ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΑΙΘΟΥΣΑΣ ΤΟΚΕΤΩΝ ΧΟΙΡΟΣΤΑΣΙΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝIKH ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ TAMBAKIΔΗ ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ Πτυχιούχου Γεωπόνου, Διπλωματούχου Μεταπτυχιακών Σπουδών ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΑΙΘΟΥΣΑΣ ΤΟΚΕΤΩΝ ΧΟΙΡΟΣΤΑΣΙΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008

2 TAMBAKIΔΗ ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΑΙΘΟΥΣΑΣ ΤΟΚΕΤΩΝ ΧΟΙΡΟΣΤΑΣΙΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Γεωπονίας Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών, Ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 1 Απριλίου 2008 ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Καθηγητής, Γεράσιμος Μαρτζόπουλος, Επιβλέπων Καθηγήτρια, Χρυσούλα Νικήτα-Μαρτζοπούλου, μέλος συμβουλευτικής επιτροπής Επικ. Καθηγήτρια, Κλειώ Αξαρλή-Αντωνίου, μέλος συμβουλευτικής επιτροπής Καθηγητής, Κωνσταντίνος Τσατσαρέλης, Εξεταστής Καθηγητής, Δημήτριος Ντότας, Εξεταστής Αν. Καθηγητής, Γεώργιος Παπαδάκης, Εξεταστής Επ. Καθηγητής, Σταύρος Βουγιούκας, Εξεταστής

3 Ταμβακίδης Στέλιος Α.Π.Θ. Ανάπτυξη και Αξιολόγηση Υβριδικού Ηλιακού Συστήματος Θέρμανσης Αίθουσας Τοκετών Χοιροστασίων ISBN «Η έγκριση της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Γεωπονίας του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ...4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ...7 SUMMARY ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΣΤΟΝ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΤΟΜΕΑ ΚΑΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Κατανάλωση ενέργειας στον κτιριακό τοµέα Η πολιτική της Ευρωπαϊκής Ένωσης της Ελλάδας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Τεχνολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας Η Οδηγία 2001/77/EΕ Εισαγωγή στον ενεργειακό σχεδιασμό Ιστορική αναδρομή ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Προσανατολισμός Θέση Σχήμα Χρώμα και υφή Εσωτερική διάταξη Μείωση θερμικών απωλειών Θερμοχωρητικότητα δομικών στοιχείων Ηλιοπροστασία Αερισμός ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Γενικά Άμεσο ηλιακό κέρδος Τοίχος θερμικής αποθήκευσης Ηλιακά συστήματα θέρμανσης ρευστών ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΤΟΥ ΧΟΙΡΟΥ Γενικά Περιβάλλον Χοιροστασίων Θερμοκρασία Περιβάλλοντος Χοιρομητέρων Θερμορυθμιστική ικανότητα χοιριδίων Παραγωγή θερμότητας Κελιά τοκετού ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΝΕΡΟΥ ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Θέρμανση αίθουσας τοκετών χοιροστασίου με Ηλιακή Ενέργεια Ενδοδαπέδια θέρμανση αίθουσας τοκετών χοιροστασίου με Ηλιακή Ενέργεια ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ ΜΕ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΙΧΟΥ TROMBE Παθητική ηλιακή τεχνολογία θέρμανσης κτηνοτροφικών κτιρίων με τοίχο Trombe και επίπεδους ανακλαστήρες

5 2.2.2 Ηλιακοί συλλέκτες αέρα και αποθήκη θερμότητας με υγρό μέσο για θέρμανση κτηνοτροφικών κτιρίων Ηλιακή τεχνολογία θέρμανσης χοιροστασίων με φυσικό και δυναμικό αερισμό ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Θέρμανση κτηνοτροφικών κτιρίων με ηλιακή ενέργεια και ζωική θερμότητα Ηλιακός συλλέκτης για προθέρμανση του αέρα του συστήματος εξαερισμού σε πτηνοτροφείο Θέρμανση χοιροστασίου με ηλιακό σύστημα SEI TES Κινέζικο ηλιακό σύστημα θέρμανσης πτηνοστασίου ΣΥΣΤΗΜΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΑΙΘΟΥΣΑΣ ΤΟΚΕΤΩΝ ΧΟΙΡΟΣΤΑΣΙΟΥ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΘΕΡΜΑΙΝΟΜΕΝΑ ΣΤΡΩΜΑΤΑ (HEAT MATS) ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ Υλικά κατασκευής της πειραµατικής διάταξης Περιγραφή της κυψέλης (Test Shell)...80 Εισαγωγή...80 Περιβάλλων Χώρος...80 Κατασκευαστικές λεπτομέρειες...81 Εξωτερική μορφή...81 Εσωτερικοί χώροι...85 Κυψέλη Α...85 Κυψέλη Β...85 Τρόπος κατασκευής...86 Εξωτερικοί τοίχοι...87 Οροφή...88 Δάπεδο...89 Τοίχος Μάζας (Κυψέλη Α)...90 Πόρτες εισόδου...92 Βορινά ανοίγματα...93 Νυχτερινή μόνωση Περιγραφή του υβριδικού ηλιακού συστήματος - Λειτουργία της πειραµατικής διάταξης...94 Α. Κύκλωμα επίπεδου ηλιακού συλλέκτη...97 Β. Κύκλωμα αυτοσχέδιου ηλιακού απορροφητή...99 Γ. Κύκλωμα Δεξαμενών Αποθήκευσης - Pad ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΥΨΕΛΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ (DATA LOGGER) Γενικά Αισθητήρια Καταγραφικό σύστημα (Data Logger DL2) Ηλεκτρονικός υπολογιστής ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ PAD Υπολογισμός της ισχύος του Pad

6 4.4.2 Υπολογισμός διαστάσεων του Συλλέκτη ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΟΙΧΟΥ ΜΑΖΑΣ ΣΤΟ ΘΕΡΜΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΚΛΙΜΑΤΙΚΟ ΑΡΧΕΙΟ Δεδομένα τόπου Ορισμοί, μέτρηση και μονάδες Δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας Πηγή μετεωρολογικών δεδομένων Ηλεκτρονική δομή (Format) Διαδικασία δημιουργίας του κλιματικού αρχείου ΜΟΝΤΈΛΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΘΑΡΗ ΠΑΡΟΥΣΑ ΑΞΙΑ (NET PRESENT VALUE, NPV) ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ (INTERNAL RATE OF RETURN, IRR) EΝΤΟΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΑΠΟΠΛΗΡΩΜΗΣ (DISCOUNTED PAY BACK PERIOD, DPB) ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛOΓΗΣΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΓΕΝΙΚΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΤΟΥ PAD ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΤΟΥ PAD ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΣΧΕΔΙΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΙΧΟΥ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΟΥ ΣΤΗΝ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΙΘΟΥΣΑΣ ΤΟΚΕΤΩΝ ΤΟΥ ΧΟΙΡΟΣΤΑΣΙΟΥ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ 3

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εξοικονόμηση ενέργειας έχει δύο διαστάσεις, την οικονομική και την περιβαλλοντική. Η οικονομική συνδέεται κυρίως με το γεγονός ότι η ενέργεια δεν αποθηκεύεται, δεν είναι απεριόριστη και κοστίζει ακριβά. Ο περιβαλλοντικός σκοπός συνδέεται με την ανάγκη της μείωσης στην εκπομπή ρύπων, αναβαθμίζοντας έτσι τόσο το περιβάλλον όσο και το βιοτικό επίπεδο της σημερινής ζωής αλλά και των επόμενων γενιών. Η πρόσφατη κρίση στην αγορά του πετρελαίου για πολλοστή φορά ήρθε να επιβεβαιώσει την ανάγκη να βρεθούν νέες μορφές ενέργειας φιλικές προς το περιβάλλον, οι οποίες να είναι ανεξάντλητες ανανεώσιμες και ικανές να καλύψουν σε μεγάλο ποσοστό τις ενεργειακές ανάγκες. Η ολοένα αυξανόμενη ζήτηση ενέργειας από αναπτυσσόμενες χώρες σε συνδυασμό με τη μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων οδηγεί σε αύξηση της αγοραίας τιμής του αργού πετρελαίου. Ανεξάρτητα από τα παραπάνω, στον κτιριακό τομέα η εξοικονόμηση ενέργειας με ορθό ενεργειακό σχεδιασμό και η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας με απλές κατασκευές αποτελούν ήδη ουσιαστικούς παράγοντες οικονομοτεχνικής αξιολόγησης της αρχιτεκτονικής και γενικότερα, της τεχνολογικής λύσης που δίνεται σε κάθε κτίριο. Ο ενεργειακός σχεδιασμός προσαρμόζει το κτίριο στα κλιματολογικά δεδομένα της περιοχής χρησιμοποιώντας κυρίως σε ανάλογο κάθε φορά βαθμό την θερμομόνωση των δομικών στοιχείων του κελύφους του κτιρίου, τον ηλιασμό και την ηλιοπροστασία των ανοιγμάτων του, τη θερμοχωρητικότητα των δομικών του στοιχείων και τέλος την προστασία από τον άνεμο ή την εκμετάλλευση του. Με την προσαρμογή αυτή εξασφαλίζεται άνετο θερμικά εσώκλιμα με ασήμαντη συμμετοχή του ενεργοβόρου μηχανολογικού εξοπλισμού. Η ηλιακή ενέργεια είναι απεριόριστη σε παροχή, πρακτικά ανεξάντλητη, με μηδενικό κόστος μεταφοράς, με σχετικά ελάχιστο κόστος λειτουργίας για την μετατροπή της σε εκμεταλλεύσιμη μορφή και δε μολύνει το περιβάλλον. Μειονέκτημα της είναι ότι τόσο για την συγκέντρωσή της σε αξιόλογη ποσότητα ενέργειας όσο και για την αποθήκευσή της, όταν χρειάζεται, απαιτούνται δαπανηρές εγκαταστάσεις. Η ηλιακή 4

