Ηλιακός Δροσισμός. Δημήτρης Καραμάνης. Επίκουρος Καθηγητής Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας. Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων,

Transcript

1 Ηλιακός Δροσισμός Δημήτρης Καραμάνης Επίκουρος Καθηγητής Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας, * dkaraman@upatras.gr

2 Electricity Load (MWh) Μεταβολή μικροκλίματος-φαινόμενο Αστικής Θερμικής Νησίδας (ΑΘΝ) Στις αστικές περιοχές εμφανίζονται θερμοκρασίