίδοσης COP. Τα δύο μεγέθη δίνονται από τους κατασκευαστές των συστημάτων ή υπολογίζονται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Στην περίπτωση των ηλεκτρικών ψυκτών ο EER ορίζεται ως ο λόγος της ονομαστικής ψυκτικής ισχύος προς την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει ο συμπιεστής για την παραγωγή ψύξης. Αντίστοιχα, ο COP ορίζεται ως ο λόγος της ονομαστικής θερμικής ισχύος προς την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει ο συμπιεστής για την παραγωγή θερμικής ενέργειας. Οι αξιόλογοι αερόψυκτοι και υδρόψυκτοι ηλεκτρικοί ψύκτες χαρακτηρίζονται από EER με τιμή ίση με τουλάχιστον 2,8 και 3,8 αντίστοιχα και COP με τιμή ίση με τουλάχιστον 3,2 και 4,3 αντίστοιχα. Μηχανοκίνητοι ψύκτες. Ονομάζονται πιο απλά και μηχανικοί ψύκτες. Η μόνη διαφορά των ψυκτών αυτών από τους ηλεκτρικούς ψύκτες είναι πως ο κινητήρας που τροφοδοτεί το συμπιεστή τους είναι ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης (συνήθως πετρελαίου 120

121 ή φυσικού αερίου). Οι ψύκτες αυτοί δεν καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά μετατρέπουν τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε μηχανική ενέργεια για την κίνηση του συμπιεστή τους και την παραγωγή ψύξης. Η μέγιστη ισχύς των μηχανοκίνητων ψυκτών φθάνει τα 15MW, ενώ οι τιμές των EER και COP είναι μικρότερες από εκείνες των ηλεκτρικών ψυκτών (οι δύο συντελεστές ορίζονται όπως και στην περίπτωση των ηλεκτρικών ψυκτών με τη διαφορά πως στον παρονομαστή των δύο λόγων η ηλεκτρική ενέργεια αντικαθίσταται από τη χημική ενέργεια του καυσίμου που καταναλώνεται). Θερμοκίνητοι ψύκτες. Οι ψύκτες αυτοί καταναλώνουν θερμική ενέργεια για την παραγωγή ψύξης η οποία παρέχεται από μια πηγή παραγωγής θερμότητας που συνδέεται με το ψύκτη. Ανάλογα με το ψυκτικό κύκλο που χρησιμοποιούν, διακρίνονται σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη και κύρια κατηγορία είναι οι ψύκτες απορρόφησης. Οι ψύκτες αυτοί χρησιμοποιούν τη θερμική ενέργεια για τη θέρμανση και το διαχωρισμό του διαλύματος ψυκτικού μέσου - απορροφητικού υγρού στο διαχωριστή. Ως ψυκτικό μέσο και απορροφητικό υγρό χρησιμοποιούνται οι συνδυασμοί αμμωνίας-νερού (μόνο σε αερόψυκτους ψύκτες) και νερού-βρωμιούχου λιθίου (μόνο σε υδρόψυκτους ψύκτες). Σχήμα 7.6. Υδρόψυκτος ψύκτης απορρόφησης με αμμωνία ως ψυκτικό μέσο και νερό ως απορροφητικό υγρό. 121

122 Με βάση την πηγή παραγωγής της τροφοδοτούμενης θερμικής ενέργειας, οι ψύκτες απορρόφησης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Οι ψύκτες που λειτουργούν με λέβητα θερμού νερού (φυσικού αερίου, πετρελαίου, βιομάζας, κτλ.) ονομάζονται αμέσου θέρμανσης, ενώ οι ψύκτες που λειτουργούν με boiler θερμού νερού ή ατμού χαμηλής πίεσης ονομάζονται εμμέσου θέρμανσης. Οι περισσότεροι ψύκτες απορρόφησης χρησιμοποιούν νερό ως ψυχόμενο μέσο. Η ονομαστική ψυκτική ικανότητα των ψυκτών απορρόφησης κυμαίνεται μεταξύ 15kW και 5MW. Ο δείκτης EER ορίζεται ως ο λόγος της θερμότητας που αφαιρείται από το ψυχόμενο μέσο προς τη θερμότητα που απαιτείται για το διαχωρισμό του διαλύματος ψυκτικού μέσου και απορροφητικού υγρού στο διαχωριστή. Ο συντελεστής COP ορίζεται ως ο λόγος της θερμότητας που προσδίδεται στο θερμαινόμενο μέσο προς την απαιτούμενη θερμότητα για το διαχωρισμό του διαλύματος ψυκτικού μέσου και απορροφητικού υγρού στο διαχωριστή. Οι τιμές και των δύο δεικτών είναι αισθητά χαμηλότερες των αντίστοιχων τιμών των ηλεκτρικών και μηχανικών ψυκτών. Η δεύτερη και μικρότερη κατηγορία θερμοκίνητων ψυκτών είναι οι ψύκτες προσρόφησης. Οι ψύκτες αυτοί διαθέτουν λέβητα θερμού νερού (πετρελαίου, φυσικού αερίου, κτλ) που προσφέρει τη απαραίτητη θερμότητα αναγέννησης. Οι ψύκτες προσρόφησης είναι γενικά υδρόψυκτοι ψύκτες. Στον πύργο ψύξης το μέσο συμπύκνωσης (νερό) ψύχεται εκ νέου, αποβάλλοντας τη θερμότητα που έχει παραχθεί από την απορρόφηση των υδρατμών εκ μέρους του silica gel. Το ψυχόμενο μέσο που χρησιμοποιείται από τους ψύκτες προσρόφησης είναι κυρίως το νερό. Η ονομαστική ψυκτική ισχύς τους κυμαίνεται από 50 έως 500kW. Οι δείκτες EER και COP ορίζονται με τον ίδιο τρόπο όπως και στους ψύκτες απορρόφησης, με τη διαφορά πως στον παρονομαστή βρίσκεται η απαιτούμενη θερμότητα αναγέννησης. Οι δείκτες αυτοί για τους ψύκτες προσρόφησης είναι ακόμα χαμηλότεροι από τους αντίστοιχους των δεικτών απορρόφησης. Σχήμα 7.7. Ψύκτης προσρόφησης. 122

123 Κεντρικές αντλίες θερμότητας. Αντλίες θερμότητας ονομάζονται οι συσκευές, οι οποίες έχουν την ικανότητα να απορροφούν (αντλούν) θερμότητα από μία πηγή χαμηλής θερμοκρασίας (αέρας, νερό, έδαφος) και να τη μεταφέρουν σε έναν αποδέκτη υψηλότερης θερμοκρασίας (αέρας, νερό, έδαφος). Οι αντλίες θερμότητας που αξιοποιούνται για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης και ψύξης ολόκληρου ή ενός μεγάλου τμήματος του κτιρίου, μέσω ενός δικτύου αεραγωγών διανομής κλιματιζόμενου αέρα ή σωληνώσεων διανομής ψυχρού/θερμού νερού σε τερματικές μονάδες, ανήκουν στην κατηγορία των κεντρικών συστημάτων ψύξης και χαρακτηρίζονται ως «κεντρικές» αντλίες θερμότητας. Αντίθετα, οι αντλίες θερμότητας που τοποθετούνται σε ένα χώρο με σκοπό την εξυπηρέτηση των θερμικών - ψυκτικών αναγκών μόνο αυτού του χώρου ανήκουν στα τοπικά συστήματα ψύξης, τα οποία θα εξεταστούν σε επόμενη παράγραφο. Ονομάζονται δε, «τοπικές» αντλίες θερμότητας. Οι κεντρικές αντλίες θερμότητας χωρίζονται σε ηλεκτροκίνητες, μηχανοκίνητες και θερμοκίνητες αντλίες, όπως ακριβώς και οι ψύκτες. Όμως, αντίθετα με αυτούς, οι αντλίες καταναλώνουν ενέργεια για τη μεταφορά θερμότητας και όχι για την παραγωγή θερμικής ή ψυκτικής ενέργειας. Άλλωστε, η ενέργεια που καταναλώνει μια αντλία θερμότητας είναι μικρή, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρειάζεται για τη μεταφορά της θερμότητας, το απορροφά από την πηγή χαμηλής θερμοκρασίας. Η υπόλοιπη ενέργεια που απαιτεί η λειτουργία της αντλίας είναι ηλεκτρική, χημική ενέργεια καυσίμου ή θερμική ενέργεια, ανάλογα με το είδος της αντλίας. Οι περισσότερες κεντρικές αντλίες θερμότητας είναι ηλεκτρικές, επομένως ο κύκλος ψύξης που χρησιμοποιούν είναι ο κύκλος ψύξης με συμπίεση. Η μεταφορά θερμότητας μεταβάλλεται ανάλογα με τη λειτουργία του ψυκτικού κύκλου. Έτσι, κατά τη χειμερινή περίοδο που απαιτείται θέρμανση των εσωτερικών χώρων του κτιρίου, η αντλία θερμότητας μεταφέρει θερμότητα από το ψυχρό περιβάλλον, στο θερμότερο εσωτερικό του κτιρίου. Αντίθετα, το καλοκαίρι που απαιτείται ψύξη των εσωτερικών χώρων του κτιρίου, η αντλία θερμότητας μεταφέρει θερμότητα από το ψυχρό εσωτερικό του κτιρίου στο θερμότερο εξωτερικό περιβάλλον. Ως εσωτερική πηγή ή αποδέκτης θερμότητας ο ρόλος αλλάζει ανάλογα με τη λειτουργία της αντλίας (ψυκτική ή θερμαντική) χρησιμοποιείται ο αέρας ή το νερό, ενώ ως εξωτερική πηγή ή αποδέκτης θερμότητας χρησιμοποιείται ο αέρας, το νερό και το έδαφος. Ως συνέπεια των εσωτερικών και εξωτερικών πηγών/αποδεκτών θερμότητας, οι αντλίες θερμότητας διαθέτουν δύο κυκλώματα, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά της θερμότητας από το εσωτερικό στο εξωτερικό περιβάλλον και αντίστροφα. Τα κυκλώματα αποτελούνται από δίκτυο αεραγωγών ή σωληνώσεων, ανάλογα με το αν το ρευστό που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της θερμότητας είναι αέριο ή υγρό. Το κύκλωμα που αντιστοιχεί στην εξωτερική πηγή/αποδέκτη θερμότητας ονομάζεται πρωτεύον κύκλωμα, ενώ εκείνο που αντιστοιχεί στην εσωτερική πηγή/αποδέκτη θερμότητας ονομάζεται δευτερεύον κύκλωμα. Ανάλογα με το είδος της εξωτερικής πηγής/αποδέκτη θερμότητας, οι αντλίες θερμότητας διακρίνονται σε αερόψυκτες, υδρόψυκτες και γεωθερμικές αντλίες. Οι αερόψυκτες αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούν τον αέρα ως εξωτερική πηγή ή αποδέκτη θερμότητας, οι υδρόψυκτες αντλίες χρησιμοποιούν το νερό (απαιτείται πύργος ψύξης), ενώ οι γεωθερμικές αντλίες χρησιμοποιούν το έδαφος ή υπόγειαεπιφανειακά ύδατα. Το πρωτεύον κύκλωμα των γεωθερμικών αντλιών ονομάζεται γεωεναλλάκτης. Οι γεωεναλλάκτες διακρίνονται σε γεωεναλλάκτες ανοιχτού και 123

124 κλειστού κυκλώματος. Οι πρώτοι χρησιμοποιούν υπόγεια ή επιφανειακά ύδατα για την απορρόφηση ή την απόρριψη της θερμότητας, ενώ οι δεύτεροι το έδαφος. Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας παρουσιάζουν τη φιλικότερη συμπεριφορά προς το περιβάλλον και μπορούν να χαρακτηριστούν ως σύστημα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας εξαιτίας της αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας. Σχήμα 7.8. Κεντρικές αντλίες θερμότητας. Η αξιολόγηση των αντλιών θερμότητας χρησιμοποιεί, όπως είναι αναμενόμενο, τους συντελεστές EER και COP, οι οποίοι ορίζονται για κάθε κατηγορία αντλιών θερμότητας όπως ακριβώς και στην αντίστοιχη κατηγορία ψυκτών. Ικανοποιητικές τιμές του EER για τις ηλεκτρικές αερόψυκτες, υδρόψυκτες και γεωθερμικές αντλίες θερμότητας θεωρούνται οι τιμές 2,8, 3,8 και 3,0 αντίστοιχα (για τις μηχανικές αντλίες ισχύουν χαμηλότερες τιμές). Μάλιστα, ο δείκτης EER των αποδοτικότερων υδρόψυκτων αντλιών ξεπερνά την τιμή 5. Αντίστοιχα, ικανοποιητικές τιμές για τον COP των ηλεκτρικών αερόψυκτων, υδρόψυκτων και γεωθερμικών αντλιών είναι οι τιμές 3,2, 4,3 και 3,5 αντίστοιχα (για τις μηχανικές αντλίες ισχύουν χαμηλότερες τιμές). Οι καλύτερες υδρόψυκτες αντλίες έχουν COP μεγαλύτερο του 4,5. Όσον αφορά τις θερμοκίνητες αντλίες, η απόδοσή τους είναι χαμηλότερη, στα επίπεδα των αντίστοιχων θερμοκίνητων ψυκτών. Αναλόγως της κατασκευής τους, οι αντλίες θερμότητας (κεντρικές και τοπικές) χωρίζονται σε αντλίες ενιαίου και διαιρούμενου τύπου. Οι αντλίες ενιαίου τύπου έχουν όλα τα κατασκευαστικά τους μέρη τοποθετημένα μέσα σε μία μονάδα, ενώ οι διαιρεμένου τύπου αντλίες αποτελούνται από δύο ανεξάρτητες μονάδες που συνδέονται μέσω σωλήνων χαλκού. Η εξωτερική μονάδα περιέχει το πρωτεύον κύκλωμα, το συμπιεστή, τον εξωτερικό εναλλάκτη και την εκτονωτική βαλβίδα. Η εσωτερική μονάδα περιέχει το δευτερεύον κύκλωμα και τον εσωτερικό εναλλάκτη. Διαιρούμενου τύπου αντλίες θερμότητας κατασκευάζονται μόνο στην περίπτωση των αερόψυκτων αντλιών Τοπικά συστήματα ψύξης. Τα τοπικά συστήματα ψύξης ονομάζονται αλλιώς και αυτόνομα κλιματιστικά μηχανήματα. Πρόκειται για εργοστασιακά συναρμολογημένες μονάδες, οι οποίες καλύπτουν τις ψυκτικές απαιτήσεις μόνο του χώρου στον οποίο εγκαθίστανται. Σε αντίθεση με τα κεντρικά συστήματα ψύξης, τα οποία χρησιμοποιούνται για θέρμανση, 124

125 ψύξη και ζεστό νερό, τα περισσότερα τοπικά συστήματα ψύξης προορίζονται μόνο για την παραγωγή ψύξης. Βέβαια, υπάρχουν και πολλές περιπτώσεις κλιματιστικών μηχανημάτων, όπου είναι διαθέσιμη και η θερμαντική λειτουργία. Η απόδοση και η διάρκεια ζωής τους είναι μικρότερη των κεντρικών συστημάτων. Είναι ιδανικά για μικρά κτίρια και για κτίρια ενιαίων χώρων, όπου η τοποθέτηση κεντρικών συστημάτων ψύξης είναι αντιοικονομική. Τέτοια κτίρια είναι πολλά από τα κτίρια του τριτογενούς τομέα, όπως μικρά κτίρια γραφείων, τα μικρά εμπορικά καταστήματα, οι βιβλιοθήκες, οι χώροι εκθέσεων, κ.α. Τα τοπικά συστήματα ψύξης χρησιμοποιούν τον κύκλο ψύξης με συμπίεση για την παραγωγή ψυκτικής ενέργειας. Μάλιστα, η μηχανική ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία του συμπιεστή προέρχεται σχεδόν πάντα από κάποιο ηλεκτρικό κινητήρα. Τα κυριότερα είδη τοπικών ψυκτικών συστημάτων είναι τα ακόλουθα: Τοπικές αντλίες θερμότητας. Οι τοπικές αντλίες θερμότητας είναι αντλίες θερμότητας μικρής ονομαστικής ισχύος, οι οποίες εξυπηρετούν τις ψυκτικές και θερμαντικές ανάγκες του χώρου στον οποίο τοποθετούνται. Όλες οι τοπικές αντλίες θερμότητας είναι αερόψυκτες αντλίες που καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια και είναι είτε ενιαίου τύπου, είτε διαιρούμενου τύπου. Οι συντελεστές EER και COP αυτών των αντλιών πλησιάζουν τα επίπεδα των ίδιων συντελεστών των αερόψυκτων κεντρικών αντλιών. Σχήμα 7.9. Τοπικές αντλίες θερμότητας. Διαμέσου του τοίχου μονάδες. Πρόκειται για συσκευασμένες μονάδες, οι οποίες αποτελούνται από μια μικρού μεγέθους ψυκτική μονάδα με έναν ενσωματωμένο ανεμιστήρα για την κυκλοφορία του αέρα. Ο αέρας απορροφάται από το χώρο, δροσίζεται καθώς διέρχεται από τη μονάδα και επιστρέφει στον κλιματιζόμενο χώρο. Η θερμότητα που αφαιρείται από τον αέρα, περνά διαμέσου του τοίχου και απορρίπτεται στον εξωτερικό αέρα. Οι μονάδες είναι απλές, χαμηλού κόστους απόκτησης, εύκολες στη χρήση και προσφέρουν τη δυνατότητα για τοπική ρύθμιση από το χρήστη. Αντίθετα, οι 125

