ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Τµήµα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστηµάτων

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Τµήµα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστηµάτων Πρόγραµµα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Π.Μ.Σ) Σχεδίαση ιαδραστικών και Βιοµηχανικών Προϊόντων και Συστηµάτων ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη της ενεργειακής απόδοσης παθητικών ηλιακών συστηµάτων για την βελτίωση της θερµικής άνεσης των κτιρίων Χιλιαρχάκη Ευσταθία Επιβλέπων: Παπανίκος Παρασκευάς Σύρος, Ιούνιος 2010

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα παθητικά ηλιακά συστήµατα είναι χαρακτηριστικά στοιχεία ενός κτιρίου. Έχουν σηµαντικό ρόλο στην σωστή συµπεριφορά ενός κτηρίου λόγω των θερµοκρασιακών αλλαγών που προέρχονται από το περιβάλλον. Ο βιοκλιµατικός σχεδιασµός ενός κτιρίου αναφέρεται στη µελέτη των ανοιγµάτων, τοίχων και ηλιακών χώρων που αποτελούν κατά βάση το κέλυφος ενός κτηρίου. Τα παραπάνω δοµικά µέρη πρέπει να σχεδιαστούν µε τέτοιο τρόπο ώστε να µπορούν να αποδίδουν στο κτήριο θερµότητα χωρίς να το επιβαρύνουν από υπερθερµάνσεις την θερινή περίοδο αλλά και από ψυχρές θερµοκρασίες κατά την χειµερινή περίοδο του έτους και χωρίς να γίνεται χρήση άλλων πηγών θέρµανσης ή ψύξης. Τα παθητικά ηλιακά συστήµατα αποτελούν «ήπιες» τεχνικές και τεχνολογίες, στην ουσία κατασκευές ενταγµένες στο κέλυφος, οι οποίες επαυξάνουν τη δυνατότητα απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας ή γενικά συµβάλλουν αποτελεσµατικότερα στην αξιοποίηση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Οι τοίχοι Trombe θεωρούνται από τα πιο σηµαντικά παθητικά συστήµατα έµµεσης εκµετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας όπου το βασικό στοιχείο αποθήκευσης της θερµότητας είναι ένας τοίχος από συµβατικά υλικά (πέτρες, τούβλα, µπετόν). Σκοπός της εργασίας Σκοπός της παρούσας διπλωµατικής εργασίας είναι η µελέτη της ενεργειακής απόδοσης των παθητικών ηλιακών συστηµάτων για την βελτίωση της θερµικής άνεσης των κτιρίων. Ο σκοπός επιτυγχάνεται µε την ανάπτυξη των ήδη υπαρχόντων µορφών βιοκλιµατικού σχεδιασµού κτηρίων όσον αφορά την θερµική άνεση στο εσωτερικό των κτηρίων, ειδικότερα µε την ανάλυση της µεταφοράς θερµότητας σε έναν τοίχο Trombe. Περαιτέρω, αναλύεται η χρήση των υλικών PCM (Υλικά Αλλαγής Φάσης) σε βιοκλιµατικά κτήρια. Τέλος, παρουσιάζεται ο συνδυασµός χρήσης του παθητικού ηλιακού συστήµατος τοίχου Trombe µε τα υλικά αλλαγής φάσης στο εξωτερικό µέρος του εν λόγω τοίχου. οµή της εργασίας Η εργασία χωρίζεται σε οκτώ κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί µία εισαγωγή στην ανθυγιεινή διαβίωση των ανθρώπων στα αστικά κέντρα, την ανάγκη για βιοκλιµατικό σχεδιασµό των κτηρίων επισηµαίνοντας την ανάγκη για την χρήση παθητικών ηλιακών συστηµάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά µε τις αρχές του βιοκλιµατικού σχεδιασµού. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύονται τα παθητικά ηλιακά συστήµατα, τα είδη και οι αποδόσεις τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο 1

3 γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση της εξέλιξης χρήσης του υαλοπίνακα στα κτήρια. Στο πέµπτο κεφάλαιο διερευνούνται οι ηλιακοί τοίχοι Trombe- Michel και παρουσιάζονται τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα τους. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται εφαρµογές των τοίχων Trombe στην Ελλάδα. Ο συνδυασµός του τοίχου Trombe µε τα υλικά αλλαγής φάσης αλλά και οι ιδιότητες των υλικών PCM διερευνάται στο έβδοµο και όγδοο κεφάλαιο όπου παρουσιάζεται και η τελική πρόταση χρήσης τους. 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 Εισαγωγή Ανθυγιεινή διαβίωση των ανθρώπων στα αστικά κέντρα Ανάγκη για βιοκλιματικό σχεδιασμό Περιβαλλοντική κρίση Ανάγκη για χρήση παθητικών ηλιακών συστημάτων Ιστορική αναδρομή 7 2 Βιοκλιματικός σχεδιασμός Αρχές βιοκλιματικού σχεδιασμού Το κτίριο ως αποθήκη θερμότητας Το κτίριο ως παγίδα θερμότητας Το κτίριο ως συλλέκτης και αποθήκη ψύξης 22 3 Παθητικά ηλιακά συστήματα 29 4 Εμφάνιση και εξέλιξη του αρχιτεκτονικού υαλοπίνακα Η μετάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω των υαλοπινάκων Οι φυσικές ιδιότητες του γυαλιού Θερμική εκπομπή (emissivity) υαλοπινάκων 44 5 Ηλιακοί τοίχοι Trombe Michel Ιστορική αναδρομή Τοίχος Trombe Ανάλυση Μεταφοράς Θερμότητας σε ένα δομικό στοιχείο Ανάλυση Μεταφοράς Θερμότητας σε ένα Τοίχο Trombe Παραλλαγές Τοίχου Trombe Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα 54 6 Παραδείγματα εφαρμογής Trombe Michel Παθητικά συστήματα που εφαρμόζονται στα κτίρια Ενεργειακή ανάλυση βιοκλιματικών κτιρίων στην Ελλάδα Σχολείο στην Άνδρο Κατοικία στην Κηφισιά 60 7 PCM Υλικά Αλλαγής Φάσης Τα οργανικά PCM Τα Ανόργανα PCM Τα Εύτηκτα (eutectics) υλικά 67 3

5 7.4 Πειραματικές μελέτες χρήσης PCM υλικών σε πρότυπο κτίριο 68 8 Σχεδιαστική πρόταση Μελέτη χρήσης εύκαμπτης πλαστικής μεμβράνης σε τοίχο Trombe Τελική πρόταση 74 Αναφορές 79 4

6 1 Εισαγωγή 1.1 Ανθυγιεινή διαβίωση των ανθρώπων στα αστικά κέντρα Τα αστικά κέντρα, σήµερα, αντιµετωπίζουν αρκετά προβλήµατα όσον αφορά τον σχεδιασµό του χώρου τους, την χρήση των πόρων και των αποβλήτων τους αλλά και της ενέργειας που καταναλώνουν. Ειδικότερα στα µεγάλα αστικά κέντρα παρατηρείται µεγάλη συγκέντρωση πληθυσµού µε αποτέλεσµα την πυκνή δόµηση, την ελαχιστοποίηση πρασίνου, την µόλυνση της ατµόσφαιρας, το κυκλοφοριακό χάος αλλά και την ηχορύπανση [1]. Αξίζει να σηµειώσουµε ότι όλοι οι ρύποι που εκπέµπονται στην ατµόσφαιρα από τα εργοστάσια, τις καµινάδες θέρµανσης, τα κλιµατιστικά, τα οχήµατα µολύνουν το έδαφος που ζούµε και τον αέρα που αναπνέουµε. Κάθε λοιπόν, αστικό κέντρο σε αυτόν τον πλανήτη προσθέτει την δική του επιβάρυνση στην µόλυνση της γης και της ατµόσφαιρας της. Η έλλειψη σχεδιασµού των πόλεων δηµιουργεί µια άναρχη δόµηση εξαιτίας της ανάγκης περισσότερων κτηρίων λόγο της αύξησης του πληθυσµού. Ο πολεοδοµικός προγραµµατισµός και σχεδιασµός κρίνεται αναγκαίος για την επίλυση όλων αυτών των προβληµάτων έτσι ώστε οι ανάγκες που προκύπτουν από την αύξηση του πληθυσµού στα αστικά κέντρα να ικανοποιηθούν. Η κλιµατική αλλαγή θα επιφέρει στον πλανήτη µας, σύµφωνα µε µελέτες των Ηνωµένων Εθνών, µέση αύξηση της θερµοκρασίας όπως προβλέπεται, κατά 1,4 έως 5,85 ο C από σήµερα και µέχρι το Οι νέες κλιµατολογικές συνθήκες ενδέχεται να επηρεάσουν τον πλανήτη µας, αλλάζοντας τελείως το γήινο περιβάλλον που ζούµε και θεωρούµε ως δεδοµένο σήµερα [2]. 1.2 Ανάγκη για βιοκλιµατικό σχεδιασµό Η ύπαρξη του ανθρώπου ως ζωντανός οργανισµός στον πλανήτη µας εξαρτάται άµεσα από το περιβάλλον του. Οι κλιµατικές συνθήκες επηρεάζουν την υγεία του αλλά και την παραγωγική του δραστηριότητα. Ερευνητές, που έχουν µελετήσει την συµπεριφορά του ανθρώπου σε σχέση µε τις κλιµατικές συνθήκες, δηλώνουν ότι ανάλογα µε την περίοδο του έτους, υπάρχει και διαφορετική ανθρώπινη δραστηριότητα που είναι είτε πιο παραγωγική είτε όχι. Η θερµική άνεση όσον αφορά την κατάσταση ενός ανθρώπου µπορεί να οριστεί ως η αίσθηση µιας πλήρους φυσικής και διανοητικής, ευχάριστης κατάστασης δηλαδή µια κατάσταση πλήρους 5

