ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ ΜΕ ΦΥΤΕΜΕΝΟ ΩΜΑ

Transcript

1 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ ΜΕ ΦΥΤΕΜΕΝΟ ΩΜΑ Βραχόπουλος Μ. Γρ., Φιλιός Α.Ε., Κωτσιόβελος Γ. Τρ. Τµήµα Τεχνολόγων Μηχανολόγων, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Χαλκίδας, Ψαχνά Ευβοίας, ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το ψυκτικό αποτέλεσµα του φυτεµένου δώµατος ερευνάται µέσω προγράµµατος προσοµοίωσης σε υπολογιστή. Η προσοµοίωση στηρίζεται στην επίλυση της µονοδιάστατης µεταβατικής θερµικής διαχείρισης και ισοδυναµεί σε µια πολυεπίπεδη κάτοψη µε και χωρίς φυτεµένο δώµα (green canopy). Το προτεινόµενο υπολογιστικό µοντέλο κάνοντας χρήση των θερµοκρασιακών µετρήσεων σε µοντέλα πλήρους κλίµακας, υπολογίζει το ψυκτικό φορτίο, όπως επίσης και το ενεργειακό κέρδος για τον τελευταίο όροφο ενός κτιρίου το οποίο είναι καλυµµένο µε φυτεµένο δώµα. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙ ΙΑ Φυτεµένο δώµα, ψυκτικό φορτίο, εξοµοίωση ΕΙΣΑΓΩΓΗ Περιβαλλοντικά προβλήµατα συσχετιζόµενα σε αστικές περιοχές οι οποίες παράγουν µεγάλα ποσά και πολλά είδη αποβλήτων, είναι µερικά από τα πρόσφατα ερευνηθέντα θέµατα. Στις µεγάλες πόλεις, οι οποίες είναι ενεργειακά απαιτητικές µονάδες, ένας φαύλος κύκλος εγκαθίσταται επειδή τα θερµικά απόβλητα από τις κλιµατιστικές µονάδες που χρησιµοποιούνται για να ψύξουν τα κτίρια, ανεβάζουν τη θερµοκρασία της πόλης, η οποία τότε απαιτεί µεγαλύτερα ψυκτικά φορτία για τα κτίρια. υστυχώς, η σχεδόν παγκόσµια τάση στην κατασκευή των κτιρίων, είναι να µην υπάρχει πρόβλεψη φυτεµένου δώµατος. Βασισµένη στη συγκέντρωση του πληθυσµού στις µεγάλες πόλεις, η συνήθης πρακτική για τις νεοδηµιουργούµενες περιοχές, οδηγεί σε µια χαρακτηριστική µείωση του πρασίνου, δηµιουργία ισχυρών ηλιακών αντανακλάσεων, µείωση του παραγόµενου οξυγόνου και κατανάλωση διοξειδίου του άνθρακα. Κύριο χαρακτηριστικό των παραπάνω, είναι η δηµιουργία ενός ασφυκτικού κλίµατος στις µεγάλες πόλεις, κυρίως το καλοκαίρι, µε την αύξηση της θερµοκρασίας και την εµφάνιση του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Είναι γενικά γνωστό ότι µε την εξάτµιση (evapotranspiration) µεγάλες ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας µπορούν να µετατραπούν σε λανθάνον φορτίο, το οποίο εµποδίζει την αύξηση της θερµοκρασίας. Ένας τρόπος για να αυξηθεί η εξατµιζόµενη επιφανειακή περιοχή των µεγάλων πόλεων, είναι να καλυφθούν οι οροφές των κτιρίων µε καλλιεργήσιµο πράσινο. Η πράσινη κάλυψη πάνω από ένα κτίριο έχει ψυκτικό αποτέλεσµα στα περίχωρα και επίσης µειώνει το ψυκτικό φορτίο για το εσωτερικό των κτιρίων. Στη συγκεκριµένη µελέτη ερευνάται η θερµική συµπεριφορά του τελευταίου ορόφου ενός κτιρίου, εξαιτίας της κάλυψής του µε φυτεµένο πράσινο, µε σκοπό να εκτιµηθεί η επίδραση ενός φυτεµένου δώµατος. Έχουν πραγµατοποιηθεί υπολογισµοί για µια συνηθισµένη συµβατική οροφή. Για την προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκαν δηµοσιευµένες µετρήσεις [1,2] για τους δύο τύπους οροφής. Για τον έλεγχο και την επιβεβαίωση των µεγεθών χρησιµοποιήθηκαν οι εργασίες [3-6] στις οποίες όµως δεν γίνεται περαιτέρω επεξεργασία. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια δύο µηνών, Ιουλίου και Σεπτεµβρίου του 1998, στη Θεσσαλονίκη. Οι προκαταρκτικές προσοµοιώσεις χρησιµοποιούσαν για τον κλιµατισµό του κατώτερου χώρου τον καθορισµό των εσωτερικών συνθηκών, οι οποίες είναι T db =26 o C, φ = 50%.