126 δυνατότητες ελέγχου της θερμοκρασίας του χώρου είναι φτωχές, εξαιτίας της θέσης των αισθητήρων και της σχετικής δράσης ελέγχου, η οποία γίνεται είτε θέτοντας σε λειτουργία, είτε εκτός λειτουργίας τη μονάδα. Επιπλέον, οι μονάδες αυτές είναι θορυβώδεις, όχι πολύ αποδοτικές και το κόστος συντήρησης ενός μεγάλου αριθμού τέτοιων μονάδων είναι σημαντικό. Οι διαμέσου του τοίχοι μονάδες προσφέρουν μόνο ψύξη, αλλά κάποιες από αυτές έχουν και τη δυνατότητα θέρμανσης με τη βοήθεια ηλεκτρικών αντιστάσεων. Η δυνατότητα αυτή όμως είναι αρκετά ενεργοβόρα. Μονάδες διαιρούμενου τύπου. Είναι συσκευασμένες μονάδες, οι οποίες κατασκευαστικά είναι ίδιες με τις τοπικές αντλίες θερμότητας διαιρούμενου τύπου. Λειτουργικά όμως διαφέρουν στο γεγονός πως σε αυτές τις μονάδες η ψύξη προέρχεται από το ψυκτικό μέσο και όχι από το ψυχόμενο μέσο. Σε γενικές γραμμές έχουν τα ίδια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα με τις διαμέσου του τοίχου μονάδες. Υπερτερούν, έναντι αυτών, στη δυνατότητα καλύτερου ελέγχου της θερμοκρασίας με τη βοήθεια αισθητήρων τοποθετημένων σε απομακρυσμένα σημεία. Πολλαπλές μονάδες διαιρούμενου τύπου. Τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν μία εξωτερική συσκευή, η οποία συνδέεται με μία έως τέσσερις εσωτερικές. Επομένως, αυτές οι μονάδες έχουν τη δυνατότητα ψύξης περισσότερων εσωτερικών χώρων από τις αντίστοιχες απλές μονάδες. Όμως, παρουσιάζουν το μειονέκτημα της αδυναμίας του μεμονωμένου ελέγχου των επιμέρους εσωτερικών συσκευών. Συστήματα οροφής. Τοποθετούνται στην οροφή και είναι συνήθως εφοδιασμένα με ένα σύστημα θέρμανσης (ενσωματωμένο λέβητα αερίου, ηλεκτρική αντίσταση, κτλ.), ώστε να παρέχουν ψύξη και θέρμανση. Κάθετα συστήματα. Ονομάζονται αλλιώς και «ντουλάπες». Έχουν μεγαλύτερη ονομαστική ισχύ από τα προηγούμενα συστήματα και μπορούν να ψύξουν ή να θερμάνουν ενιαίους χώρους μεγάλων διαστάσεων Επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα ψύξης. Η ενεργειακή κατανάλωση των συστημάτων ψύξης που παρουσιάστηκαν σε αυτή την ενότητα είναι αρκετά υψηλή. Συνεπώς, επιβάλλεται η λήψη μιας σειράς μέτρων για τη μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας. Τα κυριότερα μέτρα εξοικονόμησης ενέργειας είναι τα εξής: Επιλογή ψυκτικών συστημάτων υψηλής απόδοσης. Η κυριότερη τεχνική εξοικονόμησης ενέργειας στα ψυκτικά συστήματα είναι η επιλογή συστημάτων που χαρακτηρίζονται από υψηλούς συντελεστές ενεργειακής απόδοσης. Επομένως, συστήματα με υψηλούς δείκτες EER και COP επιτυγχάνουν 126

127 χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και πρέπει να προτιμώνται σε σχέση με ισοδύναμα συστήματα με χαμηλότερους δείκτες. Η εξοικονόμηση ενέργειας που πετυχαίνουν τα συστήματα αυτά έχει ως αποτέλεσμα και τη σοβαρή μείωση του λειτουργικού τους κόστους. Σωστή διαστασιολόγηση της ψυκτικής μονάδας. Όπως ακριβώς και με τα συστήματα θέρμανσης, έτσι και με τα συστήματα ψύξης, η σωστή διαστασιολόγηση οδηγεί σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και σε μείωση του λειτουργικού κόστους των συστημάτων. Αντικατάσταση υφιστάμενου συστήματος με νέο σύστημα. Τα παλαιά συστήματα ψύξης είναι συνήθως υπερδιαστασιολογημένα με αποτέλεσμα να λειτουργούν συνεχώς υπό συνθήκες μερικού φορτίου, γεγονός που μειώνει την απόδοση και αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας και το λειτουργικό κόστος τους. Επιπλέον, ο ονομαστικός συντελεστής απόδοσης είναι μικρότερος από τα ικανοποιητικά επίπεδα. Για το λόγο αυτό, τα παλαιά συστήματα ψύξης (συνήθως εκείνα που είναι άνω των 15 ετών) πρέπει να αντικαθίστανται από νέα συστήματα υψηλής απόδοσης και σωστής διαστασιολόγησης. Μετασκευή υφιστάμενου συστήματος. Οι κυριότερες μετασκευές που μπορούν να γίνουν σε ένα υφιστάμενο σύστημα με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας και την αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που έχει η λειτουργία του είναι οι εξής: Αντικατάσταση συμβατικών ψυκτικών μέσων με οικολογικά. Για το θέμα αυτό θα μιλήσουμε αναλυτικά παρακάτω. Αύξηση της επιφάνειας του εξατμιστή και του συμπυκνωτή για την καλύτερη μεταφορά θερμότητας. Απολύμανση του νερού του συμπυκνωτή (όταν αυτός είναι υδρόψυκτος) για την αποφυγή επικαθίσεων και βιολογικής ρύπανσης. Αύξηση της διατομής των σωληνώσεων του ψυκτικού μέσου για τη μείωση των τριβών. Βελτίωση της απόδοσης του συμπυκνωτή. Προφανώς, πριν προχωρήσουμε στις παραπάνω βελτιώσεις, πρέπει να εξετάσουμε αν η αντικατάσταση του υφιστάμενου με ένα νέο ψυκτικό σύστημα είναι περισσότερο συμφέρουσα και οικονομικά δυνατή. Συνήθως στα σχετικά νέα συστήματα ψύξης (κάτω των ετών) είναι οικονομικότερη και αποδοτικότερη η μετασκευή παρά η αντικατάστασή τους. Πρόψυξη του κτιρίου. Η ελάττωση της θερμοκρασίας της θερμικής μάζας ενός κτιρίου κατά αρκετούς βαθμούς χαμηλότερα από την επιθυμητή θερμοκρασία, 4 με 6 ώρες πριν αυτό αρχίσει να χρησιμοποιείται, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των ψυκτικών φορτίων αιχμής που παρουσιάζονται στο κτίριο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η πρόψυξη του κτιρίου γίνεται μόνο με αερισμό (φυσικό ή τεχνητό), αν οι εξωτερικές συνθήκες είναι ευνοϊκές ή με προγραμματισμένη χρήση του ίδιου του συστήματος ψύξης. 127

128 Αποθήκευση ψυκτικής ενέργειας. Σε μεγάλα κτίρια με κεντρικά συστήματα ψύξης, πολλές φορές η παραγόμενη ψυκτική ενέργεια είναι πολύ μεγαλύτερη από τα ψυκτικά φορτία που πρέπει να καλυφθούν κατά το χρόνο παραγωγής της. Είναι λοιπόν επιτακτική η αποθήκευση του ψυχρού ρευστού που περισσεύει τις ώρες με τη χαμηλή ζήτηση ψυκτικού φορτίου, σε μονωμένες δεξαμενές και η χρησιμοποίησή του κατά τις περιόδους αιχμής. Με τον τρόπο αυτό μετατίθεται χρονικά η μέγιστη ενεργειακή κατανάλωση από τις μεσημβρινές ώρες αιχμής προς τις απογευματινές ή βραδινές ώρες κατά τις οποίες το ψυκτικό φορτίο είναι χαμηλό. Η κατανομή της παραγωγής ψυκτικής ενέργειας σε όλη τη διάρκεια της ημέρας έχει το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι καθιστά δυνατή την εγκατάσταση ενός μικρότερου συστήματος, το οποίο λειτουργεί επί περισσότερο χρόνο, με μικρότερο όμως κόστος λειτουργίας και υψηλότερη απόδοση. Στα ψυκτικά συστήματα μεγάλης ονομαστικής ισχύος, είναι δυνατή η χρήση ενός συστήματος αποθήκευσης πάγου (παγολεκάνη), το οποίο έχει χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης αλλά υψηλότερο κόστος λειτουργίας. Χρήση καλών συστημάτων ελέγχου. Τα καλά συστήματα ελέγχου εξασφαλίζουν υψηλή θερμοκρασία εξάτμισης και χαμηλή θερμοκρασία συμπύκνωσης. Αύξηση της θερμοκρασίας εξάτμισης κατά 1 ο C ή μείωση της θερμοκρασία συμπύκνωσης κατά 10 ο C, σημαίνει αύξηση του συντελεστών EER και COP και μείωση του κόστους λειτουργίας κατά 2-4%. Βελτιστοποίηση της μόνωσης. Η τοποθέτηση καλύτερων μονωτικών υλικών στους θαλάμους ψύξης και στο δίκτυο αεραγωγών ή σωληνώσεων των κεντρικών ψυκτικών συστημάτων, σε συνδυασμό με τον περιορισμό των απωλειών από το ανοιγοκλείσιμο των θυρών, εξασφαλίζει εξοικονόμηση ενέργειας κατά 10-20%. Περιοδική συντήρηση του συμπιεστή. Η περιοδική συντήρηση του συμπιεστή των ηλεκτροκίνητων και μηχανοκίνητων ψυκτικών συστημάτων οδηγεί σε εξοικονόμηση ενέργειας κατά 15-20%. Χρήση εξατμιστικών ψυκτών. Πρόκειται για υβριδικά συστήματα ψύξεως. Χρησιμοποιούνται είτε για τον απευθείας δροσισμό ενός κτιρίου, είτε για την πρόψυξη του αέρα, ο οποίος στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθεί από το συμβατικό σύστημα ψύξης. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται ψύκτης για τον απευθείας δροσισμό ενός χώρου, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στον έλεγχο της υγρασίας του εισερχόμενου αέρα, καθώς η υψηλή υγρασία ενδέχεται να δημιουργήσει προβλήματα δυσφορίας στους χρήστες του κτιρίου. Επιλογή ψύκτη φυσικού αερίου. Οι ηλεκτρικοί ψύκτες έχουν την καλύτερη ονομαστική απόδοση από όλα τα είδη ψυκτών, αλλά παρουσιάζουν ένα σοβαρό μειονέκτημα. Επηρεάζονται από την εξωτερική θερμοκρασία και σε περιόδους πολύ υψηλών θερμοκρασιών (συχνό 128

129 φαινόμενο για κλίματα όπως το Μεσογειακό) προκαλείται κατακόρυφη πτώση της απόδοσής τους και ταυτόχρονη αύξηση της ηλεκτρικής κατανάλωσης. Επομένως, οι υψηλοί ονομαστικοί συντελεστές EER - COP των ψυκτών ελαττώνονται σε μεγάλο βαθμό και η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται σημαντικά. Εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να προκύψει εάν ο ηλεκτρικός ψύκτης αντικατασταθεί από ένα θερμοκίνητο ψύκτη απορρόφησης, ο οποίος χρησιμοποιεί λέβητα φυσικού αερίου (και οι δύο ψύκτες έχουν περίπου το ίδιο αρχικό κόστος). Η ηλεκτρική κατανάλωση του ψύκτη αυτού περιορίζεται μόνο σε μια ελάχιστη ποσότητα, η οποία χρειάζεται για τη λειτουργία του πύργου ψύξης (αν υπάρχει), του καυστήρα και των κυκλοφορητών, ενώ η απόδοσή του δεν επηρεάζεται από τις εξωτερικές συνθήκες. Έτσι, και ενέργεια εξοικονομείται, αλλά και το λειτουργικό κόστος μειώνεται, αφού το φυσικό αέριο κοστίζει περίπου 60% φθηνότερα από την ηλεκτρική ενέργεια. Τέλος, όπως όλοι οι ψύκτες απορρόφησης, ο ψύκτης φυσικού αερίου είναι φιλικός προς το περιβάλλον αφού χρησιμοποιεί οικολογικό ψυκτικό μέσο (νερό). Παρά την εφαρμογή των παραπάνω τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας, η ενεργειακή κατανάλωση των ψυκτικών συστημάτων θεωρείται σχετικά υψηλή και έτσι ο ρόλος τους πρέπει να είναι συμπληρωματικός των παθητικών συστημάτων δροσισμού και η χρήση τους όσο το δυνατόν πιο περιορισμένη. Πριν την ολοκλήρωση αυτής της παραγράφου, είναι εξαιρετικής σημασίας η αναφορά στα σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα που προκαλεί η χρήση των ψυκτικών συστημάτων του κύκλου συμπίεσης (δηλαδή η πλειοψηφία των συστημάτων ψύξης που παρουσιάστηκαν σε αυτή την ενότητα). Απαραίτητο στοιχείο ενός οποιουδήποτε ψυκτικού κύκλου είναι το ψυκτικό μέσο. Όμως, στα παλαιότερα συστήματα ψύξης του ψυκτικού κύκλου με συμπίεση, ως ψυκτικό μέσο χρησιμοποιούνταν δύο είδη χημικών ουσιών που ονομάζονται χλωροφθοράνθρακες (CFC) και υδροχλωροφθοράνθρακες (HCFC). Όπως διαπιστώθηκε αργότερα, τα δύο αυτά είδη ουσιών ευθύνονται για την τρύπα του όζοντος, ενώ συμμετέχουν και στη δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου. Διεθνείς κανονισμοί που έχουν τεθεί σε εφαρμογή, ήδη από το 1995, προβλέπουν: α) την άμεση διακοπή της παραγωγής ψυκτικών μέσων από χλωροφθοράνθρακες και β) τη σταδιακή μείωση της παραγωγής ψυκτικών μέσων από υδροχλωροφθοράνθρακες και το πλήρες σταμάτημά τους μέχρι το Οι ίδιοι κανονισμοί προβλέπουν την προώθηση της ελεύθερης παραγωγής και χρήσης οικολογικών ψυκτικών μέσων, τα οποία ονομάζονται υδροφθοράνθρακες (HFC). Οι ουσίες αυτές είναι απολύτως φιλικές προς το περιβάλλον και χρησιμοποιούνται από όλα τα νέα συστήματα ψύξης του ψυκτικού κύκλου με συμπίεση Το ενδοδαπέδιο σύστημα. Το ενδοδαπέδιο σύστημα ανήκει στα κεντρικά συστήματα θέρμανσης και ψύξης εσωτερικών χώρων και αποτελεί σπουδαία τεχνική εξοικονόμησης ενέργειας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Αν και θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μια ιδέα πρωτοποριακή άρα και ως ένα μη συμβατικό σύστημα η αλήθεια είναι πως το ενδοδαπέδιο σύστημα έχει χρησιμοποιηθεί ήδη από την αρχαιότητα ως μια τεχνική θέρμανσης χώρων με βασική καύσιμη ύλη τα καυσόξυλα και μέσο μετάδοσης τον αέρα. Ο θερμός αέρας διαχεόταν σε υπόγεια κανάλια κάτω από το δάπεδο και θέρμαινε τους εσωτερικούς χώρους. Στα κατοπινά χρόνια, κυρίως μετά την καθιέρωση του πετρελαίου ως κύριο καύσιμο των εγκαταστάσεων κεντρικής θέρμανσης, η τεχνική αυτή εγκαταλείφθηκε, αλλά επανήλθε στο προσκήνιο τα τελευταία 30 χρόνια, ως μια λύση στο πρόβλημα της ενεργειακής κατανάλωσης από τα συμβατικά 129

130 συστήματα θέρμανσης ή/και ψύξης. Στην Ελλάδα, η εφαρμογή αυτής της τεχνικής διευρύνεται συνεχώς την τελευταία δεκαετία. Η λειτουργία της ενδοδαπέδιας θέρμανσης στηρίζεται στην προσαγωγή θερμού νερού χαμηλών θερμοκρασιών (30-45 o C) μέσω σωλήνων, οι οποίοι είναι εγκιβωτισμένοι στο δάπεδο. Η θερμότητα του θερμού νερού μεταδίδεται μέσω των σωλήνων στο δάπεδο και το μετατρέπει σε ένα θερμαντικό σώμα που μεταδίδει θερμότητα ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου. Η μετάδοση της θερμότητας από το δάπεδο στο χώρο γίνεται με ακτινοβολία (60-65%) και θερμική μετάβαση (35-40%). Η ομοιόμορφη θέρμανση του χώρου έχει ως αποτέλεσμα μια αίσθηση θερμικής θαλπωρής και ευεξίας. Το ενδοδαπέδιο σύστημα αποτελείται από το λεβητοστάσιο, το κατακόρυφο και το οριζόντιο δίκτυο σωληνώσεων. Στο λεβητοστάσιο βρίσκονται όλες οι γνωστές συσκευές ενός κεντρικού συστήματος θέρμανσης, όπως είναι ο λέβητας, ο καυστήρας, η δεξαμενή καυσίμων, κ.α. Το κατακόρυφο δίκτυο είναι ίδιο με το αντίστοιχο ενός μονοσωλήνιου συστήματος κεντρικής θέρμανσης. Το οριζόντιο δίκτυο είναι το στοιχείο που διαφοροποιεί το ενδοδαπέδιο σύστημα από τα υπόλοιπα συστήματα κεντρικής θέρμανσης ή/και ψύξης. Αποτελείται από τα λεγόμενα θερμοκυκλώματα, ενώ δεν χρησιμοποιεί κανένα θερμαντικό σώμα. Τα θερμοκυκλώματα είναι σωλήνες που ξεκινούν από το σωλήνα προσαγωγής της κεντρικής στήλης και αφού διαγράψουν πορεία, σε μορφή μαιάνδρων ή κύκλων ή S, μέσα στο δάπεδο του χώρου που πρόκειται να θερμανθεί, καταλήγουν στο σωλήνα επιστροφής της κεντρικής στήλης του συστήματος. Οι σωλήνες αυτοί είναι συνήθως πλαστικοί και κυκλοφορεί στο εσωτερικό τους θερμό νερό χαμηλών θερμοκρασιών. Ως θερμαντικό σώμα χρησιμοποιείται το δάπεδο, το οποίο θερμαίνεται από το νερό των σωληνώσεων. Το δάπεδο έχει μεγάλη θερμική μάζα, επομένως και μεγάλη θερμική αδράνεια με συνέπεια την καθυστέρηση θέρμανσής του. Όμως, εξαιτίας της μεγάλης θερμοχωρητικότητάς του, έχει τη δυνατότητα να θερμαίνει τους εσωτερικούς χώρους επί μακρό διάστημα αφότου η λειτουργία του λέβητα και του καυστήρα έχει σταματήσει. Η μέγιστη θερμοκρασία του δαπέδου κυμαίνεται από 26 έως 29 ο C, δηλαδή χαμηλότερη του ανθρωπίνου σώματος εξασφαλίζοντας την αποφυγή προβλημάτων θερμικής δυσφορίας από τους χρήστες του κτιρίου. Για την παραγωγή ψύξης με σκοπό το δροσισμό του κτιρίου, το ενδοδαπέδιο σύστημα χρησιμοποιεί ένα ψύκτη. Το νερό της εγκατάστασης ψύχεται στο ψύκτη και κυκλοφορώντας μέσα στο ίδιο δίκτυο σωληνώσεων, ψύχει με τον ίδιο τρόπο το εσωτερικό του κτιρίου. Για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης χρησιμοποιείται boiler ζεστού νερού. Χάρη στην ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας, των σχεδόν μηδενικών απωλειών δαπέδου και τη σημαντική μείωση των απωλειών οροφής λόγω της κλιμάκωσης της θερμοκρασίας κατά ύψος, το ενδοδαπέδιο σύστημα πετυχαίνει συνθήκες θερμικής άνεσης στο χώρο με θερμοκρασία χαμηλότερη κατά 1 ο C με 2 ο C (κατά την περίοδο θέρμανσης). Επιπλέον, η χαμηλή θερμοκρασία του θερμού νερού έχει ως αποτέλεσμα αύξηση της απόδοσης και λιγότερες ώρες λειτουργίας του λέβητα (όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του θερμαντικού μέσου, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση συσκευών όπως ο λέβητας, η αντλία θερμότητας και οι ηλιακοί συλλέκτες). Συνεπώς, έχουμε χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου, γεγονός που συνεπάγεται εξοικονόμηση ενέργειας κατά 6-10% και μείωση του λειτουργικού κόστους μέχρι και 30% σε σχέση με κάποια συμβατικά συστήματα. Το χαμηλό λειτουργικό κόστος οφείλεται εν μέρει και στο μηδενικό κόστος συντήρησης του ενδοδαπέδιου συστήματος. Το ενδοδαπέδιο σύστημα μπορεί να τροφοδοτηθεί από οποιαδήποτε πηγή θερμότητας, αποδεικνύοντας πως είναι ένα ευέλικτο σύστημα θέρμανσης/ψύξης. Φυσικό αέριο, πετρέλαιο, ηλιακή και ηλεκτρική ενέργεια, βιομάζα, ακόμα και θερμοσυσσωρευτές χρησιμοποιούνται για την παραγωγή θερμότητας, προσφέροντας στους χρήστες την άνεση επιλογής του πιο φθηνού καυσίμου. Έτσι, το λειτουργικό κόστος μειώνεται περαιτέρω. Επιπλέον, είναι δυνατή η συνδυαστική λειτουργία του συστήματος και με άλλα συμβατικά 130