7 ευεξίας. Συνεπώς οι επιστήµονες (αρχιτέκτονες, σχεδιαστές χώρων, κλπ) θα πρέπει να µελετούν συνθήκες θερµικής άνεσης µέσα στα κτήρια, µε βάση πλέον την αξιοποίηση των θετικών παραµέτρων του κλίµατος. Κρίνεται αναγκαίο οι µελέτες να έχουν σαν βασικό άξονα την θερµική άνεση του ανθρώπου διασφαλίζοντας σχεδιασµούς κτηρίων που δεν θα επιβαρύνουν και το περιβάλλον. Η ανάγκη για βιοκλιµατικό σχεδιασµό των κτηρίων είναι µια συνειδητή ενεργειακή προσέγγιση για την διαχείριση της πόλης. Ο σχεδιασµός των κτηρίων µε την αντίληψη της εναρµόνισης των κτηρίων µε το κλίµα και το περιβάλλον, διασφαλίζει συγχρόνως άνετη και υγιεινή διαβίωση του ανθρώπου µέσα στα κτήρια αλλά και στον εξωτερικό χώρο. Ο βιοκλιµατικός σχεδιασµός θα µας διασφαλίσει καθαρότερο περιβάλλον λόγω ότι αποσκοπεί στην δηµιουργία ενός ελκυστικού περιβάλλοντος, το οποίο µπορεί να δεσµεύει την φυσική ενέργεια που παράγεται από ήπιες και ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. 1.3 Περιβαλλοντική κρίση Η κατασκευή περιβαλλοντικά και ενεργειακά αποδοτικών κτηρίων και η χρήση µεθόδων και τεχνικών για τη αξιοποίηση φυσικών πηγών ενέργειας στα κτήρια, είναι επιτακτική ανάγκη, µπροστά στην περιβαλλοντική κρίση που ολοένα εντείνεται. Σύµφωνα µε µελέτες που έχουν διεξαχθεί, η εφαρµογή µεθόδων εξοικονόµησης ενέργειας στα ελληνικά κτήρια, θα επέφερε µείωση της ενεργειακής κατανάλωσης για θέρµανση κατά 50%. Εκτιµάται ότι τα καύσιµα για την παραγωγή της απαιτούµενης ενέργειας για τα κτήρια ευθύνονται για το 50% περίπου των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου και κυρίως του CO 2. Όσον αφορά την κατανάλωση ανά χρήση, η θέρµανση των χώρων κατέχει την πρώτη θέση στις ενεργειακές απαιτήσεις, αφού απορροφάει το 72% περίπου της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης, παρόλο που η Ελλάδα έχει µεσογειακό κλίµα, άρα και λιγότερες απαιτήσεις σε θέρµανση το χειµώνα. υστυχώς, τα ποσοστά αυτά έχουν αυξητική τάση λόγω της αύξησης της χρήσης µικροσυσκευών και κλιµατιστικών. Στο πλαίσιο της ανάγκης για εξοικονόµηση ενέργειας εντάσσεται και ο κτιριακός τοµέας, ο οποίος είναι υπεύθυνος για το 40% περίπου της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας, τόσο σε εθνικό όσο και σε ευρωπαϊκό επίπεδο. εδοµένου ότι το 80% των κατοίκων της Ευρώπης κατοικούν πλέον σε πόλεις, η ανάγκη για κάλυψη των απαιτήσεων σε θέρµανση, ψύξη, φωτισµό και ζεστό νερό χρήσης αυξάνει συνεχώς [2]. 6

8 1.4 Ανάγκη για χρήση παθητικών ηλιακών συστηµάτων Η ανάγκη χρήσης παθητικών ηλιακών συστηµάτων δηµιουργήθηκε για να εξασφαλίσει την ικανοποιητική ποιότητα του εσωτερικού περιβάλλοντος χώρου µε την µικρότερη δαπάνη ενέργειας. Το εσωτερικό περιβάλλον στα κτήρια θα πρέπει να εξασφαλίζει την άνεση και την υγεία των ενοίκων. Παράλληλα η αλληλεπίδραση του κτηρίου µε το περιβάλλον για την εξοικονόµηση ενέργειας και η ορθή χρήση της ενέργειας κρίνουν την χρήση ηλιακών παθητικών συστηµάτων αναγκαία. Η χρήση του ήλιου στο κτηριακό κέλυφος γίνεται µε τα παθητικά ηλιακά συστήµατα που το µονό που κάνουν είναι να χρησιµοποιούν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ως µέσο φωτισµού, ηλεκτρικής ενέργειας, θέρµανσης, ψύξης, κλπ. 1.5 Ιστορική αναδροµή Η ηλιακή ενέργεια µας έρχεται από τον Ήλιο µε τη µορφή του φωτός και της θερµότητας. Χιλιάδες χρόνια πριν οι άνθρωποι χρησιµοποιούσαν την ηλιακή ενέργεια για να θερµαίνουν τα σπίτια τους. Οι Αρχαίοι Έλληνες σχεδίαζαν ολόκληρες πόλεις στην Ελλάδα και τη Μικρά Ασία έτσι ώστε κάθε σπίτι να είχε τη δυνατότητα να δέχεται το ηλιακό φως. Σχεδιάζοντας ένα πλέγµα καθέτων δρόµων µε κατεύθυνση Ανατολή- ύση και Βορράς Νότος επέτρεπαν σε κάθε κατοικία να έχει ένα νότια προσανατολισµένο τοίχο από τα ανοίγµατα του οποίου ο ήλιος κατέκλυζε το σπίτι κατά τη διάρκεια της ηµέρας. Ο Αριστοτέλης συµβούλευε τους κατασκευαστές να προστατεύουν τους βόρειους τοίχους των κτισµάτων ώστε να προφυλάσσονται από τους κρύους ανέµους του χειµώνα. Ο Σωκράτης παρατηρούσε ότι σε κατοικίες που βλέπουν τον νοτιά ο ήλιος εισχωρεί από τα ανοίγµατα και κρατά το σπίτι ζεστό το χειµώνα [3]. Οι Ρωµαίοι βελτίωσαν τις κατασκευές των Ελλήνων, κατασκευάζοντας την «ηλιοκάµινο» που δεν ήταν τίποτα άλλο από τα νότια προσανατολισµένα δωµάτια των Ελλήνων µε τη διαφορά ότι τα ανοίγµατά τους προστατεύονταν από τον εξωτερικό περιβάλλοντα χώρο µε γυαλί ή µίκα. Τα διαφανή αυτά υλικά δρουν ως µια παγίδα θερµότητας επιτρέποντας στην ηλιακή θερµότητα να διεισδύει στο εσωτερικό χωρίς να επιτρέπουν την ταχεία διαφυγή της προς τα έξω κρατώντας έτσι τον χώρο θερµό. Ο Βιτρούβιος, Ρωµαίος αρχιτέκτονας του 1 ου πχ. αιώνα συµβούλευε τους κατασκευαστές, «Τα κτίρια πρέπει να είναι τελείως κλειστά στους βόρειους τοίχους ενώ η κυρία είσοδος και το αίθριο να βλέπουν στο ζεστό νοτιά». Οι Ρωµαίοι είχαν ψηφίσει νόµο που απαγόρευε στους κατασκευαστές να κτίζουν κτίρια που εµποδίζουν τον ήλιο να πέφτει στα αίθρια των γειτονικών κτισµάτων. Όπως οι αρχαίοι Ρωµαίοι, οι Ολλανδοί του 18 ου µ.χ. 7

9 αιώνα κατασκεύαζαν τους νότιους χώρους µε µεγάλα παράθυρα σκεπασµένα µε γυαλί µε την προσθήκη παραπετασµάτων που έκλειναν το βράδυ ώστε να µονώσουν ακόµα περισσότερο τους χώρους και να διατηρηθούν ζεστοί. Υπάρχουν στοιχεία που δείχνουν ότι οι Ινδιάνοι της Αµερικής έκτιζαν τις κατοικίες τους µε ευαισθησία προς το περιβάλλον και την ηλιακή τους θέρµανση. Οι αρχιτέκτονες του 19ου αιώνα έφεραν στη Β. Ευρώπη και κυρίως στην Αγγλία την µόδα του θερµοκηπίου (conservatory), του προσκολληµένου στο νότιο τοίχο της κατοικίας όπου βρισκόταν το καθηµερινό ή η βιβλιοθήκη. Η αρχή του 20 ου αιώνα επέφερε την εξέλιξη της τεχνολογίας πάνω σε νέα συστήµατα θέρµανσης και ψύξης στα κτίρια. Έτσι επήλθε ο διαχωρισµός της µηχανολογικής εγκατάστασης από τον υπόλοιπο αρχιτεκτονικό σχεδιασµό, από τις κλιµατικές συνθήκες, αφού η πρόσθετη µηχανολογική εγκατάσταση του κτιρίου µπορούσε να εξασφαλίσει την απαραίτητη θερµική άνεση. Έτσι τα κτίρια προσαρµόστηκαν στο κλίµα της κάθε περιοχής και η ηλιακή ενέργεια παραµελήθηκε από τις αρχιτεκτονικές µελέτες των κτιρίων [4]. Οι µελέτες γύρω από την εκµετάλλευση του ήλιου στο κτιριακό κέλυφος ήταν µόνο για έρευνα και όχι για χρήση. Σε ελάχιστες περιπτώσεις και µόνο όταν δεν γινόταν µεγάλη χρήση πολύπλοκων µηχανικών µέσων, οι γυάλινες νότιες επιφάνειες ήταν τα µόνα στοιχειά που χαρακτήριζαν ένα κτίριο «ηλιακό». Το χρονικό διάστηµα 1920 µε 1940 έγιναν οι πρώτες σοβαρές προσπάθειες για την χρήση της ηλιακής ενέργειας όπου ο Alexander McNeil Ledge κατασκεύασε στην Καλιφόρνια ένα κτίριο µε ηλιακού συλλέκτες στην νότια όψη για την παραγωγή ζεστού νερού αλλά και για την θέρµανση του χώρου. Το 1931 ο αρχιτέκτονας Martin Wagner συµµετείχε σε έναν διαγωνισµό κάνοντας µια πρωτογενής µελέτη τοίχων που προστατευόταν από υαλοστάσιο. Έπειτα από 8 χρόνια στην Μασαχουσέτη οι James Hottle και B.Woertz έκτισαν το πρώτο πειραµατικό ηλιακό σπίτι γνωστό και σαν MIT House (Σχ. 1). 8