8 ενέργεια, σαν εναλλακτική πηγή ενέργειας, χρησιμοποιείται ήδη σε διάφορους τομείς της οικονομίας. Η συνολική ισχύς της στην επιφάνεια της γης υπολογίζεται σε Tw. Το ποσό αυτό είναι πάνω από φορές μεγαλύτερο από ότι η σημερινή παγκόσμια κατανάλωση. Η άμεση χρήση της ηλιακής ενέργειας, ως πρωτογενούς μορφής ενέργειας, δυσχεραίνεται για τους παρακάτω λόγους: Έχει μικρή ένταση Οι ανάγκες σε ενέργεια παρουσιάζονται και όταν η ακτινοβολία είναι ελάχιστη ή ανύπαρκτη, πχ σε περιοχές με μικρή ηλιοφάνεια ή κατά τη διάρκεια της νύχτας, με αποτέλεσμα να καθίσταται επιτακτική η αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας Το 60% περίπου της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στη γεωργία αντιπροσωπεύει η άμεση κατανάλωση, ενώ το υπόλοιπο η έμμεση (μέσω λιπασμάτων, φυτοφαρμάκων κ.λ.π.). Οι ενεργειακές ανάγκες της ελληνικής κτηνοτροφίας επικεντρώνονται σε ανάγκες θέρμανσης του περιβάλλοντος των ζώων, θέρμανσης νερού για την παρασκευή της τροφής ή τον καθαρισμό κατά τη διαδικασία της άμελξης, λειτουργίας του μηχανολογικού εξοπλισμού (ανεμιστήρες, αμελκτήρια, τροφοδοσία ζωοτροφών, απομάκρυνση και επεξεργασία κόπρου κ.α.). Ειδικότερα στα χοιροστάσια απαιτείται σε όλη την διάρκεια του χρόνου και για όλες τις κλιματικές ζώνες της χώρας, τοπική θέρμανση για τα νεογέννητα χοιρίδια για διάστημα 30 ημερών τουλάχιστον. Οι ανωτέρω λόγοι έχουν οδηγήσει τις χώρες, εντός και εκτός Ε.Ε., να εντείνουν και να συστηματοποιήσουν τις προσπάθειές τους για την έρευνα των δυνατοτήτων αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας για γεωργικές χρήσεις, μέσω καταλλήλων ηλιακών, παθητικών και υβριδικών, τεχνολογιών. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε μια νέα μέθοδος θέρμανσης χοιροστασίων και ειδικότερα της αίθουσας τοκετών με τη χρήση ενός υβριδικού ηλιακού συστήματος. Στην πειραματική διάταξη χρησιμοποιείται ένα ενεργειακό Test Shell με Τοίχο Μάζας προκειμένου να καλυφθούν οι θερμικές ανάγκες των χοιρομητέρων ενώ για τα νεογνά δημιουργήθηκε ειδικό σχαρωτό δάπεδο με ενσωματωμένους σωλήνες που θερμαίνονται με νερό με τη χρήση συστημάτων ηλιακών συλλεκτών και αποθήκευσης του θερμού νερού. Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Γ. Μαρτζόπουλου, τον οποίο ευχαριστώ θερμά για την αµέριστη συμπαράστασή του και 5

9 την καθοδήγησή του καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Ακόµη τον ευχαριστώ θερµά για τη βοήθεια που µου προσέφερε κάθε φορά που παρουσιάζονταν δυσκολίες και βέβαια για τη διόρθωση του παρόντος κειµένου. Ευχαριστώ, επίσης, θερµά την Επ. Καθηγήτρια κα. Κλ. Αξαρλή - Αντωνίου για τη βοήθεια που µου παρείχε κατά τη διάρκεια της παρούσας εργασίας, τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και κατά την εφαρµογή των πειραµατικών τεχνικών. Θερµές ευχαριστίες οφείλονται και στην Καθηγήτρια κα Χρ. Νικήτα-Μαρτζοπούλου για τις εποικοδοµητικές συµβουλές της και για τη μελέτη και διόρθωση της διδακτορικής διατριβής. Ευχαριστώ, επίσης, τον κ. Κουκλίδη Χαράλαμπο, Μηχανολόγο Μηχανικό για τη βοήθεια που µου προσέφερε στο σχεδιασμό του πειράματος και την παραχώρηση αναγκαίου εξοπλισμού για την καταγραφή των μετρήσεων, καθώς και την εταιρεία Technotherm για την δωρεά μέρους του πειραματικού εξοπλισμού. Ευχαριστώ και την Υπηρεσία μου (Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας) μου για τη χορήγηση της εκπαιδευτικής άδειας προκειμένου να αφιερωθώ απερίσπαστα στο ερευνητικό μου έργο. Για την οικονοµική στήριξη που µου παρείχε κατά την εκπόνηση της διδακτορικής µου διατριβής, οφείλω να ευχαριστήσω το Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών (Ι.Κ.Υ.). Τέλος, ως ελάχιστο δείγµα ευχαριστίας για τις θυσίες τους, το παρόν σύγγραµµα αφιερώνεται στους γονείς µου Περικλή και Πασχαλίνα, στη σύζυγο µου και στην κόρη μου. 6

10 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η χρήση των ηλιακών συστημάτων για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης χοιροτροφικών μονάδων. Ειδικότερα εξετάστηκε η συνδυασμένη χρήση δύο ηλιακών συστημάτων ενός τοίχου μάζας και ενός συστήματος ηλιακών συλλεκτών και αποθήκευσης του θερμού νερού, για τη θέρμανση ενός κελιού τοκετού σε χοιροστάσιο. Στην πειραματική διάταξη χρησιμοποιήθηκε ένα ενεργειακό Test Shell, ενώ όλες οι μετρήσεις έγιναν χωρίς την παρουσία ζώων. Η θέρμανση των χοιροστασίων και ειδικότερα των αιθουσών τοκετού παρουσιάζει την ιδιομορφία της δημιουργίας μικροκλίματος του χώρου ανάπαυσης των νεογνών σε ότι αφορά τη θέρμανση. Οι χοίροι είναι ομοιόθερμα ζώα και προσπαθούν να διατηρήσουν τη θερμοκρασία του σώματός τους σταθερή στους 39 C. H optimum θερμοκρασία που απαιτείται για τα νεογνά είναι C και ελαττώνεται κατά 1 C κάθε μέρα μέχρι και τους 25, C. Αντίθετα η χοιρομητέρα που παραμένει στο ίδιο κελί τοκετού απαιτεί θερμοκρασία περιβάλλοντος C. Στην πειραματική διάταξη χρησιμοποιείται ένα ενεργειακό Test Shell με Τοίχο Μάζας προκειμένου να καλυφθούν οι θερμικές ανάγκες των χοιρομητέρων ενώ για τα νεογνά δημιουργήθηκε ειδικό σχαρωτό δάπεδο με ενσωματωμένους σωλήνες. Τα νεογέννητα χοιρίδια καταφεύγουν στο θερμαινόμενο δάπεδο (καταφύγιο) για να αναπαυθούν. Το νερό, ως μέσο μεταφοράς θερμότητας, ανακυκλοφορεί σε συνδυασμένο κύκλωμα βεβιασμένης κυκλοφορίας, αποτελούμενο από το σχαρωτό δάπεδο, έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη, ένα αυτοσχέδιο σωληνωτό ηλιακό απορροφητή που έχει τοποθετηθεί στο διάκενο του Τοίχου Μάζας και μία δεξαμενή αποθήκευσης του θερμαντικού μέσου. Τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής οδήγησαν στην διαστασιολόγηση και την επιλογή των υλικών των συλλεκτών και του θερμαινόμενου σχαρωτού δαπέδου καθώς και την επιλογή της χωρητικότητας της δεξαμενής αποθήκευσης. Η χρονική διάρκεια των μετρήσεων ήταν 13 συνεχόμενοι μήνες. 7