2 Εικ.1 Τοµή του φυτεµένου δώµατος ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Η οροφή ενός κτιρίου µε ή χωρίς φυτεµένο δώµα, µπορεί να θεωρηθεί σαν µια πολυεπίπεδη κάτοψη, στην οποία τα επίπεδα βρίσκονται σε τέλεια θερµική επαφή. Η συνηθισµένη οροφή αποτελείται από επίπεδα τυπικών κατασκευαστικών υλικών, σε αντίθεση µε το φυτεµένο δώµα, στο οποίο υπάρχουν επιπρόσθετα επίπεδα µαζί µε τη φυτεµένη κάλυψη. Το τελευταίο φαίνεται στην εικόνα 1. Η θερµική ισορροπία στην πολυεπίπεδη οροφή περιγράφεται από µια εξίσωση µονοδιάστατης θερµικής ροής T T ρc = k t z z (1) Η επίλυση της παραπάνω εξίσωσης απαιτεί α) την αρχική θερµοκρασία στο πάχος του επιπέδου, η οποία υπολογίζεται σταθερώς και β) η θερµοκρασία στα όρια του χρονικού domain. H ανώτατη και κατώτατη θερµοκρασία σχετίζεται µε την ταχύτητα θερµικής ροής στα αντίστοιχα όρια q& o (t,0) = h o [Τ o (t)-τ(t,0)] + ai(t) - ε R (2) q& (t,l) = k z [T(t,L) - T(t,L+ z)] (3) όπου ho, είναι ο ολικός συντελεστής µετάδοσης θερµότητας µε συναγωγή από επαφή και ακτινοβολία στην ανώτατη και κατώτατη επιφάνεια, I(t), είναι η ολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο στην

3 εξωτερική επιφάνεια του τοίχου που δηλώνει την ηλιακή ακτινοβολία απορρόφησης της ανώτατης επιφάνειας και ε R, είναι ένας διορθωτικός συντελεστής για την ακτινοβολία µεγάλου κύµατος [7]. Για την διατήρηση µιας ταλαντευόµενης κατάστασης και για διάρκεια 24 ωρών, η µέση ταχύτητα της θερµικής ροής για κάθε επίπεδο είναι q& = k L i i [ i T - T i+ 1 ] (4) όπου k ι είναι η θερµική αγωγιµότητα του επιπέδου ι, T ι είναι η µέση θερµοκρασία µεταξύ των επιπέδων ι και ι+1, Tι+1 είναι η µέση θερµοκρασία µεταξύ των επιπέδων ι+1 και ι+2 (Εικ.1) L ι το πάχος του επιπέδου ι (σε m), και q& η µέση ταχύτητα θερµικής ροής (σε W/m 2 ). Η µέση εξωτερική θερµική ροή στην ανώτατη επιφάνεια θα είναι q& = h o [ T o - T os ] (5) όπου T o και T os είναι η µέση εξωτερική θερµοκρασία αέρα και η εξωτερική θερµοκρασία οροφής. Η παρουσία µιας φύτευσης απαιτεί την αντικατάσταση της οριακής κατάστασης που παράγεται από το σχέση (2). Σε αυτή την περίπτωση, η ταχύτητα θερµικής ροής στη φυτεµένη επιφάνεια είναι q& og (t,0) = h og [ T (t)-τ(t,0)] + ai(t) ε R (6) ó όπου T ó (t) είναι η θερµοκρασία του αέρα κάτω από την φυτεµένη επιφάνεια. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Το µοντέλο προσοµοίωσης εφαρµόστηκε σε δύο οροφές, µία συµβατική και µία φυτεµένη, οι οποίες µελετήθηκαν πειραµατικά [1,2] χωρίς καµία πρόβλεψη για κλιµατισµό του τελευταίου ορόφου του κτιρίου. Τα πειραµατικά µελετηµένα µοντέλα εντοπίζονται στην οροφή δύο εντελώς διαφορετικών κτιρίων που έχουν τον ίδιο προσανατολισµό. Τα χαρακτηριστικά της κάθε οροφής, συµπεριλαµβανοµένου των υλικών, του πάχους κάθε επιπέδου και των αντίστοιχων θερµικών χαρακτηριστικών, φαίνονται στο πίνακα 1, όπου δίνονται λεπτοµερείς πληροφορίες για τη διαµόρφωση της πράσινης φύτευσης. Το επίπεδο του εδάφους καλύφθηκε κυρίως µε χλόη και στην περίµετρο µε κισσό για ένα πιο παχύ στρώµα φύτευσης.