10 Σχήµα 1: Το πρώτο ηλιακό σπίτι στην Μασαχουσέτη Την δεκαετία του 1940, όπου οι πρώτες ενεργειακές δυσκολίες έκαναν την εµφάνιση τους, η έρευνα άρχισε να αυξάνεται, πάνω στην εκµετάλλευση της ηλιακής ενέργειας και τις εφαρµογές της όπου είχε σαν αποτέλεσµα να ιδρυθούν και τα πρώτα ερευνητικά ινστιτούτα του τοµέα αυτού. Ανάµεσα στο 1945 έως και το 1959 χτίσθηκαν πολλά ηλιακά σπίτια µε παθητικά αλλά και µε ενεργητικά συστήµατα, τα οποία ήταν αρκετά πρωτοποριακά για την εποχή τους. Στις Ηνωµένες Πολιτείες Αµερικής έγιναν οι πιο σοβαρές προσπάθειες χρήσης ηλιακής ακτινοβολίας για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης [5]. Το 1948 στο Dover (ΗΠΑ) (Σχ. 2) χτίσθηκε ένα από τα πρώτα ηλιακά σπίτια όπου το 80% των θερµαντικών του αναγκών καλύπτονταν από ηλιακή ενέργεια. Η µελέτη έγινε από τους Telkes, Raymond και Peaboy. Σχήµα 2:Dover (ΗΠΑ) ηλιακό σπίτι του

11 Άλλες σηµαντικές κατασκευές γι αυτήν την περίοδο ήταν: Το ηλιακό σπίτι Solar Ι που κατασκευάστηκε το 1939 στο MIT (Σχ. 3). Το Boulder House στο Colorado το 1945 Το MIT House II το 1948 (Σχ. 4). Σχήµα 3:Solar Ι το 1939 Σχήµα 4:Το MIT House II του

12 Το Ηλιακό σπίτι Solar V (Σχ. 5) όπου κατασκευάστηκε το 1978 στην πανεπιστηµιούπολη του ΜΙΤ και χρησιµοποιήθηκε ως πειραµατικό στούντιο από το Τµήµα Αρχιτεκτόνων. Σε αντίθεση µε τα άλλα πρώτα ηλιακά σπίτια, το Solar V δεν απαιτούσε µηχανολογικό εξοπλισµό, όπως οι ηλιακοί συλλέκτες, οι αντλίες και ανεµιστήρες αλλά όλα τα στοιχεία της ηλιακής θέρµανσης ενσωµατώθηκαν µέσα τα δοµικά υλικά. Σχήµα 5: Το Ηλιακό σπίτι Solar V του 1978 Από το 1958 αρχίζει η παρακµή της έρευνας στην Αµερική για την ηλιακή εκµετάλλευση, χωρίς όµως να εξαλειφτεί, εξαιτίας των σχετικά χαµηλών τιµών του πετρελαίου. Το 1961 διοργανώθηκε στην Ελλάδα το «Συµπόσιο του Σουνίου» από την επιστηµονική επιτροπή του ΝΑΤΟ όπου ανακοινώθηκαν τα πρώτα πρακτικά αποτελέσµατα από την εκµετάλλευση της ηλιακής ενέργειας κυρίως για την θέρµανση των κατοικιών. Το 1961 κτίζεται το πρώτο µεγάλο ηλιακό κτίριο οπού είναι ένα σχολείο στο Wallasey και θερµαίνεται αποκλειστικά από παθητικά συστήµατα. Στην Γαλλία το πρώτο παθητικό πειραµατικό ηλιακό σπίτι χτίσθηκε το 1962 από το Γαλλικό Ινστιτούτο Ερευνών (CNRS) στο Odeillo στα Πυρηναία µε µελέτη του Dr. F. Trombe. Το έτος 1968 κτίζονται άλλα δυο ηλιακά παθητικά σπίτια στην ίδια περιοχή µε µελέτη του αρχιτέκτονα J.Michel και του Dr F.Trombe. Τον Ιούλιο του 1973 η ΟΥΝΕΣΚΟ διοργάνωσε στο Παρίσι ένα διεθνές συνέδριο µε τίτλο «ο ήλιος για την εξυπηρέτηση του ανθρώπου», όπου 11

13 παρουσιάστηκαν διάφορες µελέτες ηλιακών κτιρίων που τα περισσότερα είχαν κτιστεί από Πανεπιστήµια για ερευνητικούς σκοπούς. Το συνέδριο έγινε λίγους µήνες πριν την µεγάλη κρίση του πετρελαίου όπου και έκλεισε µια ολόκληρη εποχή έρευνας για την εκµετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Από το 1973 και έπειτα αρχίζουν να ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για τις δυνατότητες εφαρµογής της ηλιακής ενέργειας οι ιδιοκτήτες ακινήτων, οι µηχανικοί και γενικότερα οι ειδικοί του δοµικού κλάδου όπως µηχανικοί και κατασκευαστές. Από τότε µέχρι σήµερα πολλές χώρες διαθέτουν στους πολίτες τους κονδύλια για εφαρµογές σε κτίρια κυρίως µε εύκρατο κλίµα. Παρόλο που οι αρχιτέκτονες στις µέρες µας φροντίζουν για το προσανατολισµό του σπιτιού η χρησιµοποίηση του ήλιου για τη θέρµανση είχε υποχωρήσει. Αιτία τα φτηνά ορυκτά καύσιµα και οι σχετικά φτηνές εγκαταστάσεις θερµάνσεως, ενώ η κατασκευή ενός ηλιακού σπιτιού ανέβαζε το κόστος της κατασκευής. Σήµερα όµως µε το φαινόµενο του θερµοκηπίου, στο οποίο η συνεισφορά των εκποµπών από τη θέρµανση είναι σηµαντική, και την εκτόξευση των τιµών του πετρελαίου στα ύψη, υπάρχει και πάλι µια στροφή προς την ηλιακή ενέργεια καθώς µάλιστα οι τιµές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο αρχίζουν να συναγωνίζονται εκείνες των ορυκτών καυσίµων [6]. 12

14 2 Βιοκλιµατικός σχεδιασµός 2.1 Αρχές βιοκλιµατικού σχεδιασµού Η βασική αρχή του βιοκλιµατικού σχεδιασµού εµπεριέχει την προβληµατική της προσαρµογής των κτιρίων στο τοπικό κλίµα και το φυσικό περιβάλλον, µε αρχική επιδίωξη τον περιορισµό της κατανάλωσης ενέργειας στο κατώτερο δυνατό επίπεδο, χωρίς να διαταράσσονται οι συνθήκες θερµικής άνεσης. Η αρχική προϋπόθεση είναι η αξιοποίηση των τοπικών περιβαλλοντικών παραµέτρων, η χρήση της εντόπιας ενέργειας, υπό ανανεώσιµη και συνεπώς ανεξάντλητη µορφή [7]. Η αρχιτεκτονική σύλληψη θα πρέπει πρωτίστως να αξιοποιεί τα τοπικά κλιµατικά δεδοµένα. Πιο συγκεκριµένα, από τα στοιχεία του κλίµατος αξιοποιήσιµα είναι: η ηλιακή ενέργεια για την θέρµανση των κτιρίων το χειµώνα και αντίστροφα, η εκµετάλλευση των δροσερών ανέµων, το καλοκαίρι, για τον φυσικό δροσισµό του χώρου. Αντίθετα οι ψυχροί χειµωνιάτικοι άνεµοι πρέπει να αποφεύγονται, καθώς και η επίδραση της έντονης ακτινοβολίας του ήλιου το καλοκαίρι. Οι βασικές αρχές σχεδιασµού προκειµένου το κτίριο να ανταποκρίνεται στην βιοκλιµατική αντίληψη έχουν ως εξής: Α) το κτίριο να λειτουργεί ως φυσικός ηλιακός συλλέκτης το χειµώνα, Β) το κτίριο να λειτουργεί ως αποθήκη θερµότητας, Γ) το κτίριο να λειτουργεί ως παγίδα θερµότητας, ) το κτίριο να λειτουργεί ως αποθήκη φυσικής ψύξης το καλοκαίρι. Οι αρχές αυτές, για να είναι εφαρµόσιµες, πρέπει να πληρούν ορισµένες προϋποθέσεις, οι οποίες αναλύονται στη συνέχεια Η συµπεριφορά του κτιρίου σαν φυσικός ηλιακός συλλέκτης Προκειµένου να διασφαλίζεται η λειτουργία του κτιρίου ως φυσικού ηλιακού συλλέκτη το χειµώνα, ο σχεδιασµός του οφείλει να υπακούει σε κάποιους κανόνες-προϋποθέσεις (Σχ.6). Οι προϋποθέσεις αυτές σχετίζονται µε: τον κατάλληλο προσανατολισµό-χωροθέτηση του κτιρίου στο οικόπεδο, το κατάλληλο σχήµα του κτιρίου, το µέγεθος των ανοιγµάτων συναρτήσει του προσανατολισµού, τη λειτουργική διάρθρωση των εσωτερικών χώρων. 13