131 ή μη συστήματα θέρμανσης/ψύξης, τα οποία κάνουν χρήση θερμαντικών σωμάτων. Τα συστήματα όμως είναι ανεξάρτητα, εφόσον λειτουργούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες θερμού νερού. Σημαντικό πλεονέκτημα του ενδοδαπέδιου συστήματος είναι η δημιουργία ενός υγιεινού εσωτερικού περιβάλλοντος. Το περιβάλλον αυτό χαρακτηρίζεται από έλλειψη ξηρότητας του αέρα και αποτροπή των θερμικών ρευμάτων του. Αποτέλεσμα αυτών είναι η έλλειψη αιωρούμενης σκόνης, η διατήρηση της υγρασίας του αέρα στο χώρο και η καθαρότητα των τοίχων και των οροφών από το φαινόμενο της επιφανειακής υγρασίας. Έτσι, οι εσωτερικές συνθήκες που διαμορφώνονται, είναι ιδανικές για άτομα με αλλεργίες και αναπνευστικά προβλήματα, καθώς επίσης για μωρά και ηλικιωμένους. Το ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης/ψύξης μπορεί να εγκατασταθεί μόνο σε νεοαναγειρόμενες οικοδομές και έχει υψηλό κόστος εγκατάστασης. Το κόστος αυτό, όμως, καλύπτεται σε μικρό χρονικό διάστημα (2-4 χρόνια). Η σημαντικότερη ανησυχία για τους χρήστες αυτού του συστήματος είναι η βλάβη των σωληνώσεων, η οποία έχει υψηλό κόστος επισκευής. Αυτή η περίπτωση όμως είναι πάρα πολύ σπάνια και οφείλεται κυρίως σε κατασκευαστικά λάθη. Για το λόγο αυτό, η εύρεση έμπειρων και εξοικειωμένων με το ενδοδαπέδιο σύστημα μηχανικών και τεχνικών είναι βασική προϋπόθεση για την επιτυχημένη εγκατάσταση και λειτουργία της τεχνικής αυτής Συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού χώρων Γενικά. Τα συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού εσωτερικών χώρων, γνωστά και ως HVAC συστήματα (HVAC: Heating, Ventilation and Air Condition), περιλαμβάνουν ποικίλα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούνται για να επιτευχθεί ο θερμικός έλεγχος των κτιρίων. Τα HVAC συστήματα είναι μεγάλης σπουδαιότητας και από την πλευρά του σχεδιασμού ενός κτιρίου στο σύνολό του, για τέσσερις κύριους λόγους. Αρχικά, τα συστήματα αυτά απαιτούν σημαντικό χώρο δαπέδου ή/και κτιριακό όγκο για την εγκατάσταση του εξοπλισμού και των διατάξεων διανομής, ζητήματα που πρέπει να διευθετούνται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχεδιασμού. Κατά δεύτερο λόγο, τα HVAC συστήματα αποτελούν ένα σημαντικό στοιχείο του προϋπολογισμού για πολυάριθμους συνήθεις κτιριακούς τύπους. Αυτό συμβαίνει γιατί το αρχικό κόστος εγκατάστασης είναι ένα σημαντικό ποσοστό του κόστους κατασκευής του κτιρίου και επιπλέον, κακή επιλογή συστήματος κατά τη σχεδιαστική φάση επιβαρύνει, μετέπειτα, και το λειτουργικό κόστος. Ως τρίτος λόγος μπορεί να αναφερθεί το γεγονός ότι η επιτυχία ή αποτυχία των προσπαθειών για θερμική άνεση σχετίζεται άμεσα με την επιτυχία ή αποτυχία των συστημάτων HVAC των κτιρίων. Τα αποδοτικά HVAC συστήματα είναι το κλειδί για επιτυχή κτίρια. Τέλος, σημαντικός λόγος είναι πως η διατήρηση των κατάλληλων θερμικών συνθηκών μέσω της λειτουργίας ενός συστήματος HVAC, αποτελεί μια σημαντική παράμετρο για την κατανάλωση ενέργειας του κτιρίου. Με την εφαρμογή μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας, αυτή η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να μειωθεί δραστικά. Τα HVAC συστήματα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες συστημάτων. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα συστήματα αερισμού, τα οποία απλώς εξασφαλίζουν την ανανέωση του αέρα ενός χώρου. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα συστήματα κλιματισμού, τα οποία επιτυγχάνουν πλήρη κλιματισμό και προσαγωγή νωπού αέρα για το χώρο που αναλαμβάνουν να κλιματίσουν. Στο κεφάλαιο αυτό, αρχικά, θα παρουσιαστούν συνοπτικά τα συστήματα αερισμού εσωτερικών χώρων και στη συνέχεια θα δοθεί βαρύτητα στην ανάλυση των συστημάτων 131

132 κλιματισμού και στις τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας που μπορούν να εφαρμοστούν σε αυτά. Πριν όμως, πρέπει να γίνει λόγος για τις θερμικές ζώνες, οι οποίες αποτελούν στοιχείο-κλειδί για την επιτυχία ενός συστήματος HVAC Θερμικές ζώνες κτιρίου. Πέρα από την όποια επιλογή εξοπλισμού έχει γίνει ή πρόκειται να γίνει, ο διαρκής έλεγχος ενός συστήματος HVAC είναι κρίσιμος για την επιτυχή λειτουργία του. Το ζήτημα του ελέγχου των συστημάτων αυτών οδηγεί στην έννοια του χωρισμού των κτιρίων σε θερμικές ζώνες. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχεδιασμού, μια θερμική ζώνη ορίζεται ως μια περιοχή ενός κτιρίου που απαιτεί χωριστό έλεγχο, εάν πρόκειται να παρασχεθεί με τον αποδοτικότερο δυνατό τρόπο θερμική άνεση στους χρήστες κάθε περιοχής του κτιρίου. Προκειμένου να επιτυγχάνεται η επιθυμητή θερμική άνεση, κάθε χώρος πρέπει να τροφοδοτείται με τη δική του διακριτή διάταξη ελέγχου. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα ελέγχου κλίματος πρέπει να σχεδιάζεται ούτως ώστε να μπορεί να ικανοποιήσει διαφορετικές θερμικές ζώνες. Σε ένα υπάρχον κτίριο, μια τέτοια ζώνη καθορίζεται εύκολα ως μια περιοχή που λειτουργεί από ένα ενιαίο σημείο ελέγχου (όπως χαρακτηριστικά είναι ένας θερμοστάτης σε ένα ενεργό σύστημα). Ο χωρισμός ενός κτιρίου σε ζώνες αποτελεί περισσότερο αρχιτεκτονική ευθύνη, δεδομένου ότι απαιτεί την κατανόηση των λειτουργιών και των συνθηκών πληρότητας των χώρων του κτιρίου. Τα δύο βασικά στοιχεία που πρέπει να εξετάζονται κατά την κατάστρωση των θερμικών ζωνών είναι η διαφορετική έκθεση των περιοχών ενός κτιρίου στην ηλιακή ακτινοβολία και τα διαφορετικά προγράμματα λειτουργίας και απαιτήσεων φορτίου (π.χ. ένας περιστασιακά χρησιμοποιούμενος χώρος συνεδρίων ή εκθέσεων έναντι ενός επί μονίμου βάσεως κατειλημμένου διαμερίσματος γραφείων). Είναι σημαντικό να καταστρώνονται οι θερμικές ζώνες πολύ νωρίς στη διαδικασία σχεδιασμού των συστημάτων HVAC. Έτσι, οι χώροι που έχουν ασύμβατες μεταξύ τους ανάγκες, υπάγονται σε διαφορετικές ζώνες και ο έλεγχος καθίσταται απλούστερος και αποδοτικότερος. Επιπλέον, η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να μειωθεί ακόμα περισσότερο με τη βοήθεια ενός κεντρικού συστήματος αυτόματου ελέγχου, το οποίο να διαχειρίζεται αυτόνομα τη θερμοκρασία του μέσου μεταφοράς θερμότητας με το οποίο τροφοδοτείται η κάθε ζώνη. Ολόκληρες ζώνες μπορούν να κλείνουν όταν δεν είναι κατειλημμένες, ενώ το υπόλοιπο δίκτυο μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί κανονικά. Ο χωρισμός των κτιρίων σε θερμικές ζώνες βοηθά και στην επιλογή του συστήματος που θα χρησιμοποιηθεί για τον κλιματισμό τους. Τα συστήματα HVAC μπορούν να σχεδιαστούν για να κλιματίσουν έναν ενιαίο χώρο από μια θέση μέσα ή άμεσα παρακείμενη στον εν λόγω χώρο. Άλλα συστήματα HVAC σχεδιάζονται για να κλιματίσουν τους διάφορους χώρους από μια κεντρική θέση. Η διάκριση αυτή θα εξεταστεί αναλυτικά στη συνέχεια. Είναι προφανές λοιπόν, πόσο στενά συνδεδεμένος είναι ο χωρισμός ενός κτιρίου σε θερμικές ζώνες με την επιτυχημένη λειτουργία ενός HVAC συστήματος και με την προσπάθεια για εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα αυτά Συστήματα αερισμού Γενικά. Σε ένα μεγάλο αριθμό κτιρίων, ο πλήρης κλιματισμός των χώρων τους δεν είναι πραγματικά απαραίτητος και μεγάλα ενεργειακά οφέλη μπορούν να επιτευχθούν με τη χρήση συστημάτων απλού αερισμού αντί συστημάτων κλιματισμού. Τα συστήματα απλού αερισμού κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες: α) στα συστήματα φυσικού αερισμού, β) στα 132

133 συστήματα μηχανικού αερισμού και γ) στα συστήματα υβριδικού αερισμού. Οι τεχνικές φυσικού αερισμού εξετάστηκαν με αναλυτικό τρόπο σε προηγούμενο κεφάλαιο. Εδώ θα μελετηθούν οι άλλες δύο κατηγορίες συστημάτων αερισμού Συστήματα μηχανικού αερισμού. Ένα σύστημα μηχανικού αερισμού χρησιμοποιεί έναν ή περισσότερους ηλεκτρικούς ανεμιστήρες και ένα σύστημα αεραγωγών για τη μετακίνηση του αέρα προς το εξωτερικό ή το εσωτερικό περιβάλλον του κτιρίου. Οι αεραγωγοί καταλήγουν σε διάφορες τερματικές μονάδες, οι οποίες συνήθως είναι στόμια αέρα. Τα συστήματα μηχανικού αερισμού διακρίνονται σε τρία είδη: α) συστήματα αερισμού, β) συστήματα εξαερισμού και γ) συστήματα αερισμού/εξαερισμού. Τα συστήματα αερισμού χρησιμοποιούνται μόνο για προσαγωγή νωπού εξωτερικού αέρα στο εσωτερικό του κτιρίου. Η μόνη επεξεργασία που υφίσταται ο εισερχόμενος αέρας είναι το φιλτράρισμα από εξωτερικούς ρύπους. Η προσαγωγή του νωπού αέρα μπορεί να γίνεται από ένα ή περισσότερα σημεία. Μειονέκτημα του συστήματος αυτού είναι η εσωτερική υγρασία που αναπτύσσεται στους τοίχους των κτιρίων κατά τη διέλευση θερμού και υγρού εξωτερικού αέρα προς το εσωτερικό του κτιρίου. Επομένως δεν συνίσταται για περιοχές με θερμό κλίμα και μεγάλη υγρασία. Τα συστήματα εξαερισμού χρησιμοποιούνται μόνο για την απαγωγή και την απόρριψη του εσωτερικού αέρα στο εξωτερικό περιβάλλον. Η διαδικασία αυτή μπορεί να εξελίσσεται από ένα ή περισσότερα σημεία του κτιρίου. Τα συστήματα αυτά είναι απλά, φθηνά και εύκολα στην εγκατάσταση. Είναι όμως ακατάλληλα για περιοχές με ψυχρό κλίμα εξαιτίας της εσωτερικής συμπύκνωσης των υδρατμών κατά τη διέλευση του θερμού και υγρού εσωτερικού αέρα προς το εξωτερικό περιβάλλον. Η χρήση του μηχανικού αερισμού πρέπει να εξετάζεται πριν τη λήψη οποιασδήποτε απόφασης για τον κλιματισμό ολόκληρης της κτιριακής εγκατάστασης. Τα συστήματα αερισμού/εξαερισμού ή συνδυαστικά συστήματα αποτελούν τα πιο πλήρη συστήματα μηχανικού αερισμού, πραγματοποιώντας και τις δύο παραπάνω λειτουργίες. Ένα συνδυαστικό σύστημα χρησιμοποιεί δύο ανεμιστήρες με ξεχωριστά συστήματα ροής. Ένα για να οδηγείται φρέσκος εξωτερικός αέρας στο εσωτερικό του κτιρίου και ένα για την απομάκρυνση του βεβαρημένου αέρα από το εσωτερικό του κτιρίου. Η ποσότητα του αέρα που εισάγεται είναι συνήθως ίση με την ποσότητα που απομακρύνεται. Τα πιο συνηθισμένα συστήματα αερισμού/εξαερισμού είναι ο αερισμός ανάκτησης θερμότητας και ο αερισμός ανάκτησης ενέργειας. Και τα δύο αυτά συστήματα κάνουν χρήση ενός εναλλάκτη ανάκτησης θερμότητας, τεχνική για την οποία θα μιλήσουμε σε επόμενο κεφάλαιο. Εδώ απλά θα σημειώσουμε πως στα συστήματα ανάκτησης ενέργειας, εκτός από θερμότητα ανακτάται και υγρασία. Τα συνδυαστικά συστήματα απαιτούν ακριβότερο εξοπλισμό (εξαεριστήρες, ανεμιστήρες, κτλ.) από τα προηγούμενα συστήματα. Επιπλέον, οι δαπάνες εγκατάστασης και συντήρησης είναι υψηλότερες. Η εξοικονόμηση ενέργειας, όμως, που επιτυγχάνεται με τη χρήση του εναλλάκτη ανάκτησης θερμότητας και το χαμηλότερο λειτουργικό κόστος, αντισταθμίζουν και με το παραπάνω, τα μειονεκτήματα αυτά. Μηχανικός αερισμός μπορεί να επιτευχθεί και με ρύθμιση των κεντρικών κλιματιστικών μονάδων διαχείρισης αέρα σε free cooling mode (λειτουργία ελεύθερης ψύξης). Για τις μονάδες αυτές και τη δυνατότητα της ελεύθερης ψύξης θα μιλήσουμε στις αμέσως επόμενες παραγράφους. Η λειτουργία των συστημάτων μηχανικού αερισμού είναι πιο αποτελεσματική αν γίνεται αυτόματα, για παράδειγμα με χρονοδιακόπτη ή θερμοστάτη και κατά προτίμηση μέσω του συστήματος ενεργειακής διαχείρισης του κτιρίου (BEMS), εφόσον υπάρχει ή εγκατασταθεί στο κτίριο. Για την παροχή καθαρού αέρα, επιβάλλεται ο τακτικός 133