4 Η εκτίµηση της θερµικής ροής και στα δύο πειραµατικά µοντέλα πραγµατοποιήθηκε τοποθετώντας οριακές συνθήκες στο µοντέλο προσοµοίωσης. Στο πειραµατικό τεστ δεν υπήρχε πρόβλεψη για κλιµατισµό του υποκείµενου ορόφου. Στην προσοµοίωση αναπτύχθηκαν οι συνθήκες πρόβλεψης για τον κλιµατισµό του υποκείµενου ορόφου ορίζοντας T db = 26 o C για την εσωτερική θερµοκρασία και φ= 50% για τη σχετική υγρασία. Οι τιµές για το συντελεστή µετάδοσης θερµότητας µε συναγωγή ενσωµατωµένες σε εξισώσεις (5) και (6) για τις δύο εξετασθείσες οροφές είναι h o = 44,04 W/m 2 K και h og = 1,35 W/m 2 K. Οι πραγµατοποιηµένες θερµικές µετρήσεις επέτρεψαν τον υπολογισµό των ταχυτήτων θερµικής ροής q& o (t,0) και q& og (t,0) στη ανώτερη και κατώτερη επιφάνεια των δύο οροφών. Το µέσο θερµοκρασιακό προφίλ για ένα θερινό µήνα φαίνεται στο διάγραµµα 2. Τα θερµοκρασιακά δείγµατα στη ανώτερη επιφάνεια του συνηθισµένου και του φυτεµένου δώµατος κατ εκτίµηση φαίνονται σε σχέση µε την αντίστοιχη εξωτερική θερµοκρασία. Πίνακας 1: Eπίπεδα και θερµικές ιδιότητες για το συµβατικό και το φυτεµένο δώµα. Συµβατικό δώµα Φυτεµένο δώµα ΣΤΡΩΜΑΤΩΣΗ L (m) k L/k k L/k (W/mK) (m 2 L (m) K/W) (W/mK) (m 2 K/W) 1 Χώµα ,120 1,160 0,103 2 Στρώµα άµµου για φιλτράρισµα ,003 0,300 0,010 3 Ελαφρόπετρα ,060 0,500 0,120 4 Άσφαλτοπανο ,004 0,190 0,021 5 Ασφαλτοφυλλο 0,007 0,190 0,037 0,007 0,190 0,037 6 Ελαφροπετόν 0,050 1,100 0,045 0,050 1,100 0,045 7 Μόνωση 0,050 0,041 1,220 0,050 0,041 1,220 8 Μπετόν 0,150 2,030 0,074 0,150 2,030 0,074 9 Σοβάς 0,015 0,870 0,017 0,015 0,870 0,017 Ηµερήσια θερµοκρασία Θερµοκρασία (oc) Series1 Series2 Series ιάγραµµα 2 Series 1: Θερµοκρασία αέρα περιβάλλοντος Series 2: Θερµοκρασία οροφής συµβατικού δώµατος Series 3: Θερµοκρασία οροφής φυτεµένου δώµατος Από τις υπολογισµένες ταχύτητες θερµικής ροής εκτιµήθηκαν οι µέσες ηµερήσιες ταχύτητες θερµικής ροής q o q og. Στο διάγραµµα 3 φαίνονται οι προσοµοιωµένες θερµικές ροές για το συµβατικό και το φυτεµένο δώµα. Οι υπολογισµένες τιµές επιβεβαιώνουν ότι η θερµική ροή για την επιφάνεια του µπετόν είναι κυρίως από το εξωτερικό προς το εσωτερικό, σε αντίθεση µε την επιφάνεια του εδάφους όπου το αρνητικό πρόσηµο στη θερµική ροή υποδηλώνει ότι αυτή πραγµατοποιείται πάντα από το εσωτερικό προς το εξωτερικό.