15 Σχήµα 6: Κέντρο διάδοσης επιστηµών και µουσείο τεχνολογίας στην Θέρµη Θεσσαλονίκης, η µελέτη πραγµατοποιήθηκε στον φυσικό φωτισµό στον χώρο του Μουσείου και στο Foyer, στο πλαίσιο ενεργειακού σχεδιασµού [8] Η κατάλληλη θέση του κτιρίου Επαρκής θερµική ενέργεια από τον ήλιο, τον χειµώνα προσφέρεται από τις 9.00 π.µ. µέχρι τις 3.00 µ.µ., ηλιακή ώρα. Κατά τις ώρες αυτές η διαθέσιµη ποσότητα θερµότητας από τον ήλιο µπορεί να καλύψει το σύνολο ή µεγάλο µέρος των θερµαντικών αναγκών του κτιρίου. Συνεπώς η χωροθέτηση του κτιρίου στο οικόπεδο και, κυρίως, ο προσανατολισµός του πρέπει να είναι προς το νότο, για να εξασφαλίζει την επάρκεια ηλιασµού. Εργαλεία για την χωροθέτηση του κτιρίου και τον αποτελεσµατικό έλεγχο (ώρες και µήνες ηλιασµού) αποτελούν οι ηλιακοί χάρτες. Οι χάρτες αυτοί είναι σχεδιασµένοι για συγκεκριµένα γεωγραφικά πλάτη και παρέχουν µια πλήρη εικόνα της θέσης του ήλιου (γωνία ύψους και αζιµούθιου). Συνεπώς η συσχέτιση των φαινόµενων τροχιών του ήλιου µε την γεωµετρία του περιβάλλοντος, το οικόπεδο και του χώρου (κτίρια, δέντρα, λόφους κλπ.), παρέχει µια πλήρη εικόνα της καταλληλότερης θέσης για την τοποθέτηση του νέου κτιρίου. Στον ηλιακό χάρτη εντάσσουµε τις γωνίες ύψους και αζιµούθιου των εµποδίων που περιβάλλουν το οικόπεδο, είτε χρησιµοποιώντας κάποιο θεοδόλιχο, είτε τη γωνία που προέρχεται από την τοµή, η οποία προσδιορίζεται από το ύψος του απέναντι κτιρίου-εµποδίου και την απόσταση από το σηµείο ελέγχου. Με βάση το τοπογραφικό και τους όρους δόµησης που ισχύουν για την περιοχή, προσδιορίζουµε τη γωνία ύψους των εµποδίων που περιβάλλουν το οικόπεδό, είτε επί της οικοδοµικής γραµµής είτε σε υποχώρηση από την οικοδοµική γραµµή σε θέση της επιλογής µας. Η γωνία αζιµούθιου των 14

16 εµποδίων προσδιορίζεται είτε ως προς την γωνία απόκλισης από την κατεύθυνση του βορρά, είτε ως προς την απόκλιση από τον ηλιακό νότο Το σωστό σχήµα του κτιρίου Το σχήµα του κτιρίου επηρεάζει τις ανάγκες του σε θέρµανση, ψύξη και φωτισµό. Επίσης, τα κλιµατικά δεδοµένα του κάθε τόπου επηρεάζουν το σχήµα του κτιρίου. Ένα κτίριο επίµηκες κατά άξονα ανατολή-δύση προσφέρει µεγαλύτερη επιφάνεια προς το νότο για τη συλλογή της ηλιακής θερµότητας το χειµώνα. Παράλληλα, το καλοκαίρι η σκίαση της νότιας πλευράς είναι σχετικά πιο εύκολη, ενώ οι δυσµενείς προσανατολισµοί ανατολή και κυρίως δύση έχουν περιορισµένη επιφάνεια και συνεπώς µικρότερη επιβάρυνση από τον ήλιο, το καλοκαίρι [9]. Από έρευνες που έχουν πραγµατοποιηθεί για τον προσδιορισµό του άριστου σχήµατος κτιρίου, σε δεδοµένο γεωγραφικό πλάτος και κλιµατικές συνθήκες προέκυψαν συνοπτικά τα εξής αποτελέσµατα: Το κτίριο κύβος δεν είναι το βέλτιστο σχήµα για οποιεσδήποτε κλιµατικές συνθήκες, παρά το γεγονός ότι έχει τις µικρότερες θερµικές απώλειες το χειµώνα. Αυτό το συµπέρασµα, βέβαια, δεν σηµαίνει ότι ως γεωµετρική µορφή ο κύβος δεν είναι αποδεκτός. Άλλωστε, µε τυχόν µετασχηµατισµούς που επιφέρουµε στο αρχικό σχήµα του κύβου, οι επιφάνειες που προκύπτουν προς το νότιο προσανατολισµό καθίστανται ευνοηµένες. Όλα τα σχήµατα κτιρίου, τα επιµήκη κατά τον άξονα βορρά-νότου, λειτουργούν λιγότερο αποτελεσµατικά σε σχέση µε το τετράγωνο σε κάτοψη κτίριο. Τα αποτελέσµατα είναι αρνητικά τόσο για το χειµώνα, όσο και για το καλοκαίρι. Η άριστη µορφή κτιρίου, για οποιοδήποτε κλίµα, είναι η επιµήκης στον άξονα ανατολή-δύση, µε διαφορετικές όµως αναλογίες Ο προσανατολισµός του κτιρίου Το ζήτηµα του προσανατολισµού είναι σύνθετο, γιατί εξαρτάται και από άλλους παράγοντες όπως είναι: Η τοπογραφία της περιοχής και το ανάγλυφο του εδάφους, Το φυσικό τοπίο, Ο κυκλοφοριακός θόρυβος, Οι κλιµατικές συνθήκες, κυρίως άνεµος και η ηλιακή ακτινοβολία. Για την εύκρατη ζώνη, σε σχέση µε τις κλιµατικές συνθήκες, οι καλύτερος προσανατολισµός είναι ο νότιος, γιατί η διαθέσιµη ηλιακή ακτινοβολία είναι 15

17 σχεδόν τριπλάσια σε σχέση µε την αντίστοιχη σε ανατολή και δύση, για την περίοδο του χειµώνα. Για το καλοκαίρι µειώνεται σχεδόν στο µισό για τις νότιες επιφάνειες, σε σχέση µε τις ανατολικές και δυτικές. Ο V. Olgyay συµπεραίνει ότι: «για 40 βόρειο γεωγραφικό πλάτος ο καλύτερος προσανατολισµός βρίσκεται 17.5 ανατολικότερα του νότου», γιατί αφενός εξασφαλίζει τη µεγαλύτερη ποσότητα ηλιασµού το χειµώνα και προστασία από ψυχρούς βόρειους ανέµους και αφετέρου το καλοκαίρι το κτίριο δροσίζεται από τις αύρες, ενώ παράλληλα µειώνεται η ένταση της ηλιακής υπερθέρµανσης του κτιρίου [10]. Σε χαµηλότερα γεωγραφικά πλάτη, 40 και κάτω, οι νότιες επιφάνειες έχουν ακόµη µεγαλύτερο ηλιακό όφελος το χειµώνα, ενώ οι ανατολικές και, κυρίως, οι δυτικές είναι ιδιαίτερα επιβαρηµένες το καλοκαίρι. Κτίρια καλά θερµοµονωµένα και µε αποτελεσµατική ηλιοπροστασία παρουσιάζουν ακόµη µεγαλύτερες διαφορές ως προς τις θερµικές επιβαρύνσεις. Ο B Anderson, ερεύνησε την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας σε διαφορετικά σχήµατα κατόψεων και διαφορετικούς προσανατολισµούς. Από την έρευνα αυτή προκύπτει ότι το µεγαλύτερο θερµικό κέρδος, για την 21 η Ιανουαρίου σε 40 Β.Γ.Π., έχει το κτίριο όταν ο µεγάλος άξονάς του βρίσκεται στην κατεύθυνση ανατολής-δύσης και απόκλιση ±25 ανατολικά ή δυτικά του νότου. Για προσανατολισµό µε µεγαλύτερη απόκλιση από το νότο, π.χ. 45 το θερµικό κέρδος µειώνεται. Όµως, και µέχρι 30 απόκλιση από το νότο, προς ανατολή και δύση, το ηλιακό θερµικό κέρδος παραµένει περίπου το ίδιο µε τον καθεαυτό νότιο προσανατολισµό. Συνεπώς τα κτίρια αποκοµίζουν περίπου το ίδιο θερµικό όφελος και όταν προσανατολίζονται εκατέρωθεν του νότου, µε απόκλιση ± Το µέγεθος των ανοιγµάτων Ο προσανατολισµός και το µέγεθος των ανοιγµάτων αποτελούν βασικό παράγοντα για τη λειτουργία του κτιρίου ως φυσικού ηλιακού συλλέκτη [7]. Το γυαλί είναι υλικό πολύ λίγο θερµοµονωτικό. Οι θερµικές απώλειες από τα υαλοστάσια είναι πολλαπλάσιες σε σύγκριση µε µια τοιχοποιία καλά θερµοµονωµένη. Ωστόσο η γυάλινη επιφάνεια δεν αποτελεί µόνο πηγή θερµικών απωλειών, αλλά και πηγή θερµικών απολαβών από τον ήλιο, αρκεί να έχει τον κατάλληλο προσανατολισµό. Η πιο πρόσφατη άποψη είναι ότι, η γυάλινη επιφάνεια είναι ο πιο οικονοµικός ηλιακός συλλέκτης, ο πιο 16