134 καθαρισμός των αεραγωγών. Η εξοικονόμηση ενέργειας που προκύπτει από τη χρήση των συστημάτων μηχανικού αερισμού είναι περίπου το 10-15% της ενέργειας για ψύξη. Για το λόγο αυτό η χρήση του μηχανικού αερισμού πρέπει πάντοτε να εξετάζεται πριν τη λήψη οποιασδήποτε απόφασης για τον κλιματισμό ολόκληρης της κτιριακής εγκατάστασης. Σύμφωνα με τον Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (Κ.Εν.Α.Κ.), η χρήση κάποιου εκ των παραπάνω συστημάτων μηχανικού αερισμού (ή μιας κεντρικής κλιματιστικής μονάδας διαχείρισης αέρα), το οποίο θα παρέχει νωπό αέρα στα επίπεδα που καθορίζει ο πίνακας Π.3., είναι υποχρεωτική σε όλα τα νέα ή ριζικώς ανακαινιζόμενα κτίρια του τριτογενούς τομέα Συστήματα υβριδικού αερισμού. Ο υβριδικός αερισμός δρα συμπληρωματικά του συστήματος φυσικού ή μηχανικού αερισμού ή ενός συστήματος κλιματισμού, κάνοντας χρήση ανεμιστήρων οροφής. Οι ανεμιστήρες οροφής προκαλούν κυκλοφορία του εσωτερικού αέρα με ταχύτητα 0,5-0,8m/s. Αυτή η κυκλοφορία των ρευμάτων αέρα προκαλεί αύξηση της μεταφοράς θερμότητας από το ανθρώπινο σώμα και μειώνει την «αισθητή» θερμοκρασία κατά 2-3 ο C. Έτσι, επιτρέπεται η ρύθμιση του θερμοστάτη της κλιματιστικής μονάδας σε υψηλότερη θερμοκρασία από την προβλεπόμενη, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας για ψύξη. Η μείωση αυτή προέρχεται από τον περιορισμό του χρόνου χρήσης του κλιματιστικού μηχανήματος και από την αύξηση της απόδοσής του. Η ρύθμιση της θερμοκρασίας του θερμοστάτη κατά ένα βαθμό υψηλότερα, εξοικονομεί ενέργεια για ψύξη της τάξης του 7%. Επομένως, η συνολική αναμενόμενη εξοικονόμηση ενέργειας κυμαίνεται από 15 μέχρι 20%. Η τεχνική του υβριδικού αερισμού αποτελεί μια πολύ καλή εναλλακτική επιλογή έναντι των αυτόνομων κλιματιστικών μηχανημάτων. Μάλιστα, προτείνεται η απομάκρυνση των μηχανημάτων αυτών από τους εσωτερικούς χώρους και η αντικατάστασή τους από σύστημα υβριδικού αερισμού. Στις περιπτώσεις αυτές, η ψύξη των χώρων καλύπτεται μόνο από το συνδυασμό των συστημάτων φυσικού ή μηχανικού αερισμού με τους ανεμιστήρες οροφής Συστήματα κλιματισμού Γενικά. Ένα σύστημα κλιματισμού, σύμφωνα με τον ορισμό της ASHRAE (Αμερικανική Ομοσπονδία των Μηχανικών Θέρμανσης, Κατάψυξης και Κλιματισμού), είναι μία συνάθροιση συνιστωσών, με μια καθορισμένη δομή και λειτουργία, που πρέπει να εκπληρώνει τέσσερις στόχους ταυτόχρονα. Αυτοί οι στόχοι είναι ο έλεγχος: Της θερμοκρασίας του αέρα. Της υγρασίας του αέρα. Της κυκλοφορίας του αέρα. Της ποιότητας του αέρα. Η απαίτηση από ένα σύστημα κλιματισμού να είναι σε θέση να τροποποιεί ταυτόχρονα και τις τέσσερις ανωτέρω ιδιότητες του αέρα, καταδεικνύει το βαθμό της πολυπλοκότητας των εν λόγω συστημάτων. Για να φέρουν εις πέρας τις λειτουργίες αυτές, τα συστήματα κλιματισμού περιλαμβάνουν διατάξεις για τον καθαρισμό, τη θέρμανση, τη ψύξη, την ύγρανση, την αφύγρανση και την ανανέωση του αέρα, καθώς και τοπικές ή 134

135 κεντρικές διατάξεις αυτόματης ρύθμισης της θερμοκρασίας, της υγρασίας και της ανανέωσης του αέρα. Ο σκοπός της λειτουργίας των συστημάτων κλιματισμού, όπως και των υπόλοιπων ενεργειακών συστημάτων ενός κτιρίου, είναι η επίτευξη του επιθυμητού εσωκλίματος στις θερμικές ζώνες των κτιριακών εγκαταστάσεων του τριτογενούς και παραγωγικού τομέα. Υπενθυμίζεται πως το ιδανικό εσώκλιμα μεταβάλλεται από ζώνη σε ζώνη. Τα κριτήρια ταξινόμησης των συστημάτων κλιματισμού είναι δύο και για κάθε ένα από αυτά προκύπτουν και οι σχετικές κατηγορίες διαίρεσης των συστημάτων αυτών. Με κριτήριο τη θέση των συσκευών κλιματισμού ως προς τον κλιματιζόμενο χώρο και την έκταση εφαρμογής του συστήματος, διακρίνονται τρεις βασικές κατηγορίες συστημάτων: α) κεντρικά ή συγκεντρωμένα συστήματα κλιματισμού, β) ημικεντρικά ή μερικώς συγκεντρωμένα συστήματα κλιματισμού και γ) τοπικά συστήματα κλιματισμού. Κεντρικά συστήματα ονομάζονται εκείνα τα συστήματα, στα οποία όλα τα φορτία θέρμανσης και ψύξης παράγονται σε ένα κεντρικό δωμάτιο εγκαταστάσεων και μεταβιβάζονται στους επιμέρους χώρους του κτιρίου με τη βοήθεια ενός θερμαντικού/ψυχόμενου μέσου το οποίο κυκλοφορεί στο εσωτερικό ενός συστήματος μεταφοράς. Στα ημικεντρικά συστήματα, το θερμαντικό/ψυχόμενο μέσο θερμαίνεται ή δροσίζεται περαιτέρω, τη στιγμή που εισέρχεται στους εσωτερικούς χώρους. Τέλος, στα τοπικά συστήματα όλες οι διαδικασίες εκτελούνται τοπικά, στους χώρους που υπάρχει ανάγκη κλιματισμού. Με κριτήριο το φορέα μεταφοράς της ενέργειας στους κλιματιζόμενους χώρους, τα συστήματα κλιματισμού κατατάσσονται σε συστήματα α) μόνο με αέρα, β) μόνο με νερό, γ) αέρα/νερού και δ) απευθείας εκτόνωσης. Κάθε μία από αυτές τις κατηγορίες έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, τα οποία καθιστούν δυνατή ή ουσιαστική την εφαρμογή τους μόνο σε κάποια ή κάποιες από τις τρεις προηγούμενες κατηγορίες συστημάτων κλιματισμού (κεντρικά, ημικεντρικά, τοπικά). Η παρουσίαση των συστημάτων κλιματισμού θα γίνει βάσει του κεντρικού, ημικεντρικού και τοπικού χαρακτήρα τους Κεντρικά συστήματα κλιματισμού. Τα κεντρικά ή συγκεντρωμένα συστήματα κλιματισμού περιλαμβάνουν, σχεδόν κατά αποκλειστικότητα, συστήματα που χρησιμοποιούν ως φορέα μεταφοράς ενέργειας τον αέρα. Τα συστήματα κλιματισμού με αέρα δομούνται γύρω από μία προ-συσκευασμένη μονάδα διαχείρισης αέρα (AHU) ή αλλιώς κεντρική κλιματιστική μονάδα (ΚΚΜ), η οποία αποτελείται από έναν ανεμιστήρα προσαγωγής αέρα, συνδυασμούς σπειρών θέρμανσης και δροσισμού του αέρα, φίλτρων, υγραντήρων και αποσβεστήρων ελέγχου. Οι μονάδες αυτές μπορούν να περιλαμβάνουν έναν ανεμιστήρα απόρριψης αέρα ή/και να έχουν τη δυνατότητα ανακύκλωσης του απορριπτόμενου αέρα πίσω στο κτίριο. Η απαραίτητη θερμική και ψυκτική ενέργεια που παρέχεται στις σπείρες θέρμανσης και δροσισμού, προέρχεται είτε από ένα λέβητα και ένα ψύκτη, είτε από μία αντλία θερμότητας. Η μονάδα διαχείρισης του αέρα συνήθως τοποθετείται μέσα σε ένα κεντρικό χώρο εγκαταστάσεων, με τις ψυκτικές μονάδες και τους λέβητες τοποθετημένους σε γειτονικές θέσεις. Σε περίπτωση που ο εξωτερικός αέρας είναι αρκούντως δροσερότερος από το επιθυμητό επίπεδο, μπορεί να εισαχθεί φρέσκος αέρας απ ευθείας στον κλιματιζόμενο χώρο, χωρίς προηγούμενη μηχανική ψύξη του από την κεντρική κλιματιστική μονάδα. Εν γένει, πρέπει να διερευνώνται οι δυνατότητες και να διευκολύνεται η ελεύθερη ψύξη, προκειμένου να ελαχιστοποιείται η ανάγκη για ψύξη με μηχανικά μέσα, η οποία συνεπάγεται την άσκοπη κατανάλωση ενέργειας. Η μονάδα διαχείρισης του αέρα μπορεί 135

136 να διαμορφωθεί κατάλληλα ώστε να εξυπηρετεί δίχως πρόβλημα τους διάφορους τύπους κεντρικών συστημάτων κλιματισμού. Τα κυριότερα κεντρικά συστήματα κλιματισμού με αέρα είναι τα εξής: Συστήματα σταθερού όγκου αέρα (CAV). Τα συστήματα αυτά παρέχουν σταθερή ποσότητα αέρα τροφοδοσίας, στην κατάλληλη θερμοκρασία, για την κάλυψη των φορτίων κάθε χώρου με βάση θερμοστατικές ρυθμίσεις. Είναι απλά, σχετικά χαμηλού κόστους και εύκολα στην εγκατάσταση, αλλά δεν μπορούν να παράσχουν επαρκή έλεγχο για τις θερμικές ζώνες του κτιρίου που παρουσιάζουν διαφορετικές ανάγκες θέρμανσης και ψύξης. Στην περίπτωση αυτή, μπορεί να απαιτηθεί η εισαγωγή διαφόρων διαιρούμενων συστημάτων για να εξυπηρετηθούν οι διαφορετικές ζώνες, αυξάνοντας έτσι τις δαπάνες αγοράς και τον απαραίτητο χώρο εγκατάστασης. Τα συστήματα CAV διακρίνονται σε συστήματα ενιαίας ζώνης, τα οποία έχουν τα παραπάνω χαρακτηριστικά και σε πολυζωνικά συστήματα, τα οποία έχουν βελτιωμένη λειτουργία που αναλύεται παρακάτω. Σχήμα Σύστημα σταθερού όγκου αέρα ενιαίας ζώνης. Συστήματα μεταβλητού όγκου αέρα (VAV). Τα συστήματα αυτά λύνουν το πρόβλημα των θερμικών ζωνών με διαφορετικές απαιτήσεις, μεταβάλλοντας την ποσότητα αέρα που παρέχεται σε κάθε ζώνη. Ο αέρας παρέχεται σε μια σταθερή θερμοκρασία μέσω των θερμοστατικά ελεγχόμενων μονάδων απόσβεσης, που ονομάζονται κιβώτια VAV. Ο όγκος του αέρα και συνακόλουθα η ποσότητα του ψυκτικού φορτίου μεταβάλλονται ώστε να καλύπτονται οι εκάστοτε απαιτήσεις της κάθε ζώνης. Υπό κανονικές συνθήκες υφίσταται η δυνατότητα επαναρρύθμισης της σταθερής θερμοκρασίας του αέρα. Η παροχή μεταβλητού όγκου αέρα μπορεί να επιτευχθεί με χρήση διάφορων διαθέσιμων επιλογών. Καλύτερη και πιο διαδεδομένη είναι η χρήση ανεμιστήρων μεταβλητής παροχής για την ανακυκλοφορία του αέρα των χώρων. Η παροχή των ανεμιστήρων ρυθμίζεται από συστήματα ελέγχου της στατικής πίεσης. Εναλλακτικές επιλογές όπως η χρήση παρακάμψεων για τον αέρα που δεν είναι αναγκαίος, ώστε αυτός να διοχετεύεται πίσω στον ανεμιστήρα απόρριψης ή η απλή αυξομείωση της ροής του αέρα, δεν αποτελούν καλές λύσεις. 136

137 Σχήμα Σύστημα μεταβλητού όγκου αέρα. Η διαστασιολόγηση ενός συστήματος VAV γίνεται βάσει του σκεπτικού πως τα μέγιστα φορτία (ψύξη/θέρμανση) των θερμικών ζωνών δεν εμφανίζονται σε όλες τις ζώνες συγχρόνως. Επομένως το συνολικό μέγιστο ημερήσιο φορτίο του κτιρίου είναι πάντοτε μικρότερο από το άθροισμα των επιμέρους μέγιστων φορτίων των θερμικών ζωνών. Αυτό συνεπάγεται τη μείωση των απαιτήσεων του συστήματος σε αέρα, γεγονός που οδηγεί με τη σειρά του σε απαίτηση κεντρικής κλιματιστικής μονάδας με ανεμιστήρες και σπείρες θέρμανσης και ψύξης ελαττωμένης ισχύος, αεραγωγών μικρότερων διαστάσεων, κτλ. Συνεπώς, τόσο το αρχικό, όσο και το λειτουργικό κόστος του συστήματος μειώνονται σε σημαντικό βαθμό. Τα συστήματα VAV είναι κατάλληλα πρωτίστως για κτίρια, τα οποία παρουσιάζουν απαιτήσεις για ψύξη καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Απαιτούν μικρότερο χώρο εγκατάστασης από τα συστήματα CAV και έχουν μικρές απαιτήσεις συντήρησης. Τόσο τα συστήματα CAV, όσο και τα συστήματα VAV μπορεί να ανήκουν στον τύπο των συστημάτων διπλού αγωγού. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν δύο αγωγούς, εκ των οποίων ο ένας μεταφέρει το ζεσταμένο αέρα και ο άλλος το δροσισμένο αέρα στο χώρο. Εκεί ο αέρας αναμειγνύεται σε ένα θερμοστατικά ελεγχόμενο κιβώτιο ανάμειξης, το οποίο τοποθετείται συνήθως σε μια ψευδοροφή. Αυτά τα συστήματα παρέχουν ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας των χώρων, αλλά οι κύριες δαπάνες και οι απαιτήσεις τους σε χώρο είναι σχετικά μεγάλες, επειδή απαιτούνται δύο σύνολα δικτύων αεραγωγών. Στα συστήματα CAV διπλού αγωγού, χρειάζεται συχνά να αναμειχθεί ο αέρας που έχει θερμανθεί (με τη χρήση ενέργειας) με αέρα που έχει δροσιστεί (πάλι με τη χρήση ενέργειας). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να γίνεται σπατάλη σημαντικού μέρους της ενέργειας για θέρμανση και ψύξη. Σχήμα Σύστημα μεταβλητού όγκου αέρα διπλού αγωγού. 137

138 Ένας άλλος τύπος κεντρικών συστημάτων σταθερού και μεταβλητού όγκου αέρα, είναι τα συστήματα αέρα με αναθέρμανση. Τα συστήματα αυτά είναι κατάλληλα για τις περιπτώσεις όπου ο αέρας από τον κεντρική εγκατάσταση πρέπει να θερμαίνεται ή να δροσίζεται περαιτέρω, προκείμενου να καλυφθούν οι απαιτήσεις σε κλιματισμό των χώρων. Αυτό γίνεται μέσω πρόσθετων σπειρών θέρμανσης ή δροσισμού. Η τοποθέτηση αυτών των σπειρών μπορεί να αυξήσει τις κύριες δαπάνες και τις απαιτήσεις χώρου, δεδομένου ότι οι χωριστοί αγωγοί θα πρέπει να διατρέχουν την απόσταση μεταξύ του χώρου της κεντρικής εγκατάστασης και της κάθε ζώνης. Στα συστήματα σταθερού όγκου, η λειτουργία αυτή βελτιώνει σημαντικά τη δυνατότητα ελέγχου του συστήματος και το δίκτυο των αεραγωγών μπορεί να διαμορφωθεί κατάλληλα, ώστε να εξυπηρετεί χώρους με αρκετά διαφορετικές απαιτήσεις. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται πολυζωνικά συστήματα CAV. Σχήμα Πολυζωνικό σύστημα σταθερού όγκου αέρα. Τέλος, στην κατηγορία των κεντρικών συστημάτων κλιματισμού ανήκει και μια άλλη κατηγορία συστημάτων, τα οποία όμως διαφέρουν εντελώς σε σχέση με τα ανωτέρω συστήματα. Τα συστήματα αυτά ανήκουν στην κατηγορία των συστημάτων απευθείας εκτόνωσης και είναι τα εξής: Συστήματα μεταβλητού όγκου ψυκτικού μέσου (VRV). Πρόκειται για μια νέα τεχνολογία που αποτελεί παραλλαγή των διαιρεμένου τύπου αντλιών θερμότητας. Στα συστήματα αυτά, πολλές εσωτερικές μονάδες συνδέονται με μία εξωτερική. Το σύστημα αυτό λειτουργεί βάσει του μηχανισμού λειτουργίας ενός συστήματος inverter. Πιο συγκεκριμένα, μέσω ενός αισθητήρα ανίχνευσης της θερμοκρασίας της θερμικής ζώνης, το inverter οδηγείται στην επιλογή της κατάλληλης συχνότητας λειτουργίας του κλιματιστικού συστήματος. Με βάση την συχνότητα αυτή, το inverter ρυθμίζει αντίστοιχα τις στροφές του συμπιεστή, με αποτέλεσμα την μεταβολή του όγκου του παρεχόμενου ψυκτικού μέσου, ανάλογα με τις απαιτήσεις του χώρου. Η εναλλαγή μεταξύ ψυκτικής και θερμαντική λειτουργίας του συστήματος καθορίζεται από την συχνότητα λειτουργίας που έχει επιλεγεί από το inverter. Το ίδιο ισχύει και με τη ψυκτική/θερμική απόδοση του συστήματος. Λειτουργία της μονάδας σε υψηλές συχνότητες συμβαίνει σε περιπτώσεις μεγάλης διαφοράς μεταξύ της θερμοκρασίας χώρου και της επιθυμητής θερμοκρασίας. Το αντίθετο ισχύει για λειτουργία της μονάδας σε χαμηλές συχνότητες. 138