11 Σε όλες τις περιόδους μελετήθηκε η ενεργειακή συνεισφορά από κοινού αλλά και χωριστά τόσο του τοίχου μάζας όσο και των ηλιακών συστημάτων του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη και του αυτοσχέδιου σωληνωτού ηλιακού απορροφητή. Η κατανάλωση της συμπληρωματικής ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή θερμού νερού μετρήθηκε από αναλυτή ηλεκτρικής ενέργειας. Μπροστά από τον τοίχο μάζας και τον αυτοσχέδιο συλλέκτη και σε γωνία 90 τοποθετήθηκε - για να αξιολογηθεί η συνεισφορά του (κέρδος)- ανακλαστήρας λευκού χρώματος που εναλλάσσονταν με έναν αλουμινίου. Οι υπολογισμοί για τη θερμική συνεισφορά του συστήματος έγιναν με το Visual DOE, το οποίο είναι ένα πρόγραμμα θερμικής προσομοίωσης, που επιτρέπει σε μελετητές, να υπολογίσουν αναλυτικά, θερμικά φορτία θέρμανσης ψύξης, τις θερμοκρασίες των υπό μελέτη χώρων και την κατανάλωση ενέργειας (ρεύμα, υγρά αέρια καύσιμα), σε διάφορες εναλλακτικές προτάσεις σχεδιασμού και λειτουργίας ενός κτιρίου. Κατά τη φάση λειτουργίας του συστήματος, από τα αποτελέσματα που επεξεργαστήκαμε, προκύπτουν τα ακόλουθα: Η κατανάλωση (συμπληρωματικής) ηλεκτρικής ενέργειας με το προτεινόμενο σύστημα είναι πολύ μικρότερη συγκρινόμενη με τους ηλεκτρικούς αναθρεπτήρες των 250W, και μειώνεται περισσότερο ανάλογα με την ηλικία των ζώων, λόγω κατανάλωσης του ρεύματος. Η ενδοδαπέδια θέρμανση πλεονεκτεί της συμβατικής με λάμπα υπέρυθρης ακτινοβολίας επειδή παρουσιάζει μικρότερες διακυμάνσεις καθώς επηρεάζεται λιγότερο από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος Η προτεινόμενη ορθογωνική διάταξη του δαπέδου αναμένεται να προσφέρει πιο άνετο καταφύγιο για τα χοιρίδια, λόγω του σχήματος, σε σχέση με το κυκλικό γύρω από την λάμπα, όπως ορίζεται νοητά από τις ισόθερμες, για την δημιουργία «ζώνης άνεσης» Η ρύθμιση της θερμοκρασίας του δαπέδου με το προτεινόμενο σύστημα είναι εύκολη και ακριβής σε αντίθεση με τους συμβατικούς τρόπους όπου η ρύθμιση γίνεται κατ εκτίμηση και εξαρτάται από την απόσταση της λάμπας από το δάπεδο και τη θερμοκρασία του χώρου 8

12 Η κατανάλωση ενέργειας με το προτεινόμενο σύστημα είναι μικρότερη από αυτή με τους ηλεκτρικούς αναθρεπτήρες (20 25%) και μπορεί να μειωθεί περίπου 10% περισσότερο με τη χρήση ανακλαστήρων. Επιπλέον, κάθε μείωση της θερμοκρασίας, ανάλογα με την ηλικία των χοιριδίων προϋποθέτει και μείωση της κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας, γεγονός που δε συμβαίνει με τις λάμπες που έχουν σταθερή κατανάλωση. 9

13 ARISTOTLE UNIVERSITY OF THESSALONIKI SCHOOL OF AGRICULTURE DEPARTMENT OF HYDRAULICS, SOIL SCIENCE AND AGRICULTURAL ENGINEERING DEVELOPMENT AND EVALUATION OF SOLAR HEATING SYSTEM OF THE SWINE NURSERIES Ph.D Thesis By Stelios P. Tamvakidis SUMMARY The aim of this research project was to develop a new method of heating of pig houses and more specifically the swine nurseries with the use of Solar Heating Systems. In the proposed method a Test Shell with Solar Mass Wall, is used to service the heating needs of nursing sows while for the nurslings was created a special flooring (pad) with embodied heated pipes, throw a system of solar collectors and heating storage tank. The structural elements of this system are a solar mass wall, a specially designed heated flooring (shelter), a solar absorber, a solar collector, a heating storage tank and a heating supply tank. These elements are combined together using appropriate fluid circuits and digital controllers. The system provides a suitable environment for the nursling shelter as well as to the nursing sow through the solar mass wall. The system is composed of two main circuits. The first one includes the solar units and the storage (heating) tank (Circuit A) and the second one contains the supply (after-heating) tank and the pad (Circuit B). The first days are the most critical in a piglet s life. Up to 80% of piglet losses occur in the first 3 days of life and the majority of deaths are attributed to crushing. To reduce piglet losses by crushing by the sow the nest area must be warm. However, 10

14 because of economic and hygienic disadvantages, straw is becoming less and the modern practice is to use either electric or gas infrared heaters, or underground heaters with solid plates. In the first 10 days of life, the young piglets require temperatures of at least O C in the nest. Infrared heaters with IR-emitter have the highest temperature on the surface directly under the centre of the radiator, and outwards from the centre the temperature drops. An underground heater (warm water heat source) has a homogeneous surface temperature, therefore every piglet of the litter gets the same temperature in the nest area. The flooring in farrowing pens must satisfy a wide variety of criteria. The floor must be durable and easily to clean. The aim of this investigation was to test a new heating system for young piglets and to compare it with the conventional electric heating lamps and the warm water bed. This system incorporates all the benefits of the floor heating systems. In addition the controlled distribution of the solar energy, not only reduces the consumption of the electric energy to the 20-25% of the consumption of the conventional system with infrared lamps, but also provides the specific thermal environment for the weaned piglets as well as to the nursing sown. Using a control system, the fluid temperature is kept close to the desired optimal temperature, in contrast with the conventional halogen and incandescent infrared lamps where the heating is regulated by the distance between the lamp and the piglets. Furthermore, the optimal temperature is regulated to decrease one degree centigrade per day and this means that the electric consumption is decreased as well. 11

15 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΣΤΟΝ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΤΟΜΕΑ ΚΑΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Κατανάλωση ενέργειας στον κτιριακό τοµέα Στην Ε.Ε. ο κτιριακός τοµέας (τα νοικοκυριά και ο τριτογενής τοµέας) αντιπροσωπεύει το σημαντικότερο τοµέα κατανάλωσης της τελικής ενέργειας σε απόλυτες τιµές (40%). Έχει καταγραφεί ότι η θέρμανση των κτιρίων κατέχει σηµαντικό µέρος των συνολικών ενεργειακών καταναλώσεών τους (69%) ακολουθούµενη από την παραγωγή ζεστού νερού (15%), τις ηλεκτρικές συσκευές και το φωτισµό (11%). Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι στις Ευρωπαϊκές Βόρειες χώρες όπως η Φινλανδία και η ανία, όπου οι δριµείς χειµώνες είναι µεγάλης διάρκειας, η θέρµανση κατοικιών ανέρχεται στα 1,5 ΤΙΠ/κατοικία (1997), ενώ στην Ελλάδα το αντίστοιχο ποσό είναι 0,9 ΤΙΠ/κατοικία. Η µέση κατανάλωση ενέργειας/κατοικία για θέρµανση έχει ελαφρά µειωθεί στην Ε.Ε. από το 1990, ενώ η θεωρητική ειδική κατανάλωση των νέων κατοικιών στην Ε.Ε. είναι κατά 22% µικρότερη από το Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τόσο οι κατοικίες με την επιβαλλόμενη μόνωση, όσο και οι ηλεκτρικές συσκευές είναι πιο ενεργειακά αποδοτικές, αν και οι απαιτήσεις σε άνεση είναι αυξημένες. Επί πλέον, υπάρχουν αυστηρότερα κριτήρια ενεργειακής απόδοσης που έχουν θεσπιστεί σε αρκετές χώρες την τελευταία 5ετία. Στην Ελλάδα, χώρα Μεσογειακή µε πολύ λιγότερες απαιτήσεις σε θέρµανση κατά τη διάρκεια του χειµώνα, οι ανάγκες για θέρµανση των κατοικιών ανέρχονται περίπου στο 70% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Η κατανάλωση ενέργειας για τις οικιακές συσκευές, το φωτισµό και τον κλιµατισµό ανέρχεται στο 18% του συνολικού ενεργειακού ισοζυγίου (ΚΑΠΕ, 1997). Οι κατοικίες µε κεντρικό σύστηµα θέρµανσης, το οποίο χρησιμοποιεί ως καύσιµο αποκλειστικά το πετρέλαιο, αντιστοιχούν στο 36% του 12