18 αποδοτικός, αρκεί να προσανατολίζεται στο νότο, µε ανοχή ±30 ανατολικότερα ή δυτικά του νότου. Προτείνονται, λοιπόν, µεγάλα µεγέθη ανοιγµάτων στο νότο, µε µονό ή διπλό τζάµι, εκτός εάν η θέα βρίσκεται προς βορρά, οπότε µεταβάλλεται το µέγεθος των ανοιγµάτων. Τα αποτελέσµατα των ερευνών για το θερµικό ισοζύγιο του νότιου γυάλινου ανοίγµατος έχουν ως εξής: στην περίπτωση του διπλού υαλοπίνακα, τα κέρδη από τον ήλιο είναι µεγαλύτερα από τις θερµικές απώλειες και η συµβολή του θετική στο θερµικό ισοζύγιο κατά 23%, για την περίοδο του χειµώνα. στην περίπτωση του διπλού υαλοπίνακα µε εξώφυλλα, η θετική συµβολή είναι ακόµη µεγαλύτερη, ίση περίπου µε 56%, σε σχέση µε τις θερµικές απώλειες. Συµπεραίνεται, ότι το νότιο άνοιγµα προκειµένου να λειτουργήσει ως ηλιακός συλλέκτης, δηλαδή να κερδίζει θερµότητα περισσότερη από όση έχει χάνει, θα πρέπει να έχει καλά θερµικά χαρακτηριστικά, όπως διπλό τζάµι, εξώφυλλα (καλύτερα µονωµένα) και καλή συναρµογή των κουφωµάτων στην επαφή τους. Η µελέτη προέρχεται από το Ερευνητικό Κέντρο C.S.T.B. της Γαλλίας Η οργάνωση των εσωτερικών χώρων Ο προσανατολισµός των εσωτερικών χώρων παραµένει ένα κρίσιµο θέµα για την προσαρµογή του κτιρίου στο τοπικό κλίµα. Η βορεινή πλευρά του κτιρίου είναι ψυχρότερη, η πιο σκοτεινή το χειµώνα και δεν δέχεται καθόλου ήλιο, παρά µόνο λίγες ώρες το πρωί και το απόγευµα το καλοκαίρι. Η ανατολική και η δυτική πλευρά δέχονται ισόποση ηλιακή ακτινοβολία, µικρότερη το χειµώνα και µεγαλύτερη το καλοκαίρι. Ωστόσο, η δυτική πλευρά είναι η πιο επιβαρηµένη, γιατί το καλοκαίρι στην ήδη υψηλή θερµοκρασία του περιβάλλοντος προστίθενται και η θερµότητα του ήλιου τις µεταµεσηµβρινές ώρες. Η νότια πλευρά δέχεται τη µεγαλύτερη ηλιακή ακτινοβολία το χειµώνα και τη µικρότερη το καλοκαίρι. Είναι η φωτεινότερη και πιο ευχάριστη περιοχή του κτιρίου και συνεπώς η προσφορότερη για την τοποθέτηση των χώρων που χρησιµοποιούνται τις περισσότερες ώρες της ηµέρας. Για τα εύκρατα κλίµατα, η καλύτερη οργάνωση των χώρων κατοικίας είναι εκείνη η διάταξη όπου οι χώροι που χρησιµοποιούνται περισσότερο, καθιστικό, κουζίνα, δωµάτια, τοποθετούνται προς το νότο. 17

19 Στη δυσµενέστερη πλευρά, τη βορεινή, τοποθετούνται χώροι µε πρόσκαιρες δραστηριότητες, σκάλες, αποθήκη, γκαράζ κλπ., οι οποίοι αποτελούν και χώρους ανάσχεσης των θερµικών απωλειών και προστασίας των κυρίων χώρων ζωής από τη βορεινή ψυχρή επιφάνεια. Πρόκειται για χώρους «εµπόδια» µε ρόλο «παθητικό», οι οποίοι µετριάζουν τις εξωτερικές µεταβολές στον εσωτερικό χώρο, συµβάλλουν στην εξοικονόµηση ενέργειας και βελτιώνουν τις συνθήκες του «εσωκλίµατος» στους κύριους χώρους ζωής. Άλλο είδος χώρων ανάσχεσης, µε ρόλο «ενεργητικό» αποτελούν οι λότζιες, οι βεράντες, τα θερµοκήπια, που τοποθετούνται στη νότια πλευρά του κτιρίου και συµβάλλουν θετικά στο θερµικό ισοζύγιο, λόγω της δέσµευσης της ηλιακής ενέργειας. 2.3 Το κτίριο ως αποθήκη θερµότητας Η σηµαντική λειτουργία για ένα βιοκλιµατικο κτίριο είναι η διασφάλιση θερµικής µάζας, στην οποία αποθηκεύεται η θερµότητα που προέρχεται από την συλλογή της ηλιακής ενέργειας. Το κτίριο λειτουργεί ως φυσικός ηλιακός συλλέκτης, και η θερµότητα αυτή θα πρέπει να αποθηκευτεί στη µάζα του κτιρίου, προκειµένου να αποδοθεί και πάλι στον εσωτερικό χώρο στην διάρκεια της νύχτας. Ο πιο αποτελεσµατικός «αποθηκευτής» θερµότητας είναι η ίδια η κατασκευή του κτιρίου, δηλαδή τα δάπεδα, οι τοιχοποιίες, οι οροφές. Όλα τα δοµικά υλικά απορροφούν και αποθηκεύουν θερµότητα, το καθένα όµως σε διαφορετικό βαθµό και ποσότητα, ανάλογα µε την πυκνότητα (ρ) της µάζας του και το συντελεστή ειδικής θερµότητας (c). Τα βαριά υλικά, µπετόν, πέτρα, τούβλα, έχουν µεγαλύτερη πυκνότητα και συνεπώς µεγαλύτερη ικανότητα για θερµική αποθήκευση. Η ηλιακή ενέργεια προσπίπτει στα ανοίγµατα και περνά µέσα από αυτά στον εσωτερικό χώρο του κτιρίου, όπου µετατρέπεται σε θερµική ενέργεια αναρροφούµενη από τα υλικά της κατασκευής και τα αντικείµενα που βρίσκονται στον χώρο. Η µετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε θερµική σηµαίνει αλλαγή του µήκους κύµατος, γεγονός που δεν επιτρέπει την διαφυγή της από τα τζάµια προς τα έξω, συνεπώς εγκλωβίζεται και απορροφάται από τα δοµικά στοιχεία του κτιρίου, µέχρι ότου η ικανότητα τους για αποθήκευση θερµότητας κορεστεί. Πρόκειται για την θετική πλευρά του «φαινόµενου του θερµοκηπίου», στην µικρή κλίµακα του χώρου. Η διαδικασία αποθήκευσης της ηλιακής θερµότητας γίνεται άµεσα από το δάπεδο ή τους τοίχους, όπου προσπίπτει ο ήλιος ή έµµεσα µε την κίνηση 18

20 του αέρα, ο οποίος θερµαίνεται γρηγορότερα από οποιοδήποτε άλλο υλικό και µε την κίνηση του µεταφέρει τη θερµότητα στα συµπαγή υλικά. Όσο µεγαλύτερη είναι η µάζα της κατασκευής που αποθηκεύει θερµότητα τόσο η θερµοκρασία του χώρου παραµένει πιο σταθερή, σε επίπεδα θερµικής άνεσης για πολλές ώρες, χωρίς να χρειάζεται βοηθητική θέρµανση από άλλες πηγές ή να προκαλείται υπερθέρµανση του αέρα και δυσφορία [11]. Για να λειτουργήσει αποτελεσµατικά ένα κτίριο ως αποθήκη ηλιακής θερµότητας πρέπει να έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Να διαθέτει υλικά κατασκευής µε αυξηµένη θερµοχωρητικότητα, Τα δοµικά αυτά στοιχεία ή υλικά, µε µεγάλη θερµοχωρητικότητα, να είναι ισοκατανεµηµένα στο σύνολο της κατασκευής. Σηµαντικό, επίσης, χαρακτηριστικό του κλίµατος ενός τόπου είναι οι «βαθµοηµέρες θέρµανσης», οι οποίες προσδιορίζονται ως το άθροισµα της εκάστοτε διαφοράς θερµοκρασίας, ανάµεσα στην εσωτερική συνήθως 19ο C και τη µέση µηνιαία εξωτερική. Το άθροισµα αυτών των διαφορών προσδιορίζει τις βαθµοηµέρες θέρµανσης, δηλαδή τις θερµαντικές ανάγκες κάθε τόπου. Όσο πιο αυξηµένες είναι οι βαθµοηµέρες θέρµανσης τόσο το κλίµα χαρακτηρίζεται ψυχρότερο και φυσικά ισχύει και το αντίστροφο. 2.4 Το κτίριο ως παγίδα θερµότητας Για την αποτελεσµατικότερη λειτουργία του κτιρίου είναι ανάγκη η θερµότητα, που συλλέγεται από τον ήλιο, να παγιδεύεται στο εσωτερικό του κτιρίου και να µην διασκορπίζεται προς τα έξω. Η διασπορά της θερµότητας προς το εξωτερικό περιβάλλον καθορίζεται και από τις θερµικές απώλειες του κτιρίου, γεγονός που συµβαίνει τον χειµώνα [12]. Αντίστροφα το καλοκαίρι, όταν οι εξωτερικές θερµοκρασίες είναι υψηλότερες από τις εσωτερικές, το κτίριο απορροφά θερµότητα, την οποία σταδιακά την διοχετεύει µέσα στο χώρο, µε κίνδυνο βεβαίως να δηµιουργηθούν συνθήκες υπερθέρµανσης. Αυτή η αντιθετική λειτουργία του κτιρίου, που οφείλεται στην εναλλαγή των εποχών, µπορεί να αντιµετωπιστεί µε την πρόβλεψη στρώµατος θερµικής µόνωσης στην εξωτερική πλευρά του κελύφους (τοίχους, οροφή, δάπεδα). Έτσι επιτυγχάνεται περιορισµός των θερµικών απωλειών, µεγαλύτερης δυνατής ποσότητας ηλιακής θερµότητας. Το καλοκαίρι η θερµοµόνωση λειτουργεί προστατευτικά για το κέλυφος του κτιρίου και κατ επέκταση για τον εσωτερικό χώρο, µειώνοντας έτσι το ενδεχόµενο υπερθέρµανσης. 19