139 Τα VRV συστήματα θερμαίνουν τον αέρα ως την επιθυμητή θερμοκρασία στο μισό χρόνο σε σχέση με τα συστήματα ψύξης ή/και θέρμανσης. Έτσι περιορίζεται η κατανάλωση ενέργειας, αφού το inverter στη συνέχεια ελαττώνει σταδιακά την ισχύ του. Υπολογίζεται ότι για λειτουργία του συστήματος στο 50% του φορτίου, επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 40% έναντι ενός κλασικού συστήματος ψύξης ή/και θέρμανσης. Τα πιο εξελιγμένα VRV συστήματα έχουν τη δυνατότητα σύνδεσης έως και δεκαέξι εσωτερικών μονάδων σε μία εξωτερική μονάδα και γραμμικού ελέγχου απόδοσης μέσω συμπιεστών inverter %. Σοβαρό μειονέκτημά τους είναι το υψηλό κόστος συντήρησης Ημικεντρικά συστήματα κλιματισμού. Τα ημικεντρικά ή μερικώς συγκεντρωμένα συστήματα κλιματισμού περιλαμβάνουν συστήματα κλιματισμού με αέρα, νερό και συνδυασμό αέρα-νερού. Κοινός παράγοντας όλων των μερικώς συγκεντρωμένων συστημάτων κλιματισμού είναι η χρήση μιας κεντρικής εγκατάστασης για τον κλιματισμό του αέρα ή/και του νερού, αλλά ο περαιτέρω κλιματισμός ενός χώρου μπορεί να είναι τοπικά ελεγχόμενος. Στα ημικεντρικά συστήματα κλιματισμού με αέρα, χρησιμοποιείται μια κεντρική μονάδας διαχείρισης αέρα (AHU), η οποία λειτουργεί με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως και στα κεντρικά συστήματα. Στα ημικεντρικά συστήματα κλιματισμού με νερό, το ψυχρό νερό παρασκευάζεται σε υδρόψυκτες ή αερόψυκτες ψυκτικές μονάδες και το θερμό νερό σε λέβητες. Ακολούθως το θερμό - ψυχρό νερό μεταφέρεται μέσω ενός δικτύου σωληνώσεων διανομής και με τη βοήθεια αντλιών, σε κατάλληλες τερματικές συσκευές στους χώρους προς κλιματισμό. Το ίδιο δίκτυο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά τόσο του ψυχρού, όσο και του θερμού νερού. Σημαντικότατα πλεονεκτήματα των συστημάτων κλιματισμού με νερό, έναντι των υπολοίπων συστημάτων κλιματισμού (ανεξαρτήτως κεντρικού, ημικεντρικού ή τοπικού χαρακτήρα) είναι η δυνατότητα ελέγχου της υγρασίας των εσωτερικών χώρων και η αποφυγή του κινδύνου διαρροής του ψυκτικού μέσου στους εσωτερικούς χώρους. Τα συστήματα κλιματισμού με αέρα-νερό χρησιμοποιούν τόσο τον αέρα, όσο και το νερό για τον κλιματισμό των εσωτερικών χώρων. Ο κλιματισμός των δύο μέσων γίνεται όπως ακριβώς και στα αντίστοιχα συστήματα αέρα ή νερού. Χρησιμοποιείται ξεχωριστό δίκτυο μεταφοράς του νερού (σωληνώσεις) και του αέρα (αεραγωγοί). Σκοπός του προσαγόμενου αέρα είναι η ανανέωση του αέρα των χώρων, ενώ η θέρμανση και η ψύξη πραγματοποιούνται από τις τερματικές συσκευές, οι οποίες τροφοδοτούνται με θερμό και ψυχρό νερό. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα κυριότερα ημικεντρικά συστήματα κλιματισμού με βάση την ταξινόμηση που προκύπτει από το φορέα μεταφοράς της ψυκτικής - θερμικής ενέργειας: Συστήματα με αέρα. Στα μερικώς συγκεντρωμένα συστήματα με αέρα ανήκουν τα γνωστά συστήματα σταθερού και μεταβλητού όγκου αέρα με αναθέρμανση. Σε αντίθεση όμως με τα αντίστοιχα συγκεντρωμένα συστήματα, εδώ, οι πρόσθετες σπείρες θέρμανσης ή δροσισμού τοποθετούνται μέσα στους ελεύθερους χώρους της οροφής κάθε θερμικής ζώνης. Στα συστήματα VAV, συνήθως χρησιμοποιούνται μόνο σπείρες θέρμανσης, οι οποίες τοποθετούνται μέσα στα κιβώτια VAV που με τη σειρά τους είναι τοποθετημένα σε ελεύθερες επιφάνειες στις οροφές των εσωτερικών χώρων. Η 139

140 διαμόρφωση αυτή παρέχει καλό έλεγχο για τις περιοχές με τα μεταβαλλόμενα θερμικά φορτία, καθώς η αναθέρμανση εφαρμόζεται μόνο σε κάποια από τα κιβώτια VAV, εκεί όπου οι ανάγκες για θέρμανση το απαιτούν. Η περιμετρική αναθέρμανση, η οποία στοχεύει στην επιπρόσθετη θέρμανση των περιμετρικών χώρων ενός κτιρίου, όπου οι θερμικές απώλειες είναι μεγαλύτερες, είναι μια δημοφιλής εφαρμογή αυτών των συστημάτων. Τα ημικεντρικά συστήματα σταθερού και μεταβλητού όγκου αέρα με αναθέρμανση επιτρέπουν την ελεύθερη ψύξη, μέσω του ελέγχου απόσβεσης στην κεντρική μονάδα διαχείρισης του αέρα. Συστήματα με αέρα-νερό. Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται τα εξής κύρια συστήματα: Συστήματα επαγωγής. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν τερματικές μονάδες επαγωγής, οι οποίες επιτυγχάνουν τον κλιματισμό κάθε θερμικής ζώνης, εκμεταλλευόμενες το φαινόμενο της επαγωγής για την κίνηση του αέρα. Ο αέρας που μεταφέρεται από την μονάδα διαχείρισης αέρα (πρωτογενής αέρας) στις τοπικές μονάδες επαγωγής μέσω δικτύου αεραγωγών, εγχέεται μέσω ακροφυσίων προκειμένου να προκληθεί κυκλοφορία του αέρα του χώρου γύρω από μία σπείρα, στην οποία εφαρμόζεται, ανάλογα με τις ανάγκες, θέρμανση ή δροσισμός. Ο πρωτογενής αέρας περιορίζεται γενικά στην ελάχιστη ποσότητα φρέσκου αέρα που απαιτείται για τον εξαερισμό, με αποτέλεσμα τα συστήματα αυτά να παρέχουν περιορισμένες δυνατότητες για ελεύθερη ψύξη και έλεγχο της υγρασίας. Το θερμό/ψυχρό νερό παρέχεται σε κάθε χώρο από συστήματα δύο σωλήνων (ένας προσαγωγής και ένας επιστροφής), τριών σωλήνων (προσαγωγής θερμού νερού, προσαγωγής ψυχρού νερού και κοινής επιστροφής) ή τεσσάρων σωλήνων (προσαγωγή και επιστροφή θερμού νερού, προσαγωγή και επιστροφή ψυχρού νερού). Μόνο τα συστήματα τεσσάρων σωλήνων παρέχουν δυνατότητες καλού ελέγχου και αυξημένη ενεργειακή αποδοτικότητα και πρέπει γενικά να προτιμούνται. Ο κεντρικός έλεγχος των συστημάτων επαγωγής είναι περίπλοκος, αλλά οι περισσότερες μονάδες εγκαθίστανται με χειροκίνητα ελεγχόμενες διατάξεις απόσβεσης, για τον έλεγχο της ροής του επανακυκλοφορούμενου αέρα. Οι απαιτήσεις χώρου των συστημάτων επαγωγής είναι χαμηλές όσον αφορά το κεντρικό δωμάτιο εγκαταστάσεων και το δίκτυο των αγωγών και των σωληνώσεων. Πολλές φορές οι ίδιες οι μονάδες επαγωγής τοποθετούνται κάτω από τα παράθυρα, καταλαμβάνοντας χώρο στο δάπεδο. Κάθε μονάδα επαγωγής απαιτεί συντήρηση και καθαρισμό, εργασίες που πρέπει να πραγματοποιούνται στους κατειλημμένους χώρους. Ο σφυριχτός ήχος του πρωτογενούς αέρα που εκλύεται από τα ακροφύσια, ενδέχεται να προκαλέσει κάποια ενόχληση, λόγω θορύβου, στην κατειλημμένη περιοχή. Συστήματα fan-coil. Τα συστήματα αυτά είναι παρόμοια με τα συστήματα επαγωγής, με τη διαφορά πως ο αέρας κινείται με τη βοήθεια ενός ανεμιστήρα και όχι λόγω του 140

141 φαινομένου της επαγωγής. Χρησιμοποιούν ως τερματικές συσκευές για τον κλιματισμό των χώρων, τοπικές μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου (fan-coil units). Οι μονάδες fan-coil τροφοδοτούνται με θερμό/ψυχρό νερό από την κεντρική εγκατάσταση, μέσω ενός δικτύου σωληνώσεων με τον ίδιο αριθμό αγωγών όπως και στα συστήματα επαγωγής. Ο έλεγχος των συνθηκών του αέρα γίνεται με την κυκλοφορία του αέρα των χώρων μέσα από τις τερματικές συσκευές, στις οποίες κυκλοφορεί το θερμό/ψυχρό νερό. Οι συσκευές αυτές διαθέτουν ανεμιστήρα ρυθμιζόμενης ταχύτητας για την εξαναγκασμένη κυκλοφορία του αέρα. Επίσης είναι εφοδιασμένες με θερμοστάτη χώρου, μέσω του οποίου ελέγχεται η θερμοκρασία του χώρου και ρυθμίζεται η λειτουργία της συσκευής. Τα συστήματα fan-coil, όπως και τα συστήματα επαγωγής, τροφοδοτούν τους εσωτερικούς χώρους με νωπό αέρα προερχόμενο απευθείας από το περιβάλλον, αν οι εξωτερικές συνθήκες το επιτρέπουν. Οι μονάδες fan-coil μπορούν να τοποθετηθούν στην περίμετρο ή την οροφή των δωματίων, ενώ αξίζει να σημειωθεί πως οι σύγχρονοι ανεμιστήρες είναι εκπληκτικά αθόρυβοι. Μειονέκτημα αυτού του συστήματος είναι η δύσκολη συντήρηση ενός μεγάλου αριθμού τέτοιων μονάδων. Σχήμα Σύστημα fan-coil νερού-αέρα. Συστήματα με νερό. Στα συστήματα αυτά ανήκουν τα συστήματα fan-coil που περιγράψαμε προηγουμένως, μόνο που εδώ, δεν παρέχεται κεντρικά κλιματισμένος αέρας στις ζώνες του κτιρίου, επομένως δεν υπάρχει κεντρική μονάδα διαχείρισης αέρα. Η ορθή λειτουργία των συστημάτων κλιματισμού με αέρα-νερό απαιτεί πολύ μικρότερο όγκο αέρα από ότι ένα ισοδύναμο πολυζωνικό σύστημα αέρα. Απαιτούνται επίσης μικρότερα μεγέθη τόσο για τη μονάδα διαχείρισης αέρα όσο και για τους αγωγούς, αν και τα συστήματα επαγωγής μπορεί να εμφανίζουν αυξημένες απαιτήσεις σε χώρο, σε σχέση με τα συστήματα fan-coil, λόγω της ανάγκης επαγωγής του αέρα των δωματίων Τοπικά συστήματα κλιματισμού. Τα τοπικά συστήματα κλιματισμού ταυτίζονται με τα αυτόνομα κλιματιστικά μηχανήματα (παράγραφος ). Η παραγωγή ψύξης είναι η βασική λειτουργία τους, ενώ 141

142 άλλες λειτουργίες του κλιματισμού, όπως ο ανεφοδιασμός σε φρέσκο αέρα, ο έλεγχος της υγρασίας και η θέρμανση των χώρων, δεν είναι απαραιτήτως διαθέσιμες. Όπως έχουμε αναφέρει, τα συστήματα αυτά χαρακτηρίζονται από την τοποθέτηση μιας μονάδας ανά κλιματιζόμενο χώρο Παρεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα HVAC. Η λειτουργία των συστημάτων HVAC απαιτεί γενικά μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας και ευθύνεται για μεγάλο μέρος των λειτουργικών εξόδων ενός κτιρίου. Για το λόγο αυτό, η εφαρμογή τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα αυτά κρίνεται επιτακτική. Στις διάφορες εφαρμογές κτιρίων, όπου η χρήση συστημάτων HVAC είναι απαραίτητη, έχει υπολογισθεί από διάφορες μελέτες ότι μέχρι και το 30% του τυπικού ενεργειακού κόστους μπορεί να εξοικονομηθεί εάν ληφθεί πρόνοια για: Την κατάλληλη επιλογή του συστήματος. Τον ενεργειακά συνειδητό σχεδιασμό της εγκατάστασης. Τον καλό έλεγχο του συστήματος. Την αποτελεσματική λειτουργία και συντήρηση του συστήματος. Πρέπει να υπογραμμιστεί πως ακόμα και το καταλληλότερα επιλεγμένο σύστημα HVAC μπορεί να είναι ακριβό στη λειτουργία του εάν δεν είναι σωστά εγκατεστημένο, ρυθμισμένο, ελεγχόμενο και συντηρούμενο. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια σειρά μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας, τα οποία ενδείκνυνται προς εφαρμογή στα συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού με στόχο την μείωση της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και του λειτουργικού τους κόστους. Τα μέτρα αυτά είναι τα εξής: Επιλογή του κατάλληλου συστήματος HVAC για κάθε εφαρμογή. Πριν την επιλογή και εγκατάσταση κάποιου συστήματος HVAC σε ένα κτίριο, θα πρέπει να γίνεται μελέτη των θερμικών και ψυκτικών φορτίων του κτιρίου, καθώς και όλων των πιθανών τρόπων μείωσης αυτών. Πολλές φορές, προκύπτει πως είναι αρκετή η εγκατάσταση ενός συστήματος μηχανικού αερισμού αντί ενός συστήματος κλιματισμού. Σε περιπτώσεις που επιβάλλεται η τοποθέτηση ενός συστήματος κλιματισμού, πρέπει να προτιμώνται συγκεντρωμένα ή μερικώς συγκεντρωμένα συστήματα κλιματισμού, εάν αυτό είναι οικονομικά εφικτό και το επιτρέπει η χρήση του κτιρίου. Τα συστήματα αυτά έχουν πολύ καλύτερη ενεργειακή απόδοση και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τα αυτόνομα κλιματιστικά μηχανήματα. Εγκατάσταση συστημάτων μεταβλητού όγκου αέρα. Τα συστήματα μεταβλητού όγκου αέρα αποτελούν την ιδανικότερη επιλογή συστημάτων κλιματισμού, καθώς η λειτουργία τους απαιτεί τη μικρότερη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας και περιορίζει αισθητά την εκπομπή ρύπων, και κυρίως διοξειδίου του άνθρακα, προς το περιβάλλον. Η εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας προκύπτει τόσο από την ιδιότητα αυτών των συστημάτων να μεταβάλλουν την παροχή αέρα σε κάθε θερμική ζώνη ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις της, όσο και από τη διαστασιολόγησή τους, η οποία γίνεται βάσει μικρότερου μέγιστου φορτίου. 142

143 Συνεπώς, εφόσον το κτίριο και η χρήση του το επιτρέπουν, η τοποθέτηση συστημάτων VAV επιβάλλεται από όλες τις απόψεις (εξοικονόμηση ενέργειας, συμπεριφορά προς το περιβάλλον, λειτουργικό κόστος). Σωστή διαστασιολόγηση των συστημάτων HVAC. Η ορθή επιλογή της ονομαστικής ισχύος των διαφόρων συσκευών και εξαρτημάτων, τα οποία περιλαμβάνονται στα συστήματα HVAC (λέβητες, ψύκτες, αντλίες θερμότητας, κεντρικές κλιματιστικές μονάδες, αντλίες, ανεμιστήρες, κτλ.), ώστε να καλύπτει επαρκώς τα πραγματικά φορτία, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του πραγματικού βαθμού απόδοσης των συστημάτων αυτών και την κατανάλωση λιγότερης ενέργειας από μέρους τους. Χωρισμός κτιρίου σε θερμικές ζώνες. Για κτίρια πολλών και διαφορετικών χρήσεων (εμπορικά κέντρα, ξενοδοχεία, νοσοκομεία, βιομηχανικές εγκαταστάσεις) κρίνεται απαραίτητος ο χωρισμός τους σε θερμικές ζώνες, ώστε η εξυπηρέτηση τους από το σύστημα ή τα συστήματα κλιματισμού να γίνεται βάσει των ειδικών συνθηκών που επικρατούν σε αυτές. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται σημαντικότατη εξοικονόμηση ενέργειας. Επιλογή συσκευών με υψηλό βαθμό απόδοσης. Οι ψυκτικές μονάδες που επιλέγονται για τα συστήματα κλιματισμού πρέπει να χαρακτηρίζονται από υψηλούς δείκτες ενεργειακής απόδοσης (EER - COP), ενώ οι λέβητες πρέπει να ανήκουν στην κατηγορία των λεβήτων υψηλής απόδοσης. Σε παλαιές εγκαταστάσεις, η αντικατάσταση των υφιστάμενων ψυκτικών μονάδων και των λεβήτων με αντίστοιχες συσκευές υψηλής απόδοσης, επιφέρει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Σωστός σχεδιασμός δικτύου αεραγωγών και σωληνώσεων. Για τον ορθολογικό σχεδιασμό τόσο του δικτύου αεραγωγών, όσο και του δικτύου σωληνώσεων εφαρμόζονται όσα είπαμε και στις εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης. Θερμομόνωση των αεραγωγών και των σωληνώσεων θερμού/ψυχρού νερού. Όπως και στα συστήματα κεντρικής θέρμανσης και ψύξης, η θερμομόνωση του δικτύου διανομής των συστημάτων HVAC είτε πρόκειται για αεραγωγούς, είτε πρόκειται για σωληνώσεις, κρίνεται απαραίτητη, ώστε να μειωθούν οι θερμικές απώλειες του φορέα μεταφοράς ενέργειας. Χρήση εναλλάκτη θερμότητας. Η χρήση ενός εναλλάκτη θερμότητας επιτρέπει στα συστήματα HVAC την ανάκτηση του μεγαλύτερου μέρους της θερμότητας του αποβαλλόμενου αέρα. Σε κάθε κλιματιζόμενο κτίριο, μεγάλες ποσότητες κλιματισμένου αέρα απορρίπτονται στο περιβάλλον και αναπληρώνονται από εισερχόμενο αέρα, ο οποίος πρέπει να ψυχθεί ή να θερμανθεί κατά αρκετούς βαθμούς Κελσίου (πολλές φορές πάνω από 20). Η χρήση όμως ενός εναλλάκτη θερμότητας, επιτρέπει στα 143