16 συνόλου. Το υπόλοιπο 64% είναι αυτόνοµα θερµαινόµενες κατοικίες που χρησιµοποιούν σε ποσοστό 25% πετρέλαιο, 12% ηλεκτρικό ρεύµα, 9% φυσικό αέριο και 18% καυσόξυλα. Σε αντίθεση µε το σύνολο της Ευρωπαϊκής Ένωσης, στην Ελλάδα η κατανάλωση ενέργειας στα κτίρια παρουσιάζει αυξητική τάση. Ενέργεια και περιβάλλον Είναι πλέον κοινά αποδεκτό ότι η ορθολογική χρήση των ενεργειακών πόρων αποτελεί πρωταρχική έννοια για την προστασία του περιβάλλοντος καθώς και για την περιστολή της εκροής συναλλάγµατος για την εισαγωγή καυσίµων που απαιτούνται στις σύγχρονες ανθρώπινες δραστηριότητες. Καταρρακτώδεις βροχές, παρατεταµένοι καύσωνες και πυρκαγιές είναι µερικά από τα φαινόµενα που προκύπτουν από τη µεγαλύτερη συγκέντρωση των φυσικών αερίων που συµβάλουν στο «φαινόµενο του θερµοκηπίου». Ο πολλαπλασιασµός και η αύξηση της συχνότητας των παραπάνω φαινοµένων συνάγει στην αποκαλούµενη αλλαγή των κλιµατικών συνθηκών του πλανήτη. Μολονότι δεν υπάρχει καµία βεβαιότητα για την έκταση των καιρικών ανακολουθιών στο µέλλον, οι εκτιµήσεις προβλέπουν ότι, αν δεν ληφθούν µέτρα, η µέση επίγεια θερµοκρασία µπορεί να αυξηθεί κατά 1 έως 3,5 µέχρι το Η Ευρώπη συµβάλει κατά 14% στο σύνολο των ετήσιων επίγειων εκποµπών C CO 2 ενώ η Ασία κατά 25% και η Βόρεια Αµερική 29%. Οι εκποµπές του CO 2, του κατ εξοχήν υπεύθυνου αερίου για το φαινόµενο του θερµοκηπίου (80%), προέρχονται κατά 94% από τον ευρύτερο ενεργειακό τοµέα (πρωτογενή παραγωγή). Τα ορυκτά καύσιµα θεωρούνται ως οι κατεξοχήν υπόλογοι για τις εκποµπές, ενώ µόνο η κατανάλωση προϊόντων πετρελαίου συµβάλει κατά 50% στις ετήσιες συνολικές εκποµπές του στην Ε.Ε. Η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας και του ατµού ευθύνεται για το 30% των εκποµπών του ενώ ο οικιακός τοµέας συµµετέχει µε 14%. Η συµµετοχή του ενεργειακού τοµέα στις εκποµπές των άλλων αερίων του Φαινομένου του Θερμοκηπίου, CH 4 CO 2, O είναι σχετικά µικρή, 17% και 7% αντίστοιχα. N 2 CO 2 13

17 Στην Ελλάδα το 1998 οι συνολικές ετήσιες εκποµπές CO 2 ανέρχονταν σε 100,5 Μton, από τους οποίους η παραγωγή ενέργειας και ο οικιακός-εµπορικός τοµέας συµµετείχαν µε 51% και 12% αντίστοιχα. Την περίοδο τη µεγαλύτερη επίπτωση στις εκποµπές του CO 2 είχε η καύση των ορυκτών καυσίµων µε µία αύξηση περίπου 19%. Όσον αφορά τις εκποµπές αερίων για όλους τους τοµείς της οικονοµίας τα προϊόντα πετρελαίου συµµετέχουν µε ποσοστό 48%, τα προϊόντα άνθρακα, περιλαµβανόµενου του λιγνίτη µε 51% και το φυσικό αέριο µε 1%. Σύµφωνα µε το Πρωτόκολλο του Κιότο (1997) που όµως δεν έχει επικυρωθεί από όλες τις χώρες, η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) δεσµεύθηκε να µειώσει τις εκποµπές των αερίων που προκαλούν το φαινόµενο του θερµοκηπίου ( CO 2, CH 4, N 2 O και αλογονούχες ενώσεις) κατά την περίοδο συνολικά κατά 8% συγκριτικά προς το επίπεδο του Η Ελλάδα µε βάση τη δίκαιη κατανοµή βαρών και της αναµενόµενης ανάπτυξης λόγω της κοινοτικής συνοχής, δεσµεύτηκε να συγκρατήσει τις εκποµπές των 6 αερίων του θερµοκηπίου στο +25% σε σχέση µε το επίπεδο του Η πολιτική της Ευρωπαϊκής Ένωσης της Ελλάδας Η ανάγκη για εξοικονόµηση ενέργειας είναι ιδιαίτερα εµφανής στον κτιριακό τοµέα, ο οποίος καλύπτει το 36% περίπου της συνολικής τελικής ενεργειακής κατανάλωσης στην Ελλάδα, µε µέσο ετήσιο ρυθµό αύξησης 7%. Επιπλέον, τα κτίρια ευθύνονται για πάνω από το 45% των συνολικών εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα ( CO 2 ), βασικού αερίου του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Ανάµεσα στις πολιτικές που η Ε.Ε. θεωρεί ως ικανές να εκπληρώσουν τις υποχρεώσεις της βάσει του Πρωτοκόλλου του Κιότο είναι η πλήρης αξιοποίηση των δυνατοτήτων της εξοικονόµησης ενέργειας στα κτίρια που θα επιτρέψει την παράλληλη µείωση της εξωτερικής ενεργειακής εξάρτησης και των εκποµπών του CO 2. Συγκεκριµένα η εξοικονόµηση στα κτίρια µπορεί να επιτύχει µείωση κατά 40% της ενεργειακής κατανάλωσης ανεξαρτήτως ηλικίας ή χρήσης βάσει µέτρων όπως 14

18 φορολογικών κινήτρων ή διατάξεων κανονιστικού χαρακτήρα που κάθε κράτος µέλος πρέπει να αναπτύξει και να εφαρµόσει. Η χώρα µας, προκειµένου να ανταποκριθεί στις υποχρεώσεις της έχει ξεκινήσει τη µελέτη και σχεδίαση πολιτικής και µέτρων µείωσης των εκποµπών CO 2 για όλους τους τοµείς της. Σύµφωνα µε το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών προβλέπεται µείωση 17% σε σχέση µε το Σενάριο Αναμενόμενης Εξέλιξης και αύξηση 23% σε σχέση µε το έτος βάσης Ειδικότερα για τον οικιακό και τριτογενή τοµέα προβλέπεται µείωση των εκποµπών CO 2 κατά 30%. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι µε άµεσες και χαµηλού κόστους επεµβάσεις στα κτίρια της δηµόσιας διοίκησης υπάρχει δυνατότητα εξοικονόµησης ενέργειας της τάξης του 15% που αντιστοιχεί σε ένα ετήσιο οικονοµικό όφελος της τάξης των 7,5 εκ. Ευρώ. Ήδη στην Ελλάδα έχουν εφαρµοστεί µεταξύ άλλων, επενδυτικά προγράµµατα για τις ΑΠΕ σε κτίρια, όπως το Επιχειρησιακό Πρόγραµµα Ενέργεια και το Επιχειρησιακό Πρόγραµµα Ανταγωνιστικότητα (Υπουργείο Ανάπτυξης 2005) Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Στις πόλεις καθημερινά καλύπτουμε τις ενεργειακές μας ανάγκες, σχεδόν αποκλειστικά, από τις συμβατικές πηγές ενέργειας, δηλαδή το πετρέλαιο, τη βενζίνη και τον άνθρακα. Ο ηλεκτρισμός που χρησιμοποιούμε προέρχεται από τις πηγές αυτές, oι οποίες, παρόλη τη σπουδαία συνεισφορά τους στο σύγχρονο πολιτισμό, ρυπαίνουν ανεπανόρθωτα το περιβάλλον και εξαντλούνται με γοργούς ρυθμούς. Αντιθέτως, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) αναπληρώνονται μέσω των φυσικών κύκλων και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Ο ήλιος, ο άνεμος, η γεωθερμία, τα ποτάμια, οι οργανικές ύλες, όπως το ξύλο και ακόμη τα απορρίμματα οικιακής και γεωργικής προέλευσης, είναι πηγές ενέργειας, που η προσφορά τους δεν εξαντλείται ποτέ. Εξάλλου, η αξιοποίησή τους για την παραγωγή ενέργειας δεν επιβαρύνει το περιβάλλον. Η Ελλάδα διαθέτει αξιόλογο δυναμικό ΑΠΕ, οι οποίες μπορούν να προσφέρουν μια πραγματική εναλλακτική λύση για την κάλυψη μέρους των ενεργειακών μας αναγκών, συνεισφέροντας στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικά 15