5 Θερµορροή W/m Θερικό κέρδος Series1 Series ιάγραµµα 3 Series 1: Θερµική ροή για το συµβατικό δώµα. Series 2: Θερµική ροή για το φυτεµένο δώµα. Οι απαιτήσεις του υποκείµενου ορόφου για κλιµατισµό τροποποιούν την καµπύλη της θερµικής ροής όπως φαίνεται στο διάγραµµα 4. Οι διαφορές στις ταχύτητες θερµικής ροής και στα δύο εξεταζόµενα παραδείγµατα, δίνουν µια εικόνα των πιθανών κερδών µε τους όρους της εξοικονόµησης ενέργειας. Αναπτυσσόµενο Θερµικό κέρδος σε κλιµατισµένο δώµα µε θερµοκρασία Tdb=26oC Series1 Series2 Θερµορροή (Watt) ιάγραµµα 4 Series 1: Θερµική ροή για το συµβατικό δώµα. Series 2: Θερµική ροή για το φυτεµένο δώµα. Η εξοικονόµηση ενέργειας οφείλεται στην µείωση του ψυκτικού φορτίου του υποκείµενου ορόφου εξαιτίας των θερµικών κερδών από την πράσινη φύτευση. Στα διαγράµµατα 5 και 6 φαίνεται το υπολογιζόµενο ποσοστό της ενεργειακής εξοικονόµησης λόγω της µείωσης του ψυκτικού φορτίου που προκαλεί το φυτεµένο δώµα. Από το διάγραµµα 5 προκύπτει ότι το ηµερήσιο ενεργειακό κέρδος από την µείωση του ψυκτικού φορτίου στον µη κλιµατιζόµενο υποκείµενο όροφο, είναι τουλάχιστον 50%. Ο απαιτούµενος κλιµατισµός όµως για τον χώρο αυτό, σίγουρα µειώνει τα προσδοκούµενα ενεργειακά κέρδη στο 22% (ελάχιστο) έως 35% (µέγιστο), όπως φαίνεται στο διάγραµµα 6.

6 Εξοικονόµηση ενέργειας λόγω φυτεµένου δώµατος στον κλιµατισµένο όροφο Ποσοστό Εξοικονόµησης Ενέργειας. (%) Εξοικονόµηση ενέργειας λόγω φυτεµένου δώµατος από τα φορτία οροφής Ποσοστό Εξοικονόµησης Ενέργειας (%) ιάγραµµα 5 ιάγραµµα 6 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εφαρµογή της ιδέας του φυτεµένου δώµατος σε ευρεία κλίµακα, εξυπηρετεί την βελτίωση της αποπνικτικής ατµόσφαιρας, λειτουργώντας σαν βάση για την µείωση του διοξειδίου του άνθρακα µε αντίστοιχη παραγωγή οξυγόνου. Παράλληλα εξαιτίας της ενεργειακής απορρόφησης µε την παραπάνω διαδικασία και την δηµιουργία υδρατµών µειώνεται κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού η θερµοκρασία στην περιοχή της φύτευσης. Η διαρκής ηλιακή ακτινοβολία και η αύξηση της µέσης θερµοκρασίας περιβάλλοντος, είναι οι κύριες αιτίες της µεγάλης ζήτησης για ψυκτικά φορτία κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, αφού παρουσιάζεται έντονη διείσδυση από την οροφή των κτιρίων. Σε αντίθεση η δηµιουργία πράσινων οροφών επηρεάζει σηµαντικά την µείωση των φορτίων αυτών και κυρίως τις ώρες αιχµής, µε αποτέλεσµα η εξοικονόµηση να φτάσει στο 30-35% των φορτίων της οροφής του τελευταίου ορόφου. Μετά την παραµετρική µελέτη βγαίνει το συµπέρασµα ότι πέρα από αισθητική, περιβαλλοντική και οποιαδήποτε άλλη θετική επίδραση, η τοποθέτηση φυτεµένου δώµατος είναι επίσης σηµαντική λόγω της εξοικονόµησης ενέργειας που οφείλεται κυρίως στην µείωση των καλοκαιρινών περιβαλλοντικών φορτίων. Η εξοικονόµηση ενέργειας προσδιορίζεται περίπου στο 