144 συστήματα κλιματισμού να χρησιμοποιούν την ενθαλπία του εξερχόμενου αέρα για την προθέρμανση ή την πρόψυξη του εισερχόμενου, μειώνοντας έτσι το αντίστοιχο θερμικό ή ψυκτικό φορτίο. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η ανάκτηση της αποθηκευμένης ενέργειας του εξερχόμενου αέρα κατά 70-80%. Η ανάκτηση θερμότητας επιβάλλεται σε κλιματιστικά συστήματα μεγάλης ονομαστικής ισχύος. Χρήση εξοικονομητών. Τα ψυκτικά φορτία των κτιρίων είναι δυνατόν, ειδικά σε εποχές με όχι ιδιαίτερα υψηλές εξωτερικές θερμοκρασίες αέρα (άνοιξη, φθινόπωρο), να καλύπτονται εξ ολοκλήρου ή εν μέρει με την εισαγωγή εξωτερικού αέρα στο κτίριο. Η λειτουργία αυτή ονομάζεται, όπως ήδη έχουμε αναφέρει, ελεύθερη ψύξη (free cooling). Οι εξοικονομητές είναι συσκευές που επιτρέπουν την ελεγχόμενη εισαγωγή και χρήση εξωτερικού αέρα στο κτίριο, ρυθμίζοντας την υγρασία, τη θερμοκρασία, την ενθαλπία και τις συγκεντρώσεις ρύπων του. Ο εξωτερικός αέρας χρησιμοποιείται είτε για τον απευθείας δροσισμό του κτιρίου (μηχανικός αερισμός), είτε προψύχεται από το κλιματιστικό σύστημα και στη συνέχεια διανέμεται στο εσωτερικό του κτιρίου. Ανάλογα με το είδος του κλιματιστικού συστήματος χρησιμοποιούνται εξοικονομητές νερού ή αέρος. Οι συσκευές αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε συνδυασμό με συστήματα ανάκτησης της θερμότητας του εξερχόμενου αέρα. Διαχείριση της ροής του αέρα. Η διαχείριση της ροής του αέρα στα συστήματα κλιματισμού ή μηχανικού εξαερισμού πρέπει να είναι τέτοια, ώστε η ταχύτητα του και η στατική πίεση σε αυτά να είναι οι χαμηλότερες δυνατές. Στα συστήματα HVAC, η αντίσταση στην ροή του αέρα διαμέσου των φίλτρων εξαρτάται από την κατασκευή των φίλτρων, το είδος τους, το βαθμό συντήρησης και την καθαριότητά τους. Συνίσταται συνεπώς η χρήση φίλτρων υψηλής ποιότητας (ειδικά ή απόλυτα ή τρίτης βαθμίδας φίλτρα) με χαμηλή αντίσταση στη διέλευση του αέρα. Επίσης προτείνεται η χρήση ανεμιστήρων με υψηλή απόδοση και στεγανοποίηση των αγωγών μεταφοράς του αέρα για την αποφυγή διαρροών. Ενσωμάτωση των συστημάτων HVAC σε ένα σύστημα ενεργειακής διαχείρισης κτιρίων. Η εγκατάσταση ενός συστήματος ενεργειακής διαχείρισης κτιρίων (BEMS) και η εναρμόνιση της λειτουργίας των συστημάτων HVAC σύμφωνα με αυτό, οδηγεί σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Τα συστήματα αυτά θα παρουσιαστούν αναλυτικά σε επόμενη ενότητα. Τακτική συντήρηση των εγκαταστάσεων. Η τακτική επιθεώρηση και συντήρηση συσκευών όπως οι λέβητες, οι ψύκτες, οι αντλίες θερμότητας, οι ανεμιστήρες, τα φίλτρα, οι υγραντήρες, οι αεραγωγοί, οι σωληνώσεις και τα όργανα αυτοματισμού και ελέγχου κρίνεται απαραίτητη για την αποδοτική λειτουργία των συστημάτων HVAC και την αύξηση της διάρκειας ζωής τους. 144

145 Είναι ευνόητο πως η σύνταξη της μελέτης των εγκαταστάσεων HVAC πρέπει να γίνεται από Διπλ. Μηχανικό, ο οποίος είναι σε θέση να εκπονήσει όλες τις απαραίτητες μελέτες (υπολογισμό ψυκτικών/θερμικών φορτίων, επιλογή κατάλληλου συστήματος, σωστή διαστασιολόγηση συσκευών και δικτύου αεραγωγών/σωληνώσεων, επιλογή συστήματος ελέγχου και ρύθμισης, κτλ.), ενσωματώνοντας τις απαιτούμενες παρεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας και στη συνέχεια να επιβλέψει τη σωστή εφαρμογή τους και την κατασκευή της εγκατάστασης Εγκαταστάσεις ζεστού νερού χρήσης Γενικά. Η κατανάλωση του νερού και ειδικότερα του ζεστού νερού χρήσης είναι συνυφασμένη με την ανάπτυξη του βιοτικού επιπέδου στις κοινωνίες των ανθρώπων. Η ζήτηση ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ) σε ένα κτίριο ή σε μία ανεξάρτητη θερμική ζώνη του, εξαρτάται από τη χρήση του κτιρίου (ή της θερμικής ζώνης) και από τον ανθρώπινο παράγοντα. Έτσι, κάθε κτίριο, ανάλογα με τη γενική του χρήση και τις συνήθειες των χρηστών του, παρουσιάζει διαφορετική κατανάλωση ζεστού νερού χρήσης. Η απαιτούμενη κατανάλωση ΖΝΧ για όλες τις χρήσεις των κτιρίων του τριτογενούς τομέα καθορίζεται από την Τεχνική Οδηγία /2010 και δίνεται από τον πίνακα Π.4. του παραρτήματος. Οι τιμές αυτού του πίνακα ισχύουν φυσικά και για όσους εσωτερικούς χώρους των παραγωγικών μονάδων έχουν αντίστοιχες χρήσεις. Η παραγωγή ΖΝΧ μπορεί να πραγματοποιηθεί α) σε κεντρικές μονάδες παραγωγής και β) σε τοπικές μονάδες παραγωγής. Σε περιπτώσεις κτιρίων με μεγάλες απαιτήσεις σε ΖΝΧ (νοσοκομεία, ξενοδοχεία, γυμναστήρια, βιομηχανικές εγκαταστάσεις, κ.α.), η παραγωγή συνίσταται να γίνεται μέσω κεντρικών μονάδων παραγωγής ΖΝΧ, οι οποίες χρησιμοποιούν λέβητες στερεών, υγρών ή αέριων ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή της θερμότητας για τη θέρμανση του νερού. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, για την παραγωγή του ΖΝΧ χρησιμοποιούνται οι εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης (-/και ψύξης), εφόσον έχουν εξοπλιστεί κατάλληλα. Σε περιπτώσεις κτιρίων με μικρές απαιτήσεις σε ΖΝΧ (τα περισσότερα κτίρια του τριτογενούς τομέα), η παραγωγή μπορεί να γίνει και σε τοπικές μονάδες παραγωγής, οι οποίες χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή της απαιτούμενης θερμότητας για τη θέρμανση του νερού. Η χρήση τοπικών μονάδων εφαρμόζεται ως συμπληρωματική λύση και σε περιπτώσεις κτιρίων με μεγάλες απαιτήσεις σε ΖΝΧ, συνήθως κοντά στις τελικές χρήσεις αυτού, π.χ. δωμάτιο ξενοδοχείου. Ο αρχικός σχεδιασμός της εγκατάστασης ΖΝΧ θα πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να προβλέπεται η κάλυψη των μερικών φορτίων (π.χ. κατά τη θερινή περίοδο), ανάλογα με τη χρήση του κτιρίου, το ωράριο λειτουργίας και τη διακύμανση της ζήτησης ΖΝΧ του κτιρίου, χωρίς σπατάλη ενέργειας. Σε μεγάλα κτίρια με κεντρικές εγκαταστάσεις παραγωγής ΖΝΧ και μεγάλα ονομαστικά φορτία, η χρήση πολυβάθμιων λεβήτων και εποχιακά μεταβλητής αποθήκευσης ΖΝΧ συμβάλλουν προς την κατεύθυνση της βελτιστοποίησης της λειτουργίας της κεντρικής εγκατάστασης και κατά συνέπεια στην εξοικονόμηση ενέργειας. Επισημαίνεται πως η παροχή ΖΝΧ πρέπει να προβλέπεται για όλα τα σημεία του κτιρίου, στα οποία υπάρχει η ανάλογη απαίτηση, ακόμη και στα σημεία εγκατάστασης συσκευών που καταναλώνουν κατά τη λειτουργία τους ΖΝΧ, όπως π.χ. τα πλυντήρια. Εκτός από τους λέβητες συμβατικών καυσίμων και τον ηλεκτρισμό, υπάρχουν και άλλα μη συμβατικά συστήματα παραγωγής της θερμότητας που απαιτεί η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Τα συστήματα αυτά είναι οι ηλιακοί συλλέκτες, η τηλεθέρμανση και οι μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Η χρήση των ηλιακών συλλεκτών 145

146 και των μονάδων συμπαραγωγής για την παραγωγή θερμικής ενέργειας θα εξεταστεί σε επόμενα κεφάλαια. Αντίθετα, τα συστήματα τηλεθέρμανσης δεν θα μας απασχολήσουν, καθώς χρησιμοποιούνται αποκλειστικά σε περιοχές κοντά σε μονάδες ηλεκτροπαραγωγής της Δ.Ε.Η Εναλλάκτες θερμότητας Θερμαντήρες. Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ΖΝΧ είναι εναλλάκτες θερμότητας. Εναλλάκτης θερμότητας ονομάζεται η διάταξη, η οποία έχει τη δυνατότητα μεταφοράς θερμικής ενέργειας μεταξύ δύο ρευστών διαφορετικής θερμοκρασίας. Οι εναλλάκτες θερμότητας, ανάλογα με τη διαδικασία μεταφοράς της θερμότητας, μπορούν να διαχωριστούν σε άμεσης και έμμεσης επαφής. Στους εναλλάκτες άμεσης επαφής, δύο διαφορετικής φάσης ρευστά έρχονται σε άμεση επαφή, ανταλλάσσουν θερμότητα και διαχωρίζονται πάλι. Αντίθετα, στους εναλλάκτες έμμεσης επαφής, τα δύο ρευστά παραμένουν χωρισμένα και η θερμότητα μεταφέρεται διαμέσου μιας διαχωριστικής επιφάνειας. Στην περίπτωση που η επιφάνεια θερμοεναλλαγής έχει αρκετά μεγάλη τιμή θερμοχωρητικότητας, ώστε να παίζει σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο της μεταφοράς, οι έμμεσης επαφής εναλλάκτες ονομάζονται αλλιώς «αναγεννητές». Ανάλογα με το μηχανισμό μεταφοράς της θερμότητας, οι εναλλάκτες διακρίνονται σε: α) συναγωγής μίας φάσης και από τις δύο πλευρές, β) συναγωγής μίας φάσης από τη μία πλευρά και δύο φάσεων από την άλλη πλευρά, γ) συναγωγής δύο φάσεων και από τις δύο πλευρές και δ) συνδυασμένης συναγωγής και μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία. Εξάλλου, ανάλογα με την κατασκευή τους, οι εναλλάκτες διακρίνονται σε: α) εναλλάκτες με μανδύα ή κέλυφος, β) πλακοειδείς εναλλάκτες, γ) σωληνωτούς εναλλάκτες, δ) εναλλάκτες ενσωματωμένους σε λέβητες, ε) ηλεκτρικούς θερμοσίφωνες και στ) εναλλάκτες ροής. Μικρές κατασκευαστικές λεπτομέρειες διαφοροποιούν περαιτέρω τους παραπάνω τύπους εναλλακτών. Ανάλογα με το είδος ροής μέσα στους εναλλάκτες, αυτοί κατανέμονται σε εναλλάκτες α) ομορροής, β) αντιρροής, γ) σταυρορροής και δ) σύνθετους εναλλάκτες. Τέλος, ανάλογα με τη φάση των δύο ρευστών διαχωρίζονται σε εναλλάκτες α) αερίουαερίου, β) αερίου-υγρού και γ) υγρού-υγρού. Στους εναλλάκτες θερμότητας ανήκουν και κάποιες ειδικές μορφές, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές και θα εξεταστούν αναλυτικά σε επόμενο κεφάλαιο. Οι εναλλάκτες θερμότητας που χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για την παραγωγή ΖΝΧ ονομάζονται θερμαντήρες ή boiler. Με κριτήριο τη δυνατότητα αποθήκευσης του ΖΝΧ, οι θερμαντήρες διακρίνονται σε: α) θερμαντήρες αποθήκευσης και β) θερμαντήρες ροής ή ταχυθερμαντήρες. Οι θερμαντήρες αποθήκευσης είναι εκείνοι οι θερμαντήρες, οι οποίοι διαθέτουν δεξαμενή (δοχείο) αποθήκευσης για τη διατήρηση της ποσότητας νερού που μόλις έχουν θερμάνει. Το νερό διατηρείται ζεστό μέσα στη δεξαμενή για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα, καθιστώντας δυνατή τη χρήση του για αρκετές ώρες μετά τη θέρμανσή του. Η χωρητικότητα της δεξαμενής αποθήκευσης ποικίλλει και επιλέγεται βάσει της ποσότητας ΖΝΧ που απαιτεί η χρήση του κτιρίου. Εξαιτίας της πιθανότητας ανάπτυξης βακτηρίων της λεγιονέλλας στο αποθηκευμένο νερό, είναι απαραίτητη η συνεχής διατήρηση της θερμοκρασίας του σε επίπεδα άνω των 50 ο C. Οι θερμαντήρες ροής (ταχυθερμαντήρες) δεν διαθέτουν χώρο αποθήκευσης του ΖΝΧ και χρησιμοποιούνται για να θερμάνουν το νερό τη στιγμή ακριβώς που οι χρήστες του κτιρίου το χρειάζονται. Στα πλεονεκτήματα των θερμαντήρων ροής περιλαμβάνεται η τροφοδοσία μεγάλων ποσοτήτων ζεστού νερού και η διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας σε αυτό. Επιπλέον, δεν υπάρχει κίνδυνος ανάπτυξης βακτηρίων της λεγιονέλλας, αφού το νερό χρησιμοποιείται τη στιγμή που έχει θερμανθεί. Οι θερμαντήρες ροής καταναλώνουν 146

147 μικρότερη ποσότητα ενέργειας από τους θερμαντήρες αποθήκευσης, αφού απορροφούν ενέργεια μόνο τη στιγμή ζήτησης ζεστού νερού. Οι θερμαντήρες ανάλογα με την πηγή παροχής της απαραίτητης θερμικής ενέργειας για τη θέρμανση του ΖΝΧ κατατάσσονται στους θερμαντήρες α) μονής, β) διπλής και γ) τριπλής ενέργειας. Οι θερμαντήρες μονής ενέργειας χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια (μέσω ηλεκτρικής αντίστασης) για τη θέρμανση του ΖΝΧ και είναι οι γνωστοί μας ηλεκτρικοί θερμοσίφωνες. Οι θερμαντήρες διπλής ενέργειας κάνουν χρήση ενός λέβητα, συνήθως φυσικού αερίου ή πετρελαίου για τη θέρμανση του ΖΝΧ, ενώ χρησιμοποιούν και μια εφεδρική ηλεκτρική αντίσταση. Η αντίσταση αυτή μπορεί να αντικατασταθεί από ένα κύκλωμα ηλιακών συλλεκτών, οπότε στην περίπτωση αυτή, η εφεδρική λύση είναι ο λέβητας. Τέλος, οι θερμαντήρες τριπλής ενέργειας χρησιμοποιούν ως πηγές θέρμανσης του νερού, κατά προτεραιότητα: α) ένα κύκλωμα ηλιακών συλλεκτών, β) ένα λέβητα και γ) μια εφεδρική ηλεκτρική αντίσταση. Σημειώνεται πως, αντί του λέβητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ένας ψύκτης ή μια αντλία θερμότητας, εάν ο θερμαντήρας συνδεθεί σε ένα τέτοιο σύστημα. Σχήμα Θερμαντήρας διπλής ενέργειας με λέβητα και ηλιακούς συλλέκτες. Ανάλογα με τον τρόπο τοποθέτησης και υδραυλικής σύνδεσης τους, οι θερμαντήρες διακρίνονται σε: α) παταριού, β) οριζοντίου τοίχου και γ) κατακόρυφου τοίχου. Οι πρώτοι φέρουν όλες τις υδραυλικές συνδέσεις στο πάνω μέρος τους, οι δεύτεροι στο κάτω μέρος τους, ενώ οι τελευταίοι φέρουν τις υδραυλικές συνδέσεις με τις παροχές κρύου και ζεστού νερού στο κάτω μέρος τους και τις υδραυλικές συνδέσεις με το λέβητα στο πλάι Συστήματα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης. Όπως ήδη αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο, τα συστήματα παραγωγής ΖΝΧ διακρίνονται σε κεντρικά και σε τοπικά συστήματα. Τα κεντρικά συστήματα χρησιμοποιούν ένα συγκεκριμένο χώρο του κτιρίου για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Οι κύριες συσκευές που περιλαμβάνονται σε ένα κεντρικό σύστημα παραγωγής ΖΝΧ είναι ο λέβητας, ο θερμαντήρας, το δίκτυο σωληνώσεων που μεταφέρει το θερμό νερό από το λέβητα στο θερμαντήρα, ο κυκλοφορητής και η δεξαμενή αποθήκευσης (στην περίπτωση θερμαντήρων αποθήκευσης). 147

148 Σε περιπτώσεις κτιρίων με μεγάλες απαιτήσεις σε ΖΝΧ, συνίσταται η χρήση ενός ή περισσότερων θερμαντήρων αποθήκευσης, συνοδευόμενων από μία ή περισσότερες δεξαμενές αποθήκευσης. Ο αριθμός των θερμαντήρων και των δεξαμενών αποθήκευσης καθορίζεται βάσει των αναγκών του κτιρίου σε ζεστό νερό χρήσης. Θερμαντήρες ροής χρησιμοποιούνται μόνο ως συμπληρωματικοί των θερμαντήρων αποθήκευσης, κυρίως κοντά στα σημεία τελικής χρήσης, για την αύξηση της θερμοκρασίας του ζεστού νερού λίγο πριν αυτό χρησιμοποιηθεί (δηλαδή παίζουν το ρόλο τοπικών συσκευών παραγωγής ζεστού νερού χρήσης, όπως θα δούμε στη συνέχεια). Σε κτίρια με μικρές απαιτήσεις σε ΖΝΧ μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο θερμαντήρες αποθήκευσης, όσο και θερμαντήρες ροής από το κεντρικό σύστημα. Ένα κεντρικό σύστημα παραγωγής ΖΝΧ μπορεί είτε να είναι ένα ανεξάρτητο σύστημα με αποκλειστικό ρόλο την παραγωγή ζεστού νερού, είτε να αποτελεί τμήμα ενός ευρύτερου κεντρικού συστήματος που χρησιμοποιείται για την κάλυψη των συνολικών αναγκών (θέρμανση, ψύξη, ζεστό νερό χρήσης) ενός κτιρίου ή μιας θερμικής ζώνης. Στη δεύτερη περίπτωση, που αποτελεί και τη συνηθέστερη, το μόνο που χρειάζεται είναι η σύνδεση του θερμαντήρα στο κεντρικό σύστημα θέρμανσης (-/και ψύξης). Η σύνδεση αυτή μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους. Ο πρώτος τρόπος είναι η σύνδεση του θερμαντήρα στην κεντρική εγκατάσταση σαν αυτός να αποτελεί ένα ακόμα θερμαντικό σώμα. Σε αυτή τη σύνδεση, η οποία ονομάζεται απευθείας σύνδεση, ο θερμαντήρας και τα θερμαντικά σώματα χρησιμοποιούν τον ίδιο κυκλοφορητή και την ίδια βάνα αυτονομίας, γεγονός που δεν επιτρέπει την αυτόνομη λειτουργία του θερμαντήρα. Επειδή το ΖΝΧ ενδέχεται να αποκτήσει τη θερμοκρασία του θερμαντικού μέσου, κάτι που είναι μη επιθυμητό αφού έτσι μειώνεται η διάρκεια ζωής του θερμαντήρα, είναι σκόπιμη η τοποθέτηση στην είσοδο ή έξοδο της σύνδεσης του θερμαντήρα με την κεντρική εγκατάσταση, ενός θερμοστάτη με έναν αισθητήρα θερμοκρασίας, ο οποίος θα διακόπτει την τροφοδότηση του θερμαντήρα με θερμό νερό, όταν η θερμοκρασία του ΖΝΧ θα ξεπερνά κάποιο όριο (συνήθως τους 60 ο C). Σχήμα Σύνδεση θερμαντήρα με την εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης: α) με απευθείας σύνδεση και β) με ανεξάρτητο κυκλοφορητή. Ο δεύτερος τρόπος σύνδεσης του θερμαντήρα προβλέπει τη χρήση ενός κυκλοφορητή, ο οποίος θα τροφοδοτεί το θερμαντήρα με θερμό νερό και θα είναι 148