21 Πέραν αυτών η θερµοµόνωση προσφέρει συνθήκες θερµικής άνεσης µέσα στο κτίριο, γιατί περιορίζεται η ακτινοβολία θερµότητας από το σώµα του ανθρώπου προς τις περιβάλλουσες το χώρο επιφάνειες, οι οποίες συνήθως είναι ψυχρότερες από τον αέρα του χώρου Θερµικές απώλειες του κελύφους Όλα τα κτίρια χάνουν θερµότητα το χειµώνα µε τρεις κυρίως τρόπους [13]: µε αγωγή θερµότητας µέσα στο κέλυφος του κτιρίου (τοίχους, γυάλινα ανοίγµατα, στέγη ή δώµα και δάπεδο) προς το εξωτερικό, ψυχρότερο περιβάλλον. µε µεταφορά της θερµότητας, µέσω της κίνησης του αέρα, είτε µέσα από τους αρµούς των κουφωµάτων, είτε µέσα από τα ανοιχτά παράθυρα. µε ακτινοβολία θερµότητας από το κέλυφος του κτιρίου προς την ατµόσφαιρα τη νύχτα. Οι συνολικές θερµικές απώλειες του κτιρίου εξαρτώνται από τους εξής παράγοντες: Από τον λόγο της συνολικής εξωτερικής επιφάνειας προς τον όγκο του κτιρίου F. Όσο µικρότερη είναι η συνολική εξωτερική επιφάνεια τόσο Vσυν συν µικρότερος είναι ο λόγος, άρα τόσο λιγότερες οι θερµικές απώλειες του κτιρίου. Από την προστασία των εκτεθειµένων πλευρών του κτιρίου στους ψυχρούς χειµωνιάτικους ανέµους, µε κατάλληλους χειρισµούς στο κέλυφος του κτιρίου ή µε τη χρήση βλάστησης. Από την µείωση των εκτεθειµένων πλευρών του κτιρίου προς τον βορρά, φτάνοντας ακόµη και στην κάλυψη τµήµατος ή όλης της βορεινής επιφάνειας µε χώµα, εφόσον η κλίση του εδάφους το επιτρέπει. Για τον περιορισµό των θερµικών απωλειών από το κέλυφος είναι αναγκαίο να παίρνονται τα εξής µέτρα, κατά τον σχεδιασµό του κτιρίου: Να προβλέπεται κατάλληλη θερµοµόνωση στα συµπαγή στοιχεία του κελύφους, τοίχους, οροφές, δάπεδα. Έτσι, εξασφαλίζεται η µείωση του συντελεστή θερµοπερατότητας και συνεπώς των θερµικών απωλειών. Να προβλέπονται διπλά τζάµια, ιδιαίτερα για τα ανοίγµατα που βρίσκονται στους δυσµενείς προσανατολισµούς, βορρά, ανατολή, δύση. Να προβλέπεται κινητή θερµική µόνωση των ανοιγµάτων, για νυχτερινή προστασία µε τη χρήση παντζουριών ή άλλων εξώφυλλων, τα οποία µπορούν να έχουν περσίδες µε θερµοµόνωση στο εσωτερικό τους. 20

22 Η θερµική µόνωση του κελύφους είναι προτιµότερη στην εξωτερική του πλευρά, ώστε να διασφαλίζεται η παγίδευση της αποθηκευµένης ηλιακής θερµότητας Θερµικές απώλειες από εναλλαγές αέρα Οι απώλειες που οφείλονται στη µεταφορά του ζεστού αέρα από το κτίριο προς τα έξω, µέσα από τους αρµούς των κουφωµάτων, αποτελούν µια σηµαντική ποσότητα θερµότητας που χάνεται. Η εναλλαγή του αέρα στον εσωτερικό χώρο, δηλαδή η αντικατάσταση του χρησιµοποιηµένου από νέα ποσότητα φρέσκου αέρα είναι αναγκαία ακόµα και τον χειµώνα για λόγους υγιεινής. Η εναλλαγή αυτή είναι απαραίτητη για να αποµακρύνει τις δυσάρεστες οσµές από τον χώρο, που προέρχονται από τις δραστηριότητες των ενοίκων. Όσο περισσότεροι άνθρωποι παραµένουν σε ένα χώρο τόσο µεγαλύτερος είναι και ο αναγκαίος αριθµός των εναλλαγών του αέρα. Αυτή η εναλλαγή του αέρα θα πρέπει να είναι ελεγχόµενη, έτσι ώστε αφενός να διασφαλίζονται οι συνθήκες άνεσης στον εσωτερικό χώρο, αφετέρου οι θερµικές απώλειες να περιορίζονται στα ελάχιστα απαιτούµενα. Ο περιορισµός αυτός µπορεί να επιτευχθεί µε τους παρακάτω τρόπους: Με την καλή στέγνωση των αρµών των κουφωµάτων. Με την µείωση του µεγέθους των ανοιγµάτων που βρίσκονται προς τον βορρά και που είναι συνήθως εκτεθειµένα στους ψυχρούς ανέµους. Με την τοποθέτηση βλάστησης ή δέντρων για την προστασία ή και εκτροπή των ψυχρών ανέµων εφόσον είναι εφικτό Θερµική µάζα και θερµοµόνωση Η αποθήκευση της ηλιακής θερµότητας πραγµατοποιείται στη θερµική µάζα της κατασκευής. Η θερµοµόνωση προστατεύει το κέλυφος, δηλαδή τη θερµική µάζα, όταν βρίσκεται στην εξωτερική πλευρά. Η ποσότητα της θερµικής µάζας, καθώς και ο βαθµός θερµοµόνωσης ενός κτιρίου είναι συνάρτηση του κλίµατος. Σε ένα ψυχρό κλίµα η απαίτηση για καλύτερη θερµοµόνωση είναι µεγαλύτερη, καθώς η θερµοκρασία σχεδιασµού αποκλίνει περισσότερο σε σχέση µε τις εξωτερικές θερµοκρασίες. Σε ένα ζεστό και ξηρό κλίµα, η θερµική µάζα αποτελεί τον πιο σηµαντικό παράγοντα, γιατί απορροφά τις έντονες διακυµάνσεις της εξωτερικής θερµοκρασίας ανάµεσα σε ηµέρα και νύχτα. Η θερµική προστασία είναι απολύτως αναγκαία για την βορεινή πλευρά, ενώ η απαίτηση για µεγάλη θερµοχωρητικότητα εντοπίζεται στην δυτική 21

23 πλευρά, η οποία επιβαρύνεται µε µεγάλη ποσότητα θερµότητας κυρίως το καλοκαίρι. 2.5 Το κτίριο ως συλλέκτης και αποθήκη ψύξης Το καλοκαίρι οι κλιµατολογικές συνθήκες αντιστρέφονται και οι εξωτερικές θερµοκρασίες είναι πολύ υψηλές. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι έντονη, µε αποτέλεσµα το κτίριο να απορροφά θερµότητα πολύ περισσότερη µάλιστα όταν είναι εκτεθειµένο στον ήλιο, µε άµεση επίπτωση να δηµιουργούνται στον εσωτερικό χώρο συνθήκες υπερθέρµανσης, οι οποίες πολλές φορές ξεπερνούν τα όρια της άνεσης. Οι συνθήκες που επηρεάζουν και καθορίζουν την αποφυγή των επιβαρύνσεων του κτιρίου και τη λειτουργία του ως φυσικού συλλέκτη δροσισµού το καλοκαίρι είναι οι εξής: Η προστασία του κτιρίου από τον ήλιο και κυρίως η σκίαση των ανοιγµάτων, έτσι ώστε να αποκλείεται η ανεπιθύµητη ηλιακή ακτινοβολία στον εσωτερικό χώρο. Η εξασφάλιση επαρκούς φυσικού αερισµού στον εσωτερικό χώρο, κυρίως τις νυχτερινές ώρες, έτσι ώστε να αποµακρύνεται το πρόσθετο θερµικό φορτίο, που απορροφάται από τα υλικά της κατασκευής στην διάρκεια της ηµέρας. Η εξασφάλιση θερµικής αδράνειας στην κατασκευή, µε τη χρησιµοποίηση υλικών που έχουν µεγάλη θερµοχωρητική ικανότητα. Η κατά προτίµηση βαφή των εξωτερικών επιφανειών µε χρώµατα ανοιχτά, για να µειώνεται η απορροφούµενη θερµότητα. Η φυσική ψύξη µε την διαδικασία της εξάτµισης, όταν το κλίµα είναι ζεστό-κρύο. Οι συνθήκες αυτές µπορούν να δηµιουργηθούν µε κατάλληλους χειρισµούς, οι οποίοι σχετίζονται τόσο µε το άµεσο εξωτερικό περιβάλλον, όσο και µε το κέλυφος του κτιρίου Ο σκιασµός του κτιρίου και των ανοιγµάτων του Η προστασία του κτιρίου από τον ήλιο όπως αναφέρθηκε παραπάνω µπορεί να γίνει µε τον σκιασµό του κτιρίου τοποθετώντας φυλλοβόλα δέντρα και βλάστηση σε θέσεις κατάλληλες έτσι ώστε να διακόπτεται ο ηλιασµός του κτιρίου τους καλοκαιρινούς µήνες. Η βλάστηση µετριάζει ταυτόχρονα την εξωτερική θερµοκρασία, λόγο της απορρόφησης θερµότητας από το φύλλωµα. 22