19 καύσιμα, στην ελάττωση του φαινόμενου του Θερμοκηπίου, στη δημιουργία νέων θέσεων εργασίας και στην ανάπτυξη αποκεντρωμένων περιοχών Τεχνολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας Εκτιμάται ότι, σε Ευρωπαϊκό επίπεδο, ως το 2010 μπορεί να επιτευχθεί εξοικονόμηση της τάξης του 22% στην ενέργεια που χρησιμοποιείται για θέρμανση, κλιματισμό, ζεστό νερό και φωτισμό. Η χρήση της ενέργειας για κλιματισμό αναμένεται να διπλασιαστεί ως το 2020, μπορεί όμως να επιτευχθεί 25% εξοικονόμηση από τη χρήση ενεργειακά αποδοτικών συστημάτων κλιματισμού. Ο φωτισμός καταναλώνει το 14% της συνολικής ενέργειας του κτιριακού τομέα. Με τη χρήση πιο αποδοτικών εξαρτημάτων και συστημάτων ελέγχου και με την ενσωμάτωση τεχνικών φυσικού φωτισμού και άλλων τεχνολογιών μπορεί να έχουμε εξοικονόμηση 30-50%. Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός, τα παθητικά και ενεργητικά ηλιακά συστήματα, ο φυσικός φωτισμός και ο φυσικός δροσισμός μπορούν να μειώσουν την ενεργειακή κατανάλωση κατά 60% σε ένα μέσο Ευρωπαϊκό κτίριο. Παράλληλα, 10 εκατομμύρια οικιακοί λέβητες στην ΕΕ είναι παλαιότεροι των 20 ετών. Η αντικατάστασή τους μπορεί να εξοικονομήσει 5-10% της ενέργειας θέρμανσης. Τέλος, οι τοπικά διαθέσιμες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η συμπαραγωγή θερμότητας/ηλεκτρισμού, η τηλεθέρμανση και οι αντλίες θερμότητας έχουν επιπρόσθετο δυναμικό εξοικονόμησης. Στην Ελλάδα η κατανάλωση ενέργειας στα κτίρια παρουσιάζει αυξητική τάση, λόγω της αύξησης της χρήσης κλιματιστικών και μικροσυσκευών. Η εξοικονόμηση ενέργειας είναι σημαντική παράμετρος στη διαμόρφωση της εθνικής ενεργειακής πολιτικής, η οποία περιλαμβάνει ως στόχο, μεταξύ άλλων, και τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα από τον κτιριακό τομέα. Από τον Ιανουάριο του 2006 έχει τεθεί σε εφαρμογή σε όλα τα Μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης η Οδηγία 2002/91/ΕC του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου της 16ης Δεκεμβρίου 2002 για την Ενεργειακή Απόδοση των Κτιρίων. Η Οδηγία περιλαμβάνει υποχρεωτικά και προαιρετικά μέτρα που πρέπει να ληφθούν σε όλες τις χώρες ώστε να μειωθεί η ενεργειακή κατανάλωση του κτιριακού τομέα. 16

20 Στην χώρα μας ήδη λαμβάνονται θεσμικά μέτρα σε αυτή την κατεύθυνση, όπως η υλοποίηση της Κοινής Υπουργικής Απόφασης 21475/4707/98, η οποία προβλέπει μέτρα και διαδικασίες για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης υφιστάμενων και νεοαναγειρόμενων κτιρίων, ενώ επίκειται η εφαρμογή του Κανονισμού Ορθολογικής Χρήσης και Εξοικονόμησης Ενέργειας (ΚΟΧΕΕ). Η πληροφόρηση που παρέχεται από πλευράς ΥΠΑΝ στοχεύει στην ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων της κατανάλωσης ενέργειας στο περιβάλλον, με την προώθηση της εξοικονόμησης ενέργειας και της εκμετάλλευσης των φιλικών στο περιβάλλον και στον άνθρωπο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Η Οδηγία 2001/77/EΕ Η Οδηγία 2001/77/EΚ "Για την προαγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές στην εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας" (OJ L283/ ) προβλέπει στο παράρτημα της για την Ελλάδα ενδεικτικό στόχο κάλυψης από ανανεώσιμες ενεργειακές πηγές, περιλαμβανομένων των μεγάλων υδροηλεκτρικών έργων, σε ποσοστό της ακαθάριστης κατανάλωσης ενέργειας 1 κατά το έτος 2010 ίσο με 20,1%. Ο στόχος αυτός είναι συμβατός με τις διεθνείς δεσμεύσεις της χώρας που απορρέουν από το πρωτόκολλο του Κιότο που υπογράφτηκε το Δεκέμβριο του 1997 στη σύμβαση πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για την αλλαγή του κλίματος. Το πρωτόκολλο του Κιότο προβλέπει για την Ελλάδα συγκράτηση του ποσοστού αύξησης κατά το έτος 2010 του CO 2 και άλλων αερίων που επιτείνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου κατά 25% σε σχέση με το έτος βάση Σήμερα στη βάση του υφιστάμενου καθεστώτος το Υπουργείο Ανάπτυξης έχει καταρτίσει κείμενο εργασίας για το νέο θεσμικό πλαίσιο ΑΠΕ σκοπός του οποίου είναι η θέσπιση θεμελιωδών αρχών και η θεσμοθέτηση σύγχρονων οργάνων, διαδικασιών και μέσων άσκησης ενεργειακής πολιτικής για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το κείμενο έχει κατατεθεί προς ψήφιση στη Βουλή. Από τους κυριότερους άξονες της σοβαρής 1 Νοείται ως η μέση εθνική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβανομένης αυτοπαραγωγής συν εισαγωγές μείον εξαγωγές 17

21 αυτής νομοθετικής παρέμβασης είναι η θεσμοθέτηση του εθνικού στόχου για τη συμμετοχή της ηλεκτροπαραγωγής με χρήση ΑΠΕ το έτος 2010 σε ποσοστό 20,1% και το 2020 σε 29% της ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης Επιγραμματικά αναφέρεται ότι η Ελλάδα καταβάλλει ήδη πολύ εντατικές προσπάθειες στο θεσμικό, κανονιστικό, τεχνικό και χρηματοδοτικό επίπεδο για την προσέγγιση του ενδεικτικού στόχου 20.1% της Οδηγίας 2001/77/ΕΚ, ο οποίος υπό πολύ ευνοϊκές συνθήκες είναι δυνατό να επιτευχθεί. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι έχουν εντοπιστεί και καταβάλλεται συντονισμένη προσπάθεια να ελεγχθούν οι παράγοντες κινδύνου που μπορεί να προκαλέσουν εκτροπή από την επιθυμητή πορεία Εισαγωγή στον ενεργειακό σχεδιασμό Ιστορική αναδρομή Ενεργειακός σχεδιασμός είναι μια φιλοσοφία σχεδιασμού και κατασκευής κτιρίων με στόχο την επίτευξη άνετων συνθηκών εσωκλίματος με παράλληλη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Ιστορικά, η πρώτη αναφορά στον ενεργειακό σχεδιασμό γίνεται στην κλασσική αρχαιότητα. Συγκεκριμένα, ο Ξενοφώντας στα απομνημονεύματά του περιγράφει το «λειτουργικό» σπίτι και τις πρώτες οδηγίες ενεργειακού σχεδιασμού που συνέλαβε και διατύπωσε ο Σωκράτης. Στη συνέχεια, η λαϊκή αρχιτεκτονική διαφόρων χωρών έδωσε αξιόλογα δείγματα αντιμετώπισης δυσμενών, και εκμετάλλευσης ευνοϊκών κλιματικών συνθηκών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν: το ισλαμικό σπίτι, που εκμεταλλεύεται τον φυσικό αερισμό. οι κατοικίες των Εσκιμώων, με ελάχιστες εξωτερικές επιφάνειες και απουσία ανοιγμάτων. το παραδοσιακό ελληνικό «λιακωτό» και η Αιγαιοπελαγίτικη αρχιτεκτονική με τις λευκές επιφάνειες και τα μικρά ανοίγματα και άλλα. 18