149 ανεξάρτητος του κυκλοφορητή που τροφοδοτεί τα θερμαντικά σώματα. Ο κυκλοφορητής αυτός θα ελέγχεται από δικό του θερμοστάτη, ο οποίος θα παρακολουθεί τη θερμοκρασία του ΖΝΧ και θα τη διατηρεί σε κάποια προκαθορισμένη θερμοκρασία (συνήθως 60 ο C). Με αυτόν τον τρόπο σύνδεσης, υπάρχει η δυνατότητα διάθεσης ΖΝΧ ανεξάρτητα από τη λειτουργία του υπόλοιπου συστήματος (θέρμανση ή ψύξη). Τελευταίος τρόπος σύνδεσης του θερμαντήρα με την εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης (-/και ψύξης) είναι μέσω μιας ηλεκτροκίνητης βάνας αυτονομίας, ελεγχόμενης από ένα θερμοστάτη. Ηλεκτροβάνα και θερμοστάτης είναι ανεξάρτητα εξαρτήματα των αντίστοιχων εξαρτημάτων του συστήματος θέρμανσης (-/και ψύξης), γεγονός που επιτρέπει και πάλι την αυτόνομη λειτουργία του θερμαντήρα. Οι θερμαντήρες που χρησιμοποιούνται από τα κεντρικά συστήματα παραγωγής ΖΝΧ σε κτίρια μεγάλων απαιτήσεων είναι είτε διπλής, είτε τριπλής ενέργειας. Σε κτίρια μικρών απαιτήσεων σε ΖΝΧ μπορεί να είναι και μονής ενέργειας, αλλά κάτι τέτοιο δεν συνίσταται (παράγραφος ). Σε περίπτωση χρήσης περισσότερων του ενός θερμαντήρων, η σύνδεσή τους μπορεί να γίνει είτε σε σειρά, είτε παράλληλα. Η σύνδεση σε σειρά προτιμάται όταν η ζήτηση σε ζεστό νερό είναι μικρή σχετικά σε όγκο, αλλά συνεχής. Αντίθετα, η παράλληλη σύνδεση συνίσταται όταν οι ανάγκες σε ζεστό νερό είναι μεγάλες, αλλά για μικρά χρονικά διαστήματα. Φυσικά, παραλλαγές και συνδυασμοί των δύο τρόπων σύνδεσης μπορούν να γίνουν, εάν με τον τρόπο αυτό καλύπτονται αποτελεσματικότερα οι απαιτήσεις σε ζεστό νερό. Σχήμα Σύνδεση θερμαντήρων: α) εν σειρά και β) παράλληλα. Τα τοπικά συστήματα παραγωγής ΖΝΧ τοποθετούνται κοντά στους χώρους όπου πρόκειται να γίνει η τελική χρήση του ζεστού νερού. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν αποκλειστικά θερμαντήρες μονής ενέργειας, η οποία συνήθως είναι η ηλεκτρική ενέργεια. Επομένως, τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν κυρίως ηλεκτρικούς θερμαντήρες (θερμοσίφωνες) αποθήκευσης ή ροής. Ένα τοπικό σύστημα παραγωγής ΖΝΧ χρησιμοποιείται κυρίως σε κτίρια με μικρές απαιτήσεις σε ΖΝΧ, αφού πρώτα κριθεί πως είναι οικονομικότερο ενός κεντρικού συστήματος, αλλά και ως συμπληρωματικό ενός κεντρικού συστήματος σε κτίρια με μεγάλες απαιτήσεις σε ΖΝΧ. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιούνται κυρίως ηλεκτρικοί ταχυθερμαντήρες. Όλα τα συστήματα παραγωγής ΖΝΧ χρησιμοποιούν ένα δίκτυο διανομής του ΖΝΧ στις θέσεις τελικής χρήσης. Το δίκτυο αυτό αποτελείται από σωληνώσεις και έναν 149

150 κυκλοφορητή, ο οποίος εξασφαλίζει την ομαλή ροή του ζεστού νερού. Για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας, καλό είναι το δίκτυο διανομής να διαθέτει και ειδικούς σωλήνες και κυκλοφορητή για την ανακυκλοφορία του ζεστού νερού χρήσης. Η δυνατότητα αυτή θα εξεταστεί στην επόμενη παράγραφο Επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας για το ζεστό νερό χρήσης. Όπως και στα υπόλοιπα συστήματα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών ενός κτιρίου, έτσι και στα συστήματα ΖΝΧ υπάρχει μεγάλη προοπτική στην εξοικονόμηση ενέργειας, η οποία μπορεί να γίνει πράξη αν εφαρμοστούν οι παρακάτω τεχνικές: Σωστή διαστασιολόγηση του συστήματος. Η επιλογή της ονομαστικής ισχύος του λέβητα και των ηλεκτρικών κινητήρων των κυκλοφορητών, όπως και του μεγέθους της δεξαμενής αποθήκευσης πρέπει να είναι σύμφωνη με τις ανάγκες του κτιρίου ή της θερμικής ζώνης. Μείωση της θερμοκρασίας αποθήκευσης και προσαγωγής του ζεστού νερού. Η μείωση της θερμοκρασίας αποθήκευσης και προσαγωγής του ΖΝΧ έως τα όρια επαρκούς χρήσης για καθαριότητα και ασφάλεια από βακτήρια και ιούς (55-60 ο C), επιβάλλεται για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας. Άλλωστε η διατήρηση του ζεστού νερού σε υψηλότερη θερμοκρασία δεν προσφέρει κάτι παραπάνω από άποψη υγιεινής, αντίθετα διευρύνει την άσκοπη κατανάλωση ενέργειας αφού όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία θέρμανσης και διατήρησης του νερού, τόσο μεγαλύτερη ποσότητα θερμικής ενέργειας απαιτείται. Παύση μη απαραίτητης λειτουργίας του κυκλοφορητή. Η διακοπή της λειτουργίας του κυκλοφορητή του θερμαντήρα σε περιόδους που δεν υπάρχει ζήτηση ζεστού νερού συνεπάγεται εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η τεχνική μπορεί φυσικά να εφαρμοστεί μόνο στην περίπτωση που ο θερμαντήρας χρησιμοποιεί ανεξάρτητο κυκλοφορητή από την υπόλοιπη εγκατάσταση. Προφανώς, ο κυκλοφορητής των θερμαντικών σωμάτων εξασφαλίζει τη λειτουργία της υπόλοιπης εγκατάστασης, εάν αυτή κρίνεται απαραίτητη. Χρήση τοπικών ταχυθερμαντήρων. Όπως αναφέραμε και στην προηγούμενη παράγραφο, προτείνεται η χρήση τοπικών ταχυθερμαντήρων για την αύξηση της θερμοκρασίας τελικής διανομής του ζεστού νερού. Τα οφέλη αυτής της μεθόδου είναι οι μειωμένες απαιτήσεις μεγέθους της δεξαμενής αποθήκευσης για το κεντρικό σύστημα και χαμηλότερων θερμοκρασιών θέρμανσης και αποθήκευσης του νερού, πράγμα που σημαίνει εξοικονόμηση θερμικής ενέργειας. Χρήση θερμαντήρων διπλής ή τριπλής ενέργειας. Σε κεντρικά συστήματα παραγωγής ΖΝΧ σε κτίρια μικρών απαιτήσεων, είναι δυνατή η χρήση ηλεκτρικών θερμαντήρων. Όμως η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας εκ μέρους τους είναι μεγάλη. Για το λόγο αυτό συνίσταται η χρήση θερμαντήρων διπλής ή τριπλής ενέργειας. Στους πρώτους όμως, η ηλεκτρική 150

151 αντίσταση πρέπει να αντικατασταθεί από ηλιακούς συλλέκτες. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η λήψη θερμικής ενέργειας από μια φθηνή και ανεξάντλητη πηγή παροχής (ηλιακή ενέργεια) και παρέχεται ανεξαρτησία στο σύστημα από την ακριβή και ενεργοβόρα ηλεκτρική ενέργεια. Αντικατάσταση των ηλεκτρικών θερμοσίφωνων με θερμοσίφωνες φυσικού αερίου. Σε εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται τοπικά συστήματα παραγωγής ΖΝΧ ή ακόμα και σε κτίρια μικρών απαιτήσεων ΖΝΧ στα οποία για οποιοδήποτε λόγο δεν υπάρχει η δυνατότητα χρήσης θερμαντήρων διπλής ή τριπλής ενέργειας, προτείνεται η χρήση θερμοσίφωνων φυσικού αερίου, αντί των αντίστοιχων ηλεκτρικών. Οι θερμοσίφωνες φυσικού αερίου έχουν καλύτερο συντελεστή απόδοσης και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Επιπλέον είναι οικονομικότεροι, καθώς το φυσικό αέριο έχει μικρότερο κόστος απόκτησης σε σχέση με την ηλεκτρική ενέργεια. Εγκατάσταση μετρητικών διατάξεων. Η εγκατάσταση μετρητών κατανάλωσης ζεστού νερού χρήσης σε όλες τις θερμικές ζώνες του κτιρίου είναι απαραίτητη, ώστε να αποφεύγεται η υπέρμετρη κατανάλωση. Χρήση κρουνών ελεγχόμενων από διατάξεις σύγχρονης τεχνολογίας. Η αντικατάσταση των κοινών χειροκίνητων κρουνών με κρουνούς που ελέγχονται από φωτοκύτταρο, υπέρυθρους αισθητήρες ή μηχανικά μέσα επιβάλλεται ώστε να μειωθεί η άσκοπη κατανάλωση τρεχούμενου νερού, συμπεριλαμβανομένου και του ζεστού νερού. Μείωση της άσκοπης κατανάλωσης ΖΝΧ συνεπάγεται εξοικονόμηση ενέργειας. Επιπλέον, η συνολική μείωση της περιττής κατανάλωσης τρεχούμενου νερού συνεπάγεται μείωση της ποσότητας των λυμάτων που επιβαρύνουν το περιβάλλον. Θερμομόνωση συστήματος ζεστού νερού χρήσης. Η θερμομόνωση του συστήματος παραγωγής και διανομής ΖΝΧ (σωληνώσεις, δεξαμενή αποθήκευσης, λέβητας) κρίνεται απαραίτητη ώστε να περιοριστούν στο ελάχιστο οι θερμικές απώλειες. Προσθήκη δικτύου ανακυκλοφορίας στο δίκτυο διανομής ζεστού νερού χρήσης. Η ύπαρξη σωλήνων και κυκλοφορητή ανακυκλοφορίας εντός του ευρύτερου δικτύου διανομής ΖΝΧ δίνει τη δυνατότητα στο ζεστό νερό χρήσης να επιστρέφει πίσω στο θερμαντήρα σε περίπτωση που δεν γίνεται κατανάλωσή του. Με τον τρόπο αυτό η θερμοκρασία του δεν υφίσταται μεγάλη πτώση, επομένως δαπανάται λιγότερη θερμότητα για να αναθερμανθεί στο καθορισμένο όριο. Επιπλέον πλεονέκτημα της ανακυκλοφορίας του ΖΝΧ είναι η ύπαρξη διαρκώς ζεστού νερού στη βρύση, αμέσως μόλις ζητηθεί. Έτσι περιορίζεται και η σπατάλη κρύου νερού, η οποία αναπόφευκτα συμβαίνει κατά την αναμονή του ζεστού. 151

152 Έλεγχος της λειτουργίας του κυκλοφορητή ανακυκλοφορίας. Επιπλέον εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί από τον έλεγχο της λειτουργίας του κυκλοφορητή ανακυκλοφορίας. Έχει διαπιστωθεί πως η ανακυκλοφορία του νερού και επομένως η λειτουργία του κυκλοφορητή, δεν είναι απαραίτητο να είναι συνεχής, αλλά αντίθετα να πραγματοποιείται μόνο για λίγο και ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Με τη χρήση συστημάτων αυτομάτου ελέγχου είναι δυνατή η ανάλογη ρύθμιση της λειτουργίας του κυκλοφορητή. Τέτοια συστήματα είναι διακόπτες με χρονική καθυστέρηση, ψηφιακοί υδροστάτες με απομακρυσμένο αισθητήρα για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του ΖΝΧ, σύγχρονοι κυκλοφορητές που λειτουργούν με inverter, κ.α. Ενσωμάτωση του συστήματος παραγωγής ΖΝΧ σε ένα κεντρικό σύστημα θέρμανσης (-/και ψύξης). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται μείωση του αρχικού κόστους του συστήματος αφού πολλές συσκευές που χρησιμοποιούνται από τα δύο συστήματα είναι κοινές. Επίσης, μειώνεται και το λειτουργικό κόστος αφού η ποσότητα ενέργειας που θα απαιτούσε η λειτουργία των δύο συστημάτων περιορίζεται στην ποσότητα ενέργειας που απαιτεί η λειτουργία ενός συστήματος. Η εφαρμογή των παραπάνω τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας στην παραγωγή ΖΝΧ περιορίζει σε σημαντικό βαθμό την κατανάλωση ενέργειας για αυτό το σκοπό, η οποία κυμαίνεται μεταξύ 10-15% επί της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στα κτίρια Συστήματα τεχνητού φωτισμού κτιρίων Γενικά. Η εγκατάσταση τεχνητού φωτισμού αποτελεί ένα από τα κυριότερα ενεργειακά συστήματα του κτιρίου. Ο τεχνητός φωτισμός έχει ως σκοπό τη συμπλήρωση ή και την πλήρη αντικατάσταση του φυσικού φωτισμού, παρέχοντας έτσι την απαραίτητη οπτική άνεση στους χρήστες του κτιρίου, ώστε να διεκπεραιώσουν τις δραστηριότητες που απαιτεί η χρήση του κτιρίου μέσα σε ένα ευχάριστο περιβάλλον, χωρίς την παραμικρή δυσκολία. Η αρμονική συνεργασία ενός συστήματος τεχνητού φωτισμού με τα συστήματα φυσικού φωτισμού προϋποθέτει λειτουργία του συστήματος ηλεκτροφωτισμού μόνο όταν ο φωτισμός που προσφέρουν τα συστήματα φυσικού φωτισμού κρίνεται ανεπαρκής για την κάλυψη των επιπέδων οπτικής άνεσης που απαιτούνται στους διάφορους εσωτερικούς χώρους ενός κτιρίου. Δυστυχώς, κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών οι ρόλοι τεχνητού και φυσικού φωτισμού έχουν αντιστραφεί. Κατά την μελέτη και κατασκευή των κτιρίων δεν λαμβάνονται παρά ελάχιστα υπόψη οι δυνατότητες φυσικού φωτισμού με αποτέλεσμα την σχεδόν ολοκληρωτική εξάρτηση των εσωτερικών χώρων από τα συστήματα τεχνητού φωτισμού, ακόμα και σε χρονικά διαστήματα της ημέρας κατά τα οποία η χρήση τεχνητού φωτισμού είναι αδικαιολόγητη. Συνέπεια αυτού είναι μια πρωτοφανής σπατάλη ηλεκτρικής ενέργειας για τις ανάγκες φωτισμού των κτιρίων. Ενδεικτικά παρατίθεται ο παρακάτω πίνακας, όπου είναι εμφανές το σημαντικό ποσοστό κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας για το φωτισμό των διάφορων εσωτερικών χώρων κάθε κτιρίου: 152

153 Πίνακας 7.2. Ποσοστιαία κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για το φωτισμό των εσωτερικών χώρων των κτιριακών εγκαταστάσεων του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα (στοιχεία έτους 2005). Κτίρια τριτογενούς τομέα Ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό Εμπορικά καταστήματα 15,5% Ξενοδοχεία 17,0% Κτίρια γραφείων 28,0% Νοσοκομεία 23,0% Εκπαίδευση 55,1% Αθλητικές εγκαταστάσεις 33,0% Άλλα 19,1% Βιομηχανία - Βιοτεχνία 15,0% Πέρα από την αδυναμία εκμετάλλευσης του φυσικού φωτισμού, η υπερβολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό οφείλεται και σε προβλήματα και ατέλειες που παρουσιάζει το ίδιο το σύστημα τεχνητού φωτισμού, όπως είναι η κακή μελέτη και εγκατάσταση, η χρήση εξαρτημάτων και συσκευών μειωμένης απόδοσης και η απουσία συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Η βελτιστοποίηση του συστήματος τεχνητού φωτισμού και η ενσωμάτωση μεθόδων φυσικού φωτισμού απέκτησε ζωτική σημασία τα τελευταία χρόνια εξαιτίας της όξυνσης της ενεργειακής κρίσης που μαστίζει τις ανεπτυγμένες χώρες. Η προοπτική από την επίτευξη των δύο αυτών στόχων είναι ελπιδοφόρα. Σύμφωνα με διάφορες μελέτες και εφαρμογές που έχουν πραγματοποιηθεί, προβλέπεται ελάττωση στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό κατά 30-50%. Είναι κατανοητό, λοιπόν, το μέγεθος της επίδρασης που έχει μια σωστή και βέλτιστη εγκατάσταση τεχνητού φωτισμού στην προσπάθεια εξοικονόμησης ενέργειας. Τα συστήματα τεχνητού φωτισμού ταξινομούνται ανάλογα με την τοποθέτησή τους στους φωτιζόμενους χώρους σε συστήματα: α) γενικού φωτισμού, β) κατά τόπους γενικού φωτισμού, γ) τοπικού φωτισμού και δ) φωτισμού εργασίας. Επίσης, ανάλογα με την κατανομή της φωτεινής ροής στο φωτιζόμενο χώρο, τα φωτιστικά συστήματα διακρίνονται σε: α) άμεσου φωτισμού, β) ημι-άμεσου φωτισμού, γ) διάχυτου φωτισμού, δ) ημι-έμμεσου φωτισμού και ε) έμμεσου φωτισμού. Αναλυτική παρουσίαση όλων των παραπάνω συστημάτων φωτισμού θα γίνει στην επόμενη παράγραφο. Όλες οι εγκαταστάσεις τεχνητού φωτισμού, ανεξαιρέτως κατηγορίας, είναι πλήρεις φωτιστικές μονάδες που αποτελούνται από τα εξής στοιχεία: Φωτιστικές συσκευές. Φωτιστικά σημεία. Κυκλώματα διακλάδωσης. Τα κυκλώματα διακλάδωσης είναι ηλεκτρικά κυκλώματα, τα οποία καλύπτουν όλους τους εσωτερικούς φωτιζόμενους χώρους του κτιρίου, τροφοδοτώντας με ρεύμα τα φωτιστικά σημεία. Τα φωτιστικά σημεία είναι τα σημεία του συστήματος φωτισμού, όπου υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης φωτιστικών συσκευών σε αυτό. Οι φωτιστικές συσκευές αποτελούνται από τη λυχνιολαβή (σε αυτήν καταλήγουν οι αγωγοί τροφοδοσίας των κυκλωμάτων διακλάδωσης), το λαμπτήρα (συνδέεται με τη λυχνιολαβή και αποτελεί τη φωτεινή πηγή της φωτιστικής συσκευής) και το φωτιστικό σώμα (περιβάλλει το λαμπτήρα). Τα παραπάνω στοιχεία αποτελούν τα απαραίτητα εξαρτήματα που πρέπει να περιλαμβάνει ένα τυπικό σύστημα τεχνητού φωτισμού ώστε να είναι σε θέση να λειτουργήσει χωρίς προβλήματα. Ένα ολοκληρωμένο σύστημα τεχνητού φωτισμού, όμως, του οποίου η λειτουργία προβλέπει την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση ενέργειας, περιλαμβάνει και πρόσθετα στοιχεία, κυρίως διατάξεις αυτομάτου ελέγχου. Οι διατάξεις 153