24 Η ηλιοπροστασία των ανοιγµάτων και η επιλογή του κατάλληλου συστήµατος σκίασης σε µορφή, µέγεθος και θέση είναι συνάρτηση του προσανατολισµού της όψης, δηλαδή εξαρτάται από την εκάστοτε γωνία ύψους και αζιµούθιου των φαινόµενων τροχιών του ήλιου. Για να αποφευχθεί η διείσδυση του ήλιου έτσι ώστε να γίνει υπερθέρµανση του χώρου, επιβάλλεται η σκίαση των ανοιγµάτων να είναι στην εξωτερική πλευρά. Βασικά κριτήρια για την επιλογή του καταλληλότερου συστήµατος ηλιοπροστασίας των ανοιγµάτων είναι: Η χρήση του χώρου Ο προσανατολισµός της όψης Η µορφή των ανοιγµάτων Η αισθητική του κτιρίου και η µορφολογία των ανοιγµάτων Ο παράγοντας της οικονοµίας σε µια κατασκευή. Από µελέτες έχει προκύψει, όσον αφορά τον προσανατολισµό του κτιρίου, ότι: Για τον νότιο προσανατολισµό, το πιο κατάλληλο σύστηµα σκίασης είναι το οριζόντιο, σταθερό ή κινητό, λόγο της υψηλής τροχιάς του ήλιου τους µήνες Ιούνιο, Ιούλιο, Αύγουστο. Το βασικό σηµείο είναι το πλάτος της προεξοχής των περσίδων, έτσι ώστε το καλοκαίρι ναι µεν να διασφαλίζεται η πλήρης σκίαση των ανοιγµάτων αλλά και τον χειµώνα να επιτρέπεται η διέλευση του ήλιου µέσα στο κτίριο. Για τον ανατολικό και δυτικό προσανατολισµό, αποτελεσµατικότερη λύση είναι η σκίαση των ανοιγµάτων µε κατακόρυφες περσίδες εξαιτίας της θέσης του ήλιου που βρίσκεται χαµηλά. Σε αυτή την σταθερή τοποθέτηση των περσίδων την περίοδο του χειµώνα γίνεται δυσκολότερος ο ηλιασµός του κτιρίου. Σε αυτήν την περίπτωση η κινητή ηλιοπροστασία είναι προτιµότερη. Για τον νοτιοανατολικό και νοτιοδυτικό προσανατολισµό η ηλιοπροστασία θα πρέπει να είναι ένας συνδυασµός οριζόντιων και κατακόρυφων περσίδων. Η µορφή αυτή της ηλιοπροστασίας καθορίζεται αποκλειστικά από το ύψος και το αζιµούθιο του ήλιου για τους µήνες του καλοκαιριού. Σύµφωνα µε τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι τα σταθερά συστήµατα ηλιοπροστασίας ανεξάρτητα από τον προσανατολισµό τους παρουσιάζουν προβλήµατα ως προς την αποτελεσµατικότητα τους κατά την διάρκεια των εποχών του έτους. Τον Αύγουστο για παράδειγµα η ηλιοπροστασία είναι 23

25 απαραίτητη, όµως αν η ηλιοπροστασία είναι σταθερή την χειµερινή περίοδο όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι αναγκαία και ευεργετική, λόγο της ίδιας τροχιάς του ήλιου ο ηλιασµός διακόπτεται. Συνεπώς η χρήση κινητής εξωτερικής ηλιοπροστασίας παρέχει στους ενοίκους δυνατότητα ευελιξίας ανάλογα µε τις ανάγκες τους. Ανάλογα µε την χρήση του κτιρίου εξαρτάται το είδος και η µορφή του συστήµατος ηλιοπροστασίας. Αν το κτίριο αφορά µια κατοικία, οι ανάγκες µπορούν να καλύπτονται πλήρως µε µια τέντα, ενώ για ένα γραφείο ή µια βιβλιοθήκη η επιλογή της ηλιοπροστασίας θα πρέπει να εξασφαλίζει άνετο φωτισµό χωρίς επιβαρύνσεις από θάµπωση ή ανακλάσεις στον χώρο όπου οι χρήστες µένουν ακίνητοι και εργάζονται κατά την διάρκεια της ηµέρας. Η αισθητική της ηλιοπροστασίας είναι µέρος του αρχιτεκτονικού σχεδιασµού ενός κτιρίου όπου προσφέρει αρκετά πλεονεκτήµατα σχεδιαστικών χειρισµών. Τέλος το οικονοµικό σκέλος στην ηλιοπροστασία ενός κτιρίου είναι ένας από τους πιο σηµαντικούς συντελεστές. Η κινητή ηλιοπροστασία αν και πιο ακριβή παρέχει µεγαλύτερη απόδοση από το σταθερό σύστηµα προστασίας, προλαµβάνει την υπερθέρµανση ενός κτιρίου την θερινή περίοδο µε αποτέλεσµα να αποφεύγεται η πολύωρη χρήση κλιµατισµού, όπου κοστίζει και είναι επιβλαβές για το περιβάλλον Ο σχεδιασµός της ηλιοπροστασίας Ο σχεδιασµός, δηλαδή, η µορφή της ηλιοπροστασίας ενός κτιρίου έχει ως βασικό εργαλείο τους ηλιακούς χάρτες και τον µετρητή σκιασµού. Για να σχεδιαστεί ένα σύστηµα ηλιοπροστασίας ακολουθούνται κάποιοι κανόνες. Επιλέγεται αρχικά ο ηλιακός χάρτης που αντιστοιχεί στο γεωγραφικό πλάτος του τόπου ή αυτός που αντιστοιχεί στην πλησιέστερη γεωγραφικά περιοχή. Ο ηλιακός χάρτης για την Ελλάδα είναι πχ. 32 ο, 36 ο και 40 ο Β.Γ.Π. Ο µετρητής σκιασµού είναι ο ίδιος για όλα τα γεωγραφικά πλάτη γιατί απεικονίζει τις κατακόρυφες γωνίες των οριζόντιων εµπόδιων ή προεξοχών-σκιάστρων του ίδιου του κτιρίου, οι οποίες αντιστοιχούν σε γωνίες ύψους από 10 ο -80 ο. Ο ακριβής προσανατολισµός της όψης ενός κτιρίου, ορίζεται από την κάθετη στην διεύθυνση της όψης και την χάραξη του βορρά-νότου στο ίδιο σηµείο. Ένα η κάθετη στην όψη ευθεία ορίζει γωνία στα αριστερά του νότου, η όψη είναι στραµµένη προς την ανατολή, ενώ εάν η γωνία βρίσκεται στα δεξιά τότε η όψη είναι προς την δύση. 24

26 β Μελέτες έχουν δείξει ότι για να είναι τα σκίαστρα αποτελεσµατικά, δηλαδή να παρεµποδίζουν πλήρως την πρόσπτωση του ήλιου στα ανοίγµατα τους τρεις καλοκαιρινούς µήνες, πρέπει να ισχύει ότι για 32 ο και 36 ο Β.Γ.Π. η κατακόρυφη γωνία (α) πρέπει να είναι ίση µε 60 ο ως προς την οριζόντια και 40 ο Β.Γ.Π. η κατακόρυφη γωνία (α) θα πρέπει να είναι ίση µε 55 ο ως προς την οριζόντια (Σχ. 6). α τοµή Σχήµα 6: Η κατακόρυφη γωνία (α) Για τις κατακόρυφες προεξοχές, στην περίπτωση σκιασµού ανατολικών ή δυτικών όψεων, χρησιµοποιείται η κάτοψη του ανοίγµατος-υαλοστασίου. Για να έχουµε 100% σκίαση χρησιµοποιούµε ανοίγµατα όπως στην κάτοψη του παρακάτω σχήµατος. Έτσι προκύπτουν οι γωνίες (α) και (β) (Σχ. 7). α β Σχήµα 7: Οι γωνίες (α) και (β) 25

27 Αν η σκίαση θέλουµε να γίνει κατά 50%, τότε µας ενδιαφέρουν οι γωνίες (γ) και (δ) όπως φαίνονται παρακάτω (Σχ. 8). γ δ Σχήµα 8: Οι γωνίες (γ) και (δ) Η θερµική αδράνεια της κατασκευής Για να λειτουργήσει ένα κτίριο ως αποθήκη θερµότητας θα πρέπει να εξασφαλίζεται αρχικά η χρήση υλικών µε µεγάλη θερµοχωρητικότητα. Τη θερινή περίοδο το κτίριο θα πρέπει να έχει θερµική αδράνεια έτσι ώστε να αποθηκεύει την νυχτερινή δροσιά µε άµεσο αποτέλεσµα την αποφυγή υπερθέρµανσης. Αυτό συµβαίνει όταν επιβραδύνεται η µεταφορά θερµότητας στο εσωτερικό του κτιρίου µέχρι η εξωτερική θερµοκρασία να µειωθεί. Το κτίριο αρχίζει να αποβάλλει την επιπλέον θερµοκρασία που αποθήκευσαν τα υλικά του κατά την διάρκεια της ηµέρας, µε την διαδικασία του φυσικού αερισµού, όλη την διάρκεια της νύχτας Ο φυσικός αερισµός Ο φυσικός αερισµός του εσωτερικού χώρου ενός κτιρίου έχει άµεση επίδραση στην υγεία των ενοίκων, στην θερµική άνεση και στο αίσθηµα ευεξίας τους. ιευκολύνει την ανταλλαγή θερµότητας του ανθρώπινου σώµατος µε το περιβάλλον και παράλληλα συµβάλλει στην φυσική ψύξη των δοµικών στοιχείων της κατασκευής, όταν η εξωτερική θερµοκρασία είναι χαµηλότερη από την εσωτερική. Η κίνηση του αέρα µέσα στο κτίριο δηµιουργείται από 2 βασικές αιτίες: Από την κατεύθυνση του ανέµου και αντίστοιχα από την διαφορά πίεσης του αέρα µέσα στο εσωτερικό του κτιρίου. Από την πλευρά που φυσάει ο άνεµος, οι πλευρές του κτιρίου δέχονται µεγαλύτερες πιέσεις. Από θερµοκρασιακές διαφορές που δηµιουργούνται στις εξωτερικές επιφάνειες του κτιρίου αλλά και στο εσωτερικό του. Η ροή του αέρα µέσα σε ένα κτήριο επιτυγχάνεται, βάση των θερµοκρασιακών 26