22 Τον 19ο αιώνα, με τη συνειδητοποίηση της ιδιότητας του γυαλιού να παγιδεύει την ηλιακή ενέργεια, άρχισε στην Ευρώπη η κατασκευή κτιρίων με θερμοκήπια, αίθρια και σκεπαστές στοές που συνέβαλαν στη θέρμανση και τον φυσικό φωτισμό των χώρων. Στις αρχές του 20ου αιώνα και μέχρι το β παγκόσμιο πόλεμο, λόγω της εξέλιξης της τεχνολογίας και των συστημάτων θέρμανσης, το ενδιαφέρον για τον ενεργειακό σχεδιασμό είχε ατονήσει. Μόνο σε ερευνητικό επίπεδο έγιναν ορισμένες προσπάθειες, με σημαντικότερη αυτή των Hottle και Woertz που κατασκεύασαν στη Μασαχουσέτη των Η.Π.Α. το πρώτο ηλιακό σπίτι. Μετά τον β παγκόσμιο πόλεμο εμφανίστηκαν τα πρώτα ενεργειακά προβλήματα, πράγμα που έδωσε ώθηση στην επιστημονική έρευνα στον τομέα αυτό. Έτσι, διοργανώθηκαν πολλά διεθνή συνέδρια και κατασκευάστηκαν πρωτοποριακά ηλιακά κτίρια με στόχο την εύρεση μεθόδων αποτελεσματικότερης εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Σήμερα υπάρχουν ολοκληρωμένες τεχνολογικές δυνατότητες κατασκευής βιοκλιματικά σχεδιασμένων κτιρίων που παρέχουν συνθήκες θερμικής άνεσης με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Η βιοκλιματική αρχιτεκτονική αφορά στο σχεδιασμό κτιρίων και χώρων (εσωτερικών και εξωτερικών-υπαίθριων) με βάση το τοπικό κλίμα, με σκοπό την εξασφάλιση συνθηκών θερμικής και οπτικής άνεσης, αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια και άλλες περιβαλλοντικές πηγές αλλά και τα φυσικά φαινόμενα του κλίματος. Βασικά στοιχεία του βιοκλιματικού σχεδιασμού αποτελούν τα παθητικά συστήματα που ενσωματώνονται στα κτίρια με στόχο την αξιοποίηση των περιβαλλοντικών πηγών για θέρμανση, ψύξη και φωτισμό των κτιρίων. Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός αν και είναι ενσωματωμένος στην αρχιτεκτονική που χαρακτηρίζει κάθε τόπο σε ολόκληρη τη γη θεωρείται από πολλούς ως μία νέα «θεώρηση» στην αρχιτεκτονική και σχετίζεται με την οικολογία περισσότερο, παρά με την ενέργεια και την εξοικονόμηση που δύναται να επιφέρει. Παρά ταύτα, η βιοκλιματική αρχιτεκτονική έχει αποτελέσει τις τελευταίες δεκαετίες βασική προσέγγιση στην κατασκευή κτιρίων παγκοσμίως, ενώ στα περισσότερα κράτη πλέον αποτελεί βασικό κριτήριο σχεδιασμού μικρών και μεγάλων κτιρίων το οποίο λαμβάνεται υπόψη από όλους τους μελετητές αρχιτέκτονες και μηχανικούς. Κι αυτό, λόγω των χαμηλότερων απαιτήσεων ενέργειας για την θέρμανση, τον δροσισμό και τον φωτισμό 19

23 των κτιρίων που προκύπτουν από την πρακτική της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής και πολλαπλά οφέλη που την συνεπάγουν: ενεργειακά (εξοικονόμηση και θερμική/οπτική άνεση), οικονομικά (μείωση κόστους ηλεκτρομηχανολογικών εγκαταστάσεων), περιβαλλοντικά (μείωση ρύπων) και κοινωνικά. Ειδικότερα, το ενεργειακό όφελος που προκύπτει από την εφαρμογή του βιοκλιματικού σχεδιασμού αποδίδεται με τους παρακάτω τρόπους: εξοικονόμηση ενέργειας από τη σημαντική μείωση απωλειών λόγω της βελτιωμένης προστασίας του κελύφους και συμπεριφοράς των δομικών στοιχείων, παραγωγή θερμικής ενέργειας (θερμότητας) μέσω των ηλιακών συστημάτων άμεσου η έμμεσου κέρδους με συμβολή στις θερμικές ανάγκες των χώρων προσάρτησης και μερική κάλυψη των απαιτήσεων θέρμανσης του κτιρίου, δημιουργία συνθηκών θερμικής άνεσης και μείωση των απαιτήσεων όσον αφορά στη ρύθμιση θερμοστάτη (σε χαμηλότερες θερμοκρασίες τον χειμώνα και υψηλότερες το καλοκαίρι), διατήρηση της θερμοκρασίας εσωτερικού αέρα σε επίπεδα υψηλά τον χειμώνα (και αντίστοιχα χαμηλά το καλοκαίρι), με αποτέλεσμα την μείωση του φορτίου για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων από τα επικουρικά συστήματα κατά την χρήση του κτιρίου. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και των περιβαλλοντικών πηγών, γενικότερα, όπως προκύπτει από το βιοκλιματικό σχεδιασμό, επιτυγχάνεται στα πλαίσια της συνολικής θερμικής λειτουργίας του κτιρίου και της σχέσης κτιρίου - περιβάλλοντος. Η δε θερμική λειτουργία ενός κτιρίου αποτελεί μία δυναμική κατάσταση, η οποία: εξαρτάται από τις τοπικές κλιματικές και περιβαλλοντικές παραμέτρους (την ηλιοφάνεια, τη θερμοκρασία εξωτερικού αέρα, τη σχετική υγρασία, τον άνεμο, τη βλάστηση, το σκιασμό από άλλα κτίρια), αλλά και τις συνθήκες χρήσης του κτιρίου (κατοικία, γραφεία, νοσοκομεία, σταυλισμός ζώων κλπ.) και 20

24 βασίζεται στην αντίστοιχη ενεργειακή συμπεριφορά των δομικών του στοιχείων και (κατ επέκταση) των ενσωματωμένων παθητικών ηλιακών συστημάτων, αλλά και το ενεργειακό προφίλ που προκύπτει από την λειτουργία του κτιρίου. Η απόδοση του βιοκλιματικού σχεδιασμού εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, γεγονός που τον καθιστά "ευαίσθητο" σε εξωγενείς και μη-τεχνικούς παράγοντες. Για τον λόγο αυτό, βασικά κριτήρια για την εφαρμογή του βιοκλιματικού σχεδιασμού πρέπει να είναι: η απλότητα χρήσης των εφαρμογών και η αποφυγή πολύπλοκων παθητικών συστημάτων και τεχνικών, η μικρή συμβολή του χρήστη του κτιρίου στη λειτουργία των συστημάτων, η χρήση ευρέως εφαρμοσμένων συστημάτων, η χρήση τεχνικο-οικονομικά αποδοτικών ενεργειακών τεχνολογιών. Ο βαθμός στον οποίον ο βιοκλιματικός σχεδιασμός σήμερα αξιοποιεί το τοπικό κλίμα ποικίλει, γεγονός που παρέχει μία ευελιξία ως προς τους τρόπους αρχιτεκτονικής έκφρασης και δυνατοτήτων εφαρμογής μέσα από πολύ απλές τεχνικές και επεμβάσεις έως και πολύπλοκα παθητικά ηλιακά συστήματα. Επιπλέον είναι ενσωματωμένος στην αρχιτεκτονική των περισσότερων διακεκριμένων αρχιτεκτόνων και μελετητών διεθνώς με έργα παραδείγματα (ή και πειραματισμούς) που αποτελούν πρότυπες εφαρμογές βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής από τις οποίες όχι μόνον μαθαίνουμε σήμερα, αλλά και αποδεικνύουν τα πολλαπλά οφέλη που προκύπτουν από την συμβίωση με το περιβάλλον και το κλίμα. 21

25 1.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Ο ενεργειακός σχεδιασμός των κτιρίων, όπως προαναφέρθηκε, στοχεύει στην εξοικονόμηση ενέργειας, αλλά και στην εξασφάλιση υγιεινών και άνετων συνθηκών διαβίωσης για τους ενοίκους. Για την επίτευξη των στόχων αυτών λαμβάνεται μια σειρά μέτρων σε τρία επίπεδα: Σε επίπεδο οικισμού (προσανατολισμός, θέση, ρυμοτομία) Σε επίπεδο άμεσου περιβάλλοντος του κτιρίου (θέση στο οικόπεδο, ανεμοφράκτες κ.τ.λ.) Σε επίπεδο περιβλήματος του κτιρίου (σχήμα, χρώμα, θερμομόνωση κ.τ.λ.) Παρακάτω αναπτύσσονται συνοπτικά οι κυριότεροι παράγοντες που συμβάλουν στο σωστό ενεργειακό σχεδιασμό των κτιρίων (ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ 1994), (ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ and ΑΞΑΡΛΗ 1995) Προσανατολισμός Οι νότιες όψεις των κτιρίων, στο βόρειο ημισφαίριο, δέχονται την περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία και μάλιστα ευνοϊκά κατανεμημένη στις εποχές του έτους, καθώς το χειμώνα παρουσιάζονται υψηλότερες τιμές ακτινοβολούμενης θερμότητας σε σχέση με το καλοκαίρι. Επίσης, η ηλιοπροστασία των νότιων όψεων είναι εύκολη και πετυχαίνεται με ένα απλό οριζόντιο προστέγασμα που εμποδίζει την πρόσπτωση των σχεδόν κατακόρυφων ηλιακών ακτινών το καλοκαίρι, ενώ επιτρέπει τον ηλιασμό από τον χαμηλής τροχιάς χειμωνιάτικο ήλιο. Οι ανατολικές και δυτικές όψεις δέχονται μικρό ποσοστό θερμότητας το χειμώνα, ενώ το καλοκαίρι (ειδικά οι τελευταίες) θερμαίνονται υπερβολικά. Τέλος, οι βόρειες όψεις ηλιάζονται μόνο το καλοκαίρι, νωρίς το πρωί και αργά το απόγευμα, και είναι εκτεθειμένες στους ψυχρούς βόρειους ανέμους. 22