154 αυτές επιτρέπουν την εξοικονόμηση ενέργειας τόσο από τη λειτουργία ενός αυτόνομου συστήματος τεχνητού φωτισμού, όσο και από το συνδυασμό ενός συστήματος τεχνητού φωτισμού με τεχνικές φυσικού φωτισμού. Στην ενότητα αυτή, θα παρουσιαστούν αναλυτικά όλες οι συνιστώσες ενός ολοκληρωμένου και ενεργειακώς αποδοτικού συστήματος φωτισμού. Στις συνιστώσες αυτές συμπεριλαμβάνονται τόσο οι απαραίτητες συσκευές και εξαρτήματα για την ίδια τη λειτουργία του συστήματος ηλεκτροφωτισμού, όσο και οι συσκευές των οποίων η προσθήκη στο σύστημα υπαγορεύεται για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας. Στην πρώτη περίπτωση η ανάλυση θα περιοριστεί μόνο στις μεθόδους αναβάθμισης των συσκευών αυτών με σκοπό τη μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας (π.χ. λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας) Είδη φωτισμού φωτιστικών συστημάτων. Όπως ήδη αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο, ανάλογα με την τοποθέτηση τους στους φωτιζόμενους χώρους τα συστήματα φωτισμού διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: Γενικού φωτισμού: Ο γενικός φωτισμός παρέχει μια σχετικά ομοιογενή κατανομή της φωτεινότητας στο χώρο εργασίας. Τα συστήματα αυτά είναι πολύ απλά στην τοποθέτησή τους και δεν σχετίζονται με τη θέση του εξοπλισμού ή της επίπλωσης στους εσωτερικούς χώρους. Εν τούτοις, ο διαχωρισμός ενός ενιαίου εσωτερικού χώρου σε επιμέρους τμήματα (π.χ. διαχωριστικά γραφείων) πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό του συστήματος γενικού φωτισμού του χώρου αυτού. Κατά τόπους γενικού φωτισμού: Σε αυτά τα συστήματα, η εγκατάσταση των φωτιστικών συσκευών συσχετίζεται με τη διάταξη των θέσεων εργασίας, των χρήσεων του χώρου και τα απαιτούμενα επίπεδα φωτισμού. Τοπικού φωτισμού: Εδώ, παρέχεται φωτισμός σε μικρές περιοχές γύρω από τους χώρους εργασίας. Τα συστήματα τοπικού φωτισμού χρησιμοποιούνται συχνά ως βοηθητικά συστήματα των συστημάτων γενικού φωτισμού. Φωτισμού εργασίας: Αποτελείται από συστήματα φωτισμού για τοπικές εργασίες, τα οποία είναι συχνά ενσωματωμένα στα έπιπλα, ενώ ο ρόλος τους υποβοηθείται από σύστημα γενικού φωτισμού. Η διεθνής επιτροπή φωτισμού (CIE) ταξινομεί τα συστήματα φωτισμού με κριτήριο τον τρόπο κατανομής της φωτεινής ροής στο φωτιζόμενο χώρο. Με βάση λοιπόν αυτήν την κατανομή έχουμε τα εξής είδη φωτιστικών συστημάτων: Άμεσου φωτισμού: Στο σύστημα αυτό, το % του φωτός κατευθύνεται από την οροφή προς τα κάτω. Η διανομή του φωτός στο χώρο ποικίλλει, από ευρεία δέσμη φωτός μέχρι τη δέσμη υψηλής συγκέντρωσης. Η άμεση θάμβωση θα πρέπει να εμποδίζεται με τη χρήση συστημάτων ελέγχου λαμπρότητας. Ημι-άμεσου φωτισμού: Η διανομή του φωτός γίνεται κατά κύριο λόγο (60-90%) προς τα κάτω. Ένα μικρό ποσοστό του φωτός διαχέεται προς τους τοίχους και την οροφή. Τα συστήματα αυτά συντελούν στην καλύτερη κατανομή του φωτός και έχουν υψηλότερη απόδοση από τα συστήματα άμεσου φωτισμού. 154

155 Διάχυτου φωτισμού: Το φως εκπέμπεται προς τα πάνω και προς τα κάτω σε περίπου ίσες ποσότητες. Τα συστήματα διάχυτου φωτισμού έχουν καλή απόδοση σε χώρους με μεγάλη ανακλαστικότητα, ενώ βοηθούν στην άμβλυνση των σκιών. Αν τοποθετηθούν (όπως γίνεται συνήθως) κοντά στην οροφή, η κατανομή αλλάζει καθώς η οροφή λειτουργεί ως ανακλαστήρας. Ημι-έμμεσου φωτισμού: Ποσοστό κυμαινόμενο μεταξύ 60-90% του φωτός κατευθύνεται προς τα πάνω. Η συνιστώσα που κατευθύνεται προς τα κάτω πρέπει να ελέγχεται ώστε να μην προκαλεί φαινόμενα θάμβωσης. Έμμεσου φωτισμού: Η ροή προς τα πάνω είναι ίση με το % της εκπομπής του φωτός. Αν η οροφή διακρίνεται από μεγάλη τιμή ανακλαστικότητας, τότε μετατρέπεται σε μια μεγάλη ομοιογενή πηγή φωτισμού. Μειονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι η χαμηλή απόδοση, έναντι των υπολοίπων. Σχήμα Κατανομή φωτεινής ροής των φωτιστικών συστημάτων. Βάσει των δύο παραπάνω τρόπων κατανομής των φωτιστικών συστημάτων έχουμε και τα αντίστοιχα είδη φωτισμού (γενικός, τοπικός, άμεσος, έμμεσος, κτλ.), ενώ σύμφωνα με τη δεύτερη κατηγοριοποίηση έχουμε τα αντίστοιχα φωτιστικά σώματα (άμεσου φωτισμού, έμμεσου φωτισμού, κτλ.) Λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας. Ο λαμπτήρας αποτελεί τη φωτεινή πηγή της φωτιστικής συσκευής, όπου η ηλεκτρική ισχύς μετατρέπεται σε φωτεινή ισχύ. Αποτελεί, επομένως, σημαντικό στοιχείο στην προσπάθεια εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα ηλεκτροφωτισμού. Η παρουσίαση όλων των διαφορετικών ειδών λαμπτήρων είναι εκτός των πλαισίων αυτής της εργασίας. Αντίθετα, η ανάλυση θα περιοριστεί στους λεγόμενους λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας και μάλιστα σε όσους από αυτούς χρησιμοποιούνται στο φωτισμό των εσωτερικών χώρων των κτιριακών εγκαταστάσεων του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα. Μόνο η χρήση των λαμπτήρων εξοικονόμησης ενέργειας εξασφαλίζει τη μείωση της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας για το φωτισμό. Όλοι σχεδόν οι λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας ανήκουν στην κατηγορία των λαμπτήρων εκκένωσης. Μόνη εξαίρεση αποτελούν οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED λαμπτήρες). 155

156 Η αιτία εκπομπής φωτός είναι κοινή για όλους τους λαμπτήρες. Αυτή είναι η μεταπήδηση διεγερμένων ηλεκτρονίων από κατάσταση υψηλότερης σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας. Ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται αυτή η διέγερση όμως, διαφέρει σε κάθε τύπο λαμπτήρα. Στους λαμπτήρες εκκένωσης η διέγερση συμβαίνει με τη βοήθεια μιας ηλεκτρικής εκκένωσης. Για να συμβεί η ηλεκτρική εκκένωση απαιτείται η σύνδεση του λαμπτήρα εκκένωσης εν σειρά με ένα ειδικό εξάρτημα, το οποίο εξασφαλίζει την απαραίτητη τάση για την έναυση της εκκένωσης. Το εξάρτημα αυτό ονομάζεται στραγγαλιστική διάταξη (ballast). Εξαιτίας αυτού του εξαρτήματος, οι απώλειες ισχύος των λαμπτήρων αυξάνονται αρκετά, γεγονός που οδήγησε στην ανάπτυξη αναβαθμισμένων στραγγαλιστικών διατάξεων για τον περιορισμό τους. Το θέμα αυτό θα μας απασχολήσει σε επόμενη παράγραφο. Οι λαμπτήρες εκκένωσης παρουσιάζουν διαφορετική φασματική κατανομή της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από τους υπόλοιπους λαμπτήρες, με αποτέλεσμα οι οπτικές και ενεργειακές ιδιότητές τους να διαφέρουν σημαντικά. Οι σημαντικότερες διαφορές εστιάζονται στις εξής ιδιότητες: Θερμοκρασία χρώματος λαμπτήρα. Αποτελεί οπτική ιδιότητα των λαμπτήρων και αναφέρεται στη θερμοκρασία του χρώματος της εκπεμπόμενης φωτεινής δέσμης. Εκφράζεται σε βαθμούς Kelvin. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία χρώματος, τόσο ψυχρότερη είναι η απόχρωση της φωτεινής πηγής. Θερμοκρασίες χρώματος άνω των 4000 ο K αντιστοιχούν σε ψυχρή απόχρωση, πλούσια σε κυανή ακτινοβολία, ενώ θερμοκρασίες χρώματος κάτω των 3000 ο K αντιστοιχούν σε θερμή απόχρωση, πλούσια σε ερυθρή ακτινοβολία. Η κάθε απόχρωση δημιουργεί και την ανάλογη ατμόσφαιρα (ψυχρή-θερμή). Δείκτης χρωματικής απόδοσης (CRI) λαμπτήρα. Αποτελεί οπτική ιδιότητα των λαμπτήρων και εκφράζει το πόσο πιστά αποδίδει το φως τους τα πραγματικά χρώματα σε σύγκριση με μια πρότυπη πηγή (πρότυπη πηγή θεωρείται το μέλαν σώμα θερμοκρασίας 3000 ο K ή το φως της ημέρας σε θερμοκρασία 7500 ο K). Κυμαίνεται από 0 έως 100. Όσο μεγαλύτερος είναι ο δείκτης χρωματικής απόδοσης, τόσο μικρότερη είναι η απόκλιση των χρωμάτων. Φωτεινή απόδοση λαμπτήρα. Αποτελεί φωτομετρικό μέγεθος των λαμπτήρων και ορίζεται ως ο λόγος της φωτεινής ισχύος (ή ροής) που παράγει ο λαμπτήρας προς την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει. Εκφράζεται σε Lm/W. Η ηλεκτρική ισχύς που δεν μετατρέπεται σε φωτεινή ισχύ, μεταδίδεται στο χώρο ως θερμότητα. Οι λαμπτήρες εκκενώσεως διαχωρίζονται περαιτέρω σε λαμπτήρες εκκενώσεως ατμών υψηλής και χαμηλής πίεσης, ανάλογα με την πίεση υπό την οποία βρίσκονται οι ατμοί που περικλείονται στο εσωτερικό τους. Οι κυριότεροι λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας με εφαρμογή στις κτιριακές εγκαταστάσεις του τριτογενούς και παραγωγικού τομέα είναι οι εξής: Λαμπτήρες φθορισμού. Αποτελούνται από ένα στεγανό γυάλινο σωλήνα με εσωτερική επικάλυψη φθοριζουσών ουσιών (φώσφορος), ο οποίος περιέχει ένα μείγμα αδρανών αερίων 156

157 (αργό, κρυπτό, νέον), ατμούς υδραργύρου και δύο ηλεκτρόδια. Με την εφαρμογή τάσης μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, προκαλείται ηλεκτρική εκκένωση, η οποία διεγείρει τα άτομα υδραργύρου, τα οποία με τη σειρά τους εκπέμπουν υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία μετατρέπεται σε ορατό φως χάρη στην επικάλυψη φωσφόρου της εσωτερικής επιφάνειας του σωλήνα. Οι λαμπτήρες φθορισμού διακρίνονται σε σωληνωτούς και σε συμπαγείς. Όλοι τους χαρακτηρίζονται από μεγάλη διάρκεια ζωής (περίπου 6000h και 8000h για σωληνωτούς και συμπαγείς λαμπτήρες αντίστοιχα), υψηλή φωτεινή απόδοση (50-70Lm/W οι συμπαγείς και Lm/W οι σωληνωτοί) και υψηλό κόστος. Ο δείκτης χρωματικής απόδοσής τους είναι μειωμένος, ενώ η ατμόσφαιρα που δημιουργούν είναι ψυχρή (θερμοκρασία χρώματος ο K). Σχήμα Συμπαγείς και σωληνωτοί λαμπτήρες φθορισμού. Οι λαμπτήρες φθορισμού χρησιμοποιούνται σε όλους σχεδόν τους εσωτερικούς χώρους των κτιρίων του τριτογενούς τομέα, καθώς και στους χώρους των παραγωγικών μονάδων που έχουν αντίστοιχες χρήσεις. Επαγωγικοί λαμπτήρες. Ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των λαμπτήρων εκκενώσεως ατμών χαμηλής πίεσης, όπως και οι λαμπτήρες φθορισμού, αλλά αντίθετα με αυτούς, δεν διαθέτουν ηλεκτρόδια. Συνεπώς, η πραγματοποίηση της ηλεκτρικής εκκενώσεως στηρίζεται στις θεμελιώδεις αρχές της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Οι λαμπτήρες αυτοί διαθέτουν μια διάταξη αποτελούμενη από πυρήνα, ένα πρωτεύον επαγωγικό πηνίο και ένα δευτερεύον πηνίο. Στο πρωτεύον πηνίο εφαρμόζεται τάση, η οποία προκαλεί τη δημιουργία ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου υψηλής συχνότητας στον πυρήνα και αυτό με τη σειρά του διεγείρει τα άτομα υδραργύρου, τα οποία αποτελούν το δευτερεύον πηνίο. Έτσι εκκινεί η ηλεκτρική εκκένωση. Οι επαγωγικοί λαμπτήρες παρουσιάζουν παρόμοια χαρακτηριστικά με τους λαμπτήρες φθορισμού, εκτός από την ασυνήθιστα μεγάλη διάρκεια ζωής τους, οποία πολλές φορές ξεπερνά τις 60000h. Έχουν τις ίδιες εφαρμογές με τους λαμπτήρες φθορισμού. 157

158 Λαμπτήρες ατμών υδραργύρου υψηλής πίεσης. Ανήκουν στους λαμπτήρες εκκενώσεως υψηλής πίεσης και αποτελούνται από ένα σωλήνα κατασκευασμένο από χαλαζιακό γυαλί με εσωτερική επίστρωση από φθορίζουσες ουσίες, το οποίο περιέχει αργό και ατμούς υδραργύρου σε πολύ υψηλότερη όμως πίεση σε σχέση με τους λαμπτήρες φθορισμού. Επίσης εντός του σωλήνα υπάρχουν και δύο ηλεκτρόδια για την πραγματοποίηση της ηλεκτρικής εκκένωσης. Οι φθορίζουσες ουσίες παίζουν τον ίδιο ρόλο όπως και στους προηγούμενους λαμπτήρες. Χαρακτηριστικά γνωρίσματα της λειτουργίας αυτών των λαμπτήρων είναι πως πλήρης εκπομπή φωτός επιτυγχάνεται μετά το πέρας ενός διαστήματος 3-5min και πως διατηρούν το μεγαλύτερο ποσοστό της φωτεινής ροής τους όταν λειτουργούν συνέχεια, ενώ όσο πιο μικρά είναι τα διαστήματα λειτουργίας και διακοπής (π.χ. 15min λειτουργίας 15min διακοπής), τόσο περισσότερο μειώνεται αυτό το ποσοστό. Σχήμα Λαμπτήρας ατμών υδραργύρου υψηλής πίεσης. Όπως όλοι οι λαμπτήρες εκκενώσεως, έτσι και οι λαμπτήρες ατμών υδραργύρου υψηλής πίεσης παρουσιάζουν μειωμένο δείκτη χρωματικής απόδοσης και δημιουργούν ψυχρή ατμόσφαιρα. Η φωτεινή απόδοση αυτών των λαμπτήρων φθάνει τα 60Lm/W, ενώ έχουν διάρκεια ζωής περίπου 8000h. Χρησιμοποιούνται κυρίως για το φωτισμό εσωτερικών βιομηχανικών χώρων όπου πραγματοποιούνται παραγωγικές διαδικασίες. Λαμπτήρες ατμών υδραργύρου υψηλής πίεσης με μεταλλικά αλογονίδια. Οι λαμπτήρες αυτοί κατασκευαστικά μοιάζουν με τους λαμπτήρες υδραργύρου υψηλής πίεσης. Ο σωλήνας περιέχει και διάφορα μεταλλικά αλογονίδια (ιωδιούχο νάτριο, ίνδιο, θάλλιο) επιπρόσθετα με τον υδράργυρο και το αργό. Τα αλογονίδια αυτά εξατμίζονται μερικώς όταν ο λαμπτήρας φθάσει την τελική θερμοκρασία λειτουργίας. Μόλις οι ατμοί των αλογονιδίων πλησιάσουν την υψηλή θερμοκρασία του κεντρικού πυρήνα της εκκένωσης, διασπώνται σε αλογονίδια και μέταλλα, όπου τα τελευταία ακτινοβολούν το φάσμα τους. Οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων έχουν υψηλή φωτεινή απόδοση (65-110Lm/W) και μεγάλη διάρκεια ζωής (περίπου 12000h). Δημιουργούν ψυχρή ατμόσφαιρα, έχουν μειωμένο CRI και έχουν εφαρμογές στο φωτισμό των εσωτερικών χώρων του τριτογενούς και του παραγωγικού τομέα. 158