30-35% των φορτίων της οροφής και κατά ένα µέσο ποσοστό 20-25% των φορτίων του εδάφους. Χαρακτηριστικά των παραπάνω είναι ότι η µείωση τις ώρες αιχµής φτάνει το %, που σηµαίνει επιπρόσθετο δευτερεύον κέρδος στην ευρεία παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας µε σκοπό την εξυπηρέτηση των αναγκών των πόλεων. Αυτή η γνώση οδηγεί στην διατύπωση της αναγκαιότητας για την επέκταση τέτοιου είδους εγκαταστάσεων στις µεγάλες πόλεις αφού προσφέρουν λογικά ενεργειακά και περιβαλλοντικά κέρδη. Το να σχεδιάζεις φυτεµένο δώµα για τη µείωση της θερµικής ροής κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, υποδηλώνει την επιλογή φυτών µε µεγάλη ικανότητα για την ανάπτυξη φυλλώµατος έτσι ώστε να διασφαλίζεται ελάχιστη µετάδοση ακτινοβολίας. Επιπλέον υποδηλώνει την επιλογή ελαφρού χώµατος που µειώνει την θερµική αγωγιµότητα καθώς επίσης και το βάρος.

7 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Theodosiou, Th., Amiras, P., and Economidis, Gr., 1999, "The contribution of the planted roof to the cooling of a building", Proc. of the National Renewable Energy Congress VI, Vol. A, 3-5 November, Volos, Hellas, pp [2] Evmorfopoulou, E., Kalaitzidou, N., and Tourtoura, D., 1999, "The influence of the different types of planted roofs in the thermal behavior of a building", Proc. of the National Renewable Energy Congress VI, Vol. A, 3-5 November, Volos, Hellas, pp [3] Harazono, Y., and Ikeda, H., 1990, "The effect on an indoor thermal environment with simple hydroponic cultivation on rooftops", J. Agric. Met. Jpn 46, pp [4] Ishihara, O., and Chou, S., 1992, "Experimental study on environmentally lightening effect of soil and lawn vegetation on the roof", Proc. of Annual Meeting of Japanese Society of Solar Energy, pp [5] Meier, A.K., 1990, "Measured cooling savings from vegetative landscaping", Proc. American Council for an Energy-Efficient Economy, Environment 4, pp [6] Meier, A.K., 1991, "Strategic landscaping and air-conditioning savings: literature review", Energy and Buildings 15 16, pp [7] ASHRAE Fundamentals, 1985, American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers. ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ a : Παράγοντας απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας c : Ειδική θερµότητα σε J/kgK. h o : Συντελεστής µετάδοσης θερµότητας µε συναγωγή σε W/m 2 K. I(t) :Ολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο σε W/m 2. Κ : Συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας σε W/m 2 K. Τdb : Θερµοκρασία ξηρού θερµοµέτρου σε o C ή K. To(t) : Εξωτερική θερµοκρασία σε o C ή K. Τ(t,0) :Θερµοκρασία επιφανείας επιπέδου σε o C ή K. Τ(t,L) : Θερµοκρασία επιπέδων οροφής σε o C ή K. ε R : ιορθωτικός συντελεστής για µεγάλου µήκους κύµατος ακτινοβολία ρ : Πυκνότητα σε kg/m 3. φ : Σχετική υγρασία %.