26 Συμπερασματικά, ο νότιος προσανατολισμός είναι ο ιδεώδης για την διάταξη των ανοιγμάτων Θέση Η χωροθέτηση του κτιρίου στο οικόπεδο επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως η ρυμοτομία της περιοχής, η τυχόν υπάρχουσα θέα, οι ισχύουσες πολεοδομικές διατάξεις και άλλους. Πάντως σε περίπτωση που υπάρχει δυνατότητα ελεύθερης επιλογής, συνιστάται η τοποθέτηση του κτιρίου στη βορειότερη πλευρά του οικοπέδου ώστε να είναι ανεμπόδιστος ο ηλιασμός της νότιας όψης. Επίσης, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ενδεχόμενη ύπαρξη φυσικών ή τεχνιτών ανεμοφρακτών (δέντρα, γειτονικά κτίρια) που παρέχουν προστασία από τους ανέμους και μειώνουν τις θερμικές απώλειες του κτιρίου Σχήμα Εκτεταμένες επιστημονικές έρευνες έχουν δείξει ότι για τα κλιματικά δεδομένα της χώρας μας η βέλτιστη, από ενεργειακή σκοπιά, λύση είναι τα συμπαγή, ορθογωνικά κτίρια με επιμήκυνση στον άξονα Ανατολής-Δύσης. Η μορφή αυτή εξασφαλίζει καλύτερο ηλιασμό και μείωση των θερμικών απωλειών το χειμώνα, και μικρότερη θερμική επιβάρυνση το καλοκαίρι Χρώμα και υφή Το χρώμα και η υφή των εξωτερικών επιφανειών επηρεάζουν σημαντικά τη θερμική συμπεριφορά των κτιρίων. Συγκεκριμένα, σκούρες και τραχείες επιφάνειες παρουσιάζουν μεγάλη απορροφητικότητα με αποτέλεσμα την αύξηση των θερμικών κερδών. 23

27 Αντίθετα ανοιχτόχρωμες και λείες επιφάνειες παρουσιάζουν μεγάλη ανακλαστικότητα κι άρα συνεπάγονται μικρότερα θερμικά κέρδη για τα κτίρια Εσωτερική διάταξη Η ορθή διάταξη των εσωτερικών χώρων μπορεί να συνεισφέρει καθοριστικά στην άνετη διαβίωση των ενοίκων. Οι χώροι που έχουν μεγάλες απαιτήσεις θέρμανσης και φωτισμού πρέπει να τοποθετούνται στην πιο ζεστή και καλύτερα ηλιαζόμενη νότια πλευρά ενώ οι βοηθητικοί χώροι (διάδρομοι, μπάνια, αποθήκες κ.τ.λ.) πρέπει να μεσολαβούν μεταξύ των κύριων χώρων και της ψυχρής βόρειας πλευράς. Με αυτόν τον τρόπο παρέχεται μία πρόσθετη προστασία από τις δυσμενείς μικροκλιματικές συνθήκες που επικρατούν σε αυτή Μείωση θερμικών απωλειών Τα κτίρια, σε ότι αφορά τη θερμική τους συμπεριφορά, είναι δυναμικά συστήματα στα οποία πραγματοποιούνται συνεχείς θερμικές ροές, τόσο από και προς το εξωτερικό περιβάλλον, όσο και ανάμεσα στους εσωτερικούς τους χώρους. Η συμπεριφορά αυτή περιγράφεται με την έννοια του θερμικού ισοζυγίου, που εκφράζεται με την απλοποιητική «στατική» εξίσωση: Q + Q + -Q + -Q + -Q - Q i s c v M E = 0 όπου Q i : Q s : Q c : θερμικά κέρδη από θερμαντικές πηγές του χώρου π.χ. φωτισμός, ένοικοι, ηλεκτρικές συσκευές θερμικά κέρδη από ηλιακή ακτινοβολία θερμικά κέρδη ή απώλειες με αγωγιμότητα από τις διαφανείς και τις συμπαγείς επιφάνειες του περιβλήματος 24

28 Q v : θερμικά κέρδη ή απώλειες από αερισμό Q M : θερμαντικές ή ψυκτικές ανάγκες του κτιρίου Q E : θερμικές απώλειες από εξάτμιση. Κεντρική επιδίωξη του ενεργειακού σχεδιασμού είναι η ελαχιστοποίηση κατά τη χειμερινή περίοδο των όρων Q και Q της παραπάνω εξίσωσης, δηλαδή των θερμικών c v απωλειών με αγωγιμότητα και αερισμό. Για το σκοπό αυτό λαμβάνονται μια σειρά από μέτρα. Καταρχήν καθοριστική επίδραση στη μείωση των απωλειών με αγωγιμότητα από τα συμπαγή τμήματα του περιβλήματος ασκεί η θερμομόνωση με κατάλληλα θερμομονωτικά υλικά. Επίσης, θετική επίδραση έχει ο περιορισμός της εξωτερικής επιφάνειας του κτιρίου και η προστασία από ψυχρούς ανέμους με φυσικά ή τεχνητά εμπόδια, με εκμετάλλευση της κλίσης του εδάφους και με κατάλληλη διαμόρφωση της στέγης. Οι απώλειες από τα ανοίγματα μπορούν να μειωθούν με τους παρακάτω τρόπους: Ελάττωση του αριθμού και του μεγέθους των ανοιγμάτων στις πλευρές που δέχονται ισχυρούς ανέμους Με χρήση διπλών υαλοπινάκων ή ειδικών γυαλιών Με χρήση θερμομονωμένων πλαισίων Με τοποθέτηση νυχτερινής μόνωσης Με στεγάνωση των αρμών κ ά Θερμοχωρητικότητα δομικών στοιχείων Η θερμοχωρητικότητα εκφράζει την ικανότητα ενός δομικού στοιχείου να αποθηκεύει θερμότητα και παίζει πολύ σημαντικό ρόλο, ιδιαίτερα σε περιοχές με μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Τα δομικά στοιχεία με μεγάλη θερμοχωρητικότητα προκαλούν και ανάλογη χρονική υστέρηση στη μεταβολή των εσωτερικών θερμοκρασιών σε σχέση με τις 25

29 εξωτερικές. Έτσι, τη θερινή περίοδο, η θερμότητα που προσπίπτει στις εξωτερικές επιφάνειες, κατά τη διάρκεια της ημέρας, αποθηκεύεται για μερικές ώρες στα δομικά στοιχεία με αποτέλεσμα την αποφυγή της υπερθέρμανσης των εσωτερικών χώρων. Η θερμότητα αυτή αποδίδεται τις νυχτερινές ώρες στο εξωτερικό περιβάλλον που είναι κατά κανόνα ψυχρότερο. Τη χειμερινή περίοδο η θερμότητα που αποθηκεύεται αυξάνει την επιφανειακή θερμοκρασία των δομικών στοιχείων και συμβάλει στην επίτευξη άνετου εσωκλίματος. Σε περίπτωση ύπαρξης εξωτερικής μόνωσης η θερμότητα συγκρατείται και κατά την διάρκεια της νύχτας, οπότε επιτυγχάνεται ακόμα θετικότερα αποτελέσματα. Η θερμοχωρητικότητα ενός δομικού στοιχείου εξαρτάται από τα υλικά κατασκευής και τη μάζα του Ηλιοπροστασία Μεγάλο μέρος της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας ενός κτιρίου οφείλεται στις ανάγκες κλιματισμού κατά την θερινή περίοδο. Το ψυκτικό φορτίο μπορεί να μειωθεί δραστικά με τη σωστή ηλιοπροστασία των ανοιγμάτων. Το πιο αποτελεσματικό μέτρο ηλιοπροστασίας είναι η χρήση εξωτερικών ηλιοπροστατευτικών δομικών στοιχείων (οριζόντια, κατακόρυφα ή σε μορφή σχάρας). Το κύριο κριτήριο επιλογής του συστήματος ηλιοπροστασίας είναι ο προσανατολισμός της αντίστοιχης όψης. Έτσι, σε νότιους προσανατολισμούς είναι πιο αποτελεσματικά τα οριζόντια σκίαστρα, με μόνο μειονέκτημα την αποκοπή του ηλιασμού κατά την χειμερινή περίοδο. Το μειονέκτημα αυτό αίρεται εν μέρει με σκίαστρα σε μορφή σχάρας που έχουν κλίση 45 ως προς τη νότια διεύθυνση Αερισμός Ο φυσικός αερισμός ενός κτιρίου επηρεάζεται: 26