28 διαβαθµίσεων, αλλά και λόγω της διαφοράς πιέσεων που προκαλούνται γύρω από ένα κτήριο. Οι παράµετροι που επηρεάζουν τις συνθήκες του φυσικού αερισµού στο εσωτερικό των κτιρίων είναι: Οι εξωτερικές συνθήκες και κυρίως η κατεύθυνση του φυσικού αερισµού στο εσωτερικό των δροσερών ανέµων στην περιοχή. Η θέση και το µέγεθος των ανοιγµάτων Η χρήση του κτιρίου και η δραστηριότητες των ενοίκων Το χρώµα και η υφή των εξωτερικών επιφανειών Η δηµιουργία ρευµάτων αερισµού µέσω της εξάτµισης νερού. Οι εξωτερικές κλιµατικές συνθήκες επηρεάζουν άµεσα τον φυσικό αερισµό, κατά την θερινή περίοδο, ένα κτίριο, µέσω της κατεύθυνσης των δροσερών ανεµών. Σε περιοχές µε µεγάλη εξωτερική θερµοκρασία, το καλοκαίρι, είναι προτιµότερο να γίνεται ο ελάχιστος αερισµός κατά την διάρκεια της ηµέρας, ενώ αντίθετα την νύχτα επιβάλλεται ο φυσικός αερισµός για να αποβάλλεται η επιπλέον θερµοκρασία και να γίνεται ψύξη των υλικών της κατασκευής. Η θέση και το µέγεθος των ανοιγµάτων σε σχέση µε την συνήθη κατεύθυνση του ανέµου σε ένα κτίριο αποτελούν καθοριστικό παράγοντα για τον φυσικό αερισµό στον εσωτερικό χώρο. Γενικά προτιµάται να τοποθετούνται ανοίγµατα σε περισσότερους από έναν τοίχους στο κάθε δωµάτιο, οι οποίοι προτιµάται να είναι και αντιµέτωποι έτσι ώστε να δηµιουργείται άµεσα αερισµός του δωµατίου. Η διάταξη των εσωτερικών τοίχων µπορεί να συµβάλλει στην αλλαγή κατεύθυνσης του ρεύµατος του αέρα µέσα στον χώρο. Το µέγεθος των ανοιγµάτων για την είσοδο και έξοδο του αέρα θα πρέπει να είναι περίπου η ίδια αρκεί όµως η θέση του να µην είναι στο ίδιο επίπεδο. Αναλυτικότερα τα ανοίγµατα εισόδου θα πρέπει να είναι χαµηλά και τα ανοίγµατα εξόδου να είναι ψηλά ή ακόµα και το αντίστροφο έτσι ώστε το να δηµιουργείται ρεύµα αέρα. Έρευνες έχουν δείξει ότι το ιδανικό ύψος είναι 1.5m περίπου πάνω από το δάπεδο του κτιρίου. Η δραστηριότητα των ενοίκων παίζει σηµαντικό ρόλο στον φυσικό αερισµό ενός κτιρίου. Αν για παράδειγµα το κτίριο χρησιµοποιείται για γραφεία, που σηµαίνει ότι συγκεντρώνονται πολλά άτοµα, θα πρέπει ο αέρας να εναλλάσσεται δυο φορές ανά µια ώρα. Ενώ τις βραδινές ώρες η εναλλαγή θα πρέπει να πολλαπλασιάζεται. Ένα άλλο σηµαντικό στοιχείο στον φυσικό αερισµό είναι η ταχύτητα του αέρα όπου θα πρέπει να είναι γύρω στα 1,5 m/sec για να ικανοποιούνται και οι συνθήκες της θερµικής άνεσης στον εσωτερικό χώρο. 27

29 Το χρώµα και η υφή των εξωτερικών επιφανειών έχουν καθοριστικό ρόλο στην ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφάται από τους τοίχους και την οροφή κατά την διάρκεια της ηµέρας καθώς και την αντίστροφη κατάσταση δηλαδή το βράδυ, όπου θα πρέπει να αποβάλλεται η θερµότητα προς την ατµόσφαιρα. Τα σκούρα χρώµατα αυξάνουν την πρόσληψη θερµότητας σε αντίθεση µε τα λευκά και ανοιχτά χρώµατα. Στον χρωµατισµό της εξωτερικής επιφάνειας ενός κτιρίου θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και η προσθήκη θερµοµόνωσης όπου απωθεί τις συνθήκες υπερθέρµανσης σε ζεστά κλίµατα. Τέλος όταν το κτίριο βρίσκεται σε θερµό και ξηρό κλίµα, µια λύση είναι η χρήση τρόπων εξάτµισης νερού, όπου προκαλεί πτώση της θερµοκρασίας στο εσωτερικό. Εάν η διαδικασία αυτή συνδυαστεί µε την κατασκευή ηλιακών καµινάδων τότε η ροή του αέρα επιταχύνεται και ο ζεστός αέρας αποµακρύνεται πιο γρήγορα από τον εσωτερικό χώρο. Το φαινόµενο της καµινάδας µπορεί να αξιοποιηθεί σε ένα κτήριο, µε ανοίγµατα στην κορυφή και στην βάση του. Ο θερµός αέρας ανέρχεται και διαφεύγει προς τα έξω από την κορυφή και ο φρέσκος ψυχρός θα εισέλθει διαµέσου των ανοιγµάτων στη βάση. ύο κύριες µορφές του φαινοµένου της καµινάδας αποτελούν: Ο πύργος αερισµού και η ηλιακή καµινάδα. Η ηλιακή καµινάδα φέρει στη νότια ή νοτιοδυτική επιφάνειά της υαλοπίνακα αντί τοιχοποιίας (εν γένει έναν µικρό ηλιακό τοίχο). Εκµεταλλεύεται τον ήλιο για να θερµάνει την εσωτερική της επιφάνεια. Η λειτουργία της βασίζεται στο φαινόµενο Venturi και συµβάλλει αποτελεσµατικά στον αερισµό και στην αποµάκρυνση της υγρασίας από τους εσωτερικούς χώρους, καθώς µέσω της υψηλής θερµοκρασίας του αέρα που προκύπτει µέσα στην καµινάδα, ενισχύεται σηµαντικά το φαινόµενο του φυσικού ελκυσµού και συνεπώς της ανανέωσης του αέρα µέσα στους χώρους. Ο αέρας µέσα στην καµινάδα θερµαίνεται και ανεβαίνει προς τα πάνω και αντικαθίσταται από αέρα του σπιτιού. Έτσι επιτυγχάνει διαρκή ανανέωση του εσωτερικού αέρα. Συνιστάται σε περιοχές µε υψηλή σχετική υγρασία κατά τη θερινή περίοδο. Τα πλεονεκτήµατα από την χρήση της ηλιακής καµινάδας είναι ότι δεν εξαρτάται από τον άνεµο και έτσι µπορεί να εφαρµοσθεί σε καλοκαιρινές ζεστές, µέρες µε άπνοια, οπότε και χρειάζεται περισσότερο ο αερισµός. Επιπροσθέτως, η κίνηση του αέρα είναι σχετικά σταθερή και ελεγχόµενη σε σχέση µε τις διακυµάνσεις ενός ανέµου. Η λειτουργία της ηλιακής καµινάδας είναι παρόµοια µε τον τοίχο Τrombe, σαν σύλληψη της ιδέας. Η διαφορά είναι ότι ενώ ο τοίχος Τrombe έχει µια θερµική µάζα για να απορροφάει την ηλιακή ενέργεια και ανακυκλοφορεί το θερµό αέρα για επίτευξη παθητικής θέρµανσης, η ηλιακή καµινάδα είναι σχεδιασµένη για να παρέχει αερισµό στο κτήριο κατά τη διάρκεια της ηµέρας. 28

30 3 Παθητικά ηλιακά συστήµατα Στο κέλυφος του κτιρίου γίνονται ανταλλαγές θερµότητας, ανάµεσα στο κτίριο και το εξωτερικό περιβάλλον του. Τα κύρια χαρακτηριστικά στοιχεία τα οποία ρυθµίζουν τη θερµική συµπεριφορά του κτιρίου είναι: Τα γυάλινα ανοίγµατα και ο εξοπλισµός τους, Οι τοίχοι συλλογής και αποθήκευσης θερµότητας, Οι ηλιακοί χώροι. Τα χαρακτηριστικά αυτά στοιχειά του κελύφους, τα οποία έχουν ονοµαστεί «παθητικά ηλιακά συστήµατα», διαδραµατίζουν ένα ρόλο σηµαντικό στην διαδικασία ανταλλαγής θερµότητας και ένα ρόλο «ενεργητικό», µε την έννοια ότι τροφοδοτούν το κτίριο µε πρόσθετη από τον ήλιο θερµότητα. Το κρίσιµο, βέβαια, ζήτηµα είναι αυτή η συνεισφορά θερµότητας να µην επιβαρύνει τον εσωτερικό χώρο την περίοδο του καλοκαιριού. Προϋπόθεση για την ένταξη παθητικών ηλιακών συστηµάτων στο κέλυφος είναι η καταρχήν επιλογή των αρχών που διέπουν τον βιοκλιµατικό σχεδιασµό. Τα συστήµατα αυτά αποτελούν «ήπιες» τεχνικές και τεχνολογίες, στην ουσία κατασκευές ενταγµένες στο κέλυφος, οι οποίες επαυξάνουν τη δυνατότητα απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας ή γενικά συµβάλλουν αποτελεσµατικότερα στην αξιοποίηση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Τα παθητικά ηλιακά συστήµατα ταξινοµούνται σε τρεις µεγάλες κατηγορίες, ανάλογα µε τον τρόπο θερµικής λειτουργίας τους: Τα συστήµατα άµεσου ηλιακού κέρδους, στα οποία ανήκουν τα ανοίγµατα, τα προσανατολισµένα στο νότο. Τα συστήµατα έµµεσου ηλιακού κέρδους, στα οποία ανήκουν οι ηλιακοί τοίχοι, και οι τοίχοι θερµικής αποθήκευσης Και τα συστήµατα αποµονωµένου ηλιακού κέρδους, στα οποία ανήκουν οι ηλιακοί χώροι ή θερµοκήπια, καθώς και τα λεγόµενα «υβριδικά» συστήµατα, στα οποία η συλλέκτρια επιφάνεια διαχωρίζεται από το κτίριο και για την µεταφορά της θερµότητας χρησιµοποιούνται απλά µηχανικά µέσα, όπως ανεµιστήρες [14]. 3.1 Συστήµατα αµέσου ηλιακού κέρδους Στα συστήµατα άµεσου ηλιακού κέρδους το γυάλινο άνοιγµα αποτελεί χαρακτηριστικό στοιχείο του κελύφους, γιατί προσφέρει τη «διαφάνεια», αναγκαίο στοιχείο για την επικοινωνία του εσωτερικού χώρου µε τον έξω. 29