30 από την ρυμοτομία και τη θέση του οικισμού στον οποίο ανήκει από την ύπαρξη εμποδίων στην άμεση περιοχή του από την μορφολογία του από το είδος, το μέγεθος και τον προσανατολισμό των ανοιγμάτων από τη διάταξη των εσωτερικών χωρισμάτων κ.ά. Σε επίπεδο σχεδιασμού ο μελετητής του κτιρίου καλείται να βρει τη «χρυσή τομή» και να συνδυάσει δύο αντικρουόμενες απαιτήσεις: αφενός τον περιορισμό των εναλλαγών αέρα τη χειμερινή περίοδο στις απολύτως αναγκαίες για λόγους υγιεινής (μείωση απωλειών) και αφετέρου την αύξηση των εναλλαγών αέρα το καλοκαίρι (δροσισμός) (American Society of Agricultural Engineers 1983). 1.3 ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Γενικά Τα παθητικά ηλιακά συστήματα είναι κατασκευές που εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια χωρίς να κάνουν χρήση υψηλής τεχνολογίας και μηχανικών μέσων. Βασίζονται στη φυσική ροή της θερμικής ενέργειας, αξιοποιούν τις φυσικές ιδιότητες των υλικών του κτιρίου και χρησιμοποιούν για τη συλλογή και την αποθήκευση της ηλιακής ακτινοβολίας τα δομικά στοιχεία του κελύφους. Σε αντιδιαστολή με τα παθητικά, υπάρχουν και τα ενεργητικά συστήματα, τα οποία απαιτούν χρήση μηχανικών μέσων και ειδικών μηχανισμών συλλογής, μεταφοράς και αποθήκευσης θερμότητας. Συνδυασμός των παθητικών και ενεργητικών, είναι τα λεγόμενα υβριδικά συστήματα που συνδυάζουν φυσική και μηχανική θερμική ροή. Η λειτουργία των παθητικών ηλιακών συστημάτων προϋποθέτει το σωστό ενεργειακό σχεδιασμό του κτιρίου και στηρίζεται στις παρακάτω βασικές αρχές: 27

31 α) Στο φαινόμενο του θερμοκηπίου Το γυαλί έχει την ιδιότητα να είναι διαπερατό στη μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία ( μm), ενώ αντίθετα, είναι αδιαπέραστο στη μεγάλου μήκους θερμική ακτινοβολία που εκπέμπουν τα σώματα (=10μm). Έτσι, η ηλιακή ακτινοβολία, με μήκος κύματος μm, διαπερνά κατά το μεγαλύτερο ποσοστό τους υαλοπίνακες των ανοιγμάτων, διαχέεται στο εσωτερικό του κτιρίου και απορροφάται από τα αντικείμενα που βρίσκονται εκεί. Με αυτόν τον τρόπο, μετατρέπεται σε θερμική ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος και παγιδεύεται στο κτίριο. β) Στη θερμοχωρητικότητα των υλικών Η θερμοχωρητικότητα των υλικών που εκφράζει την ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας έχει καθοριστική συμβολή στη διαδικασία συλλογής, αποθήκευσης και απόδοσης της θερμικής ενέργειας που δεσμεύεται από την ηλιακή ακτινοβολία, στο εσωτερικό του κτιρίου. γ) Στους νόμους της θερμοδυναμικής Οι νόμοι της θερμοδυναμικής εκφράζουν την αρχή διατήρησης της ενέργειας και την ιδιότητα της θερμότητας να μεταδίδεται από τα θερμά στα ψυχρά σώματα μέχρι να επέλθει η εξίσωση των θερμοκρασιών τους. Η μετάδοση αυτή γίνεται είτε με αγωγιμότητα, είτε με μεταφορά, είτε με ακτινοβολία. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή παθητικών ηλιακών συστημάτων διακρίνονται σε υλικά συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας και σε υλικά αποθήκευσης της θερμότητας. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν το κοινό γυαλί και διάφορα ειδικά γυαλιά, τα σκληρά πλαστικά, τα ενισχυμένα πολυεστερικά φύλλα, οι πλαστικές μεμβράνες και τα διαφανή μονωτικά πανό. Για την αποθήκευση της θερμότητας χρησιμοποιούνται υλικά με μεγάλη θερμοχωρητικότητα όπως το νερό, το σκυρόδεμα, οι πέτρες, τα συμπαγή τούβλα καθώς και εύτηκτα άλατα όπως π.χ. το άλας του Glauber. Ανάλογα με την λειτουργία τους τα παθητικά ηλιακά συστήματα διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: 28

32 άμεσης λειτουργίας, όταν ο χώρος θερμαίνεται άμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία έμμεσης λειτουργίας, όταν η ηλιακή ακτινοβολία δεσμεύεται και αποθηκεύεται σαν θερμότητα πριν μπει στο χώρο που θα θερμανθεί απομονωμένης λειτουργίας, όταν έχουμε δέσμευση και αποθήκευση θερμότητας όπως στην έμμεση λειτουργία, αλλά με τη διαφορά ότι υπάρχει σαφής θερμικός διαχωρισμός της επιφάνειας συλλογής και της επιφάνειας αποθήκευσης Τα κυριότερα και ευρέως χρησιμοποιούμενα παθητικά ηλιακά συστήματα είναι το σύστημα του άμεσου κέρδους, ο τοίχος θερμικής αποθήκευσης, ο προσαρτημένος ηλιακός χώρος ή θερμοκήπιο και ο μεταφορικός βρόχος ή αεροσυλλέκτης. Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν τα συστήματα του άμεσου κέρδους και ο τοίχος θερμικής αποθήκευσης. Στη συνέχεια δίνονται πιο αναλυτικά στοιχεία για τα δύο αυτά παθητικά ηλιακά συστήματα Άμεσο ηλιακό κέρδος Το σύστημα του άμεσου ηλιακού κέρδους είναι ο πιο απλός και αδάπανος τρόπος εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας στα κτίρια. Βασίζεται στη συλλογή της ηλιακής ακτινοβολίας από τα ανοίγματα και στην αποθήκευση στα εσωτερικά δομικά στοιχεία. Η λειτουργία του φαίνεται στο σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1 Σύστημα άμεσου ηλιακού κέρδους 29

33 Η αποτελεσματικότητα του συστήματος εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: α) Προσανατολισμό ανοιγμάτων Ο ευνοϊκότερος προσανατολισμός για την διάταξη των ανοιγμάτων είναι ο νότιος, καθώς η προσπίπτουσα ακτινοβολία στις νότιες επιφάνειες το χειμώνα είναι σχεδόν τριπλάσια σε σχέση με τις ανατολικές και δυτικές. Αντίθετα, το καλοκαίρι οι νότιες επιφάνειες δέχονται το μισό ποσό ακτινοβολίας σε σχέση με τις ανατολικές και δυτικές. Τέλος οι βόρειες επιφάνειες δεν ηλιάζονται καθόλου και δεν ενδείκνυται η κατασκευή μεγάλων ανοιγμάτων σε αυτές. β) Κλίση υαλοπινάκων Τα κατακόρυφα υαλοστάσια είναι προτιμότερα από τα κεκλιμένα γιατί το χειμώνα δέχονται σχεδόν την ίδια ακτινοβολία, ενώ το καλοκαίρι τα κατακόρυφα ηλιοπροστατεύονται ευκολότερα. γ) Μέγεθος ανοιγμάτων Το μέγεθος των ανοιγμάτων καθορίζεται από το κλίμα της περιοχής, τη μορφολογία του κτιρίου και από το επιθυμητό ποσοστό συμμετοχής του συστήματος στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Για ποσοστά μέχρι 30% τα ανοίγματα μπορούν να ενσωματωθούν στην όψη του κτιρίου και να μην απαιτηθεί ειδική πρόβλεψη για αποθήκευση της πλεονάζουσας θερμότητας. δ) Θέση ανοιγμάτων Η θέση των ανοιγμάτων πρέπει να επιλέγεται έτσι, ώστε η ηλιακή ακτινοβολία να διαχέεται σε όλους τους χώρους του κτιρίου. ε) Υλικά των στοιχείων αποθήκευσης Όσο μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα έχουν τα δομικά στοιχεία αποθήκευσης τόσο μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας μπορούν να αποθηκεύσουν. Επίσης, όσο μεγαλύτερός είναι ο συντελεστής θερμοπερατότητας τόσο πιο εύκολα γίνεται η αποθήκευση και επομένως εμφανίζονται μικρότερες διακυμάνσεις στην εσωτερική θερμοκρασία. Άρα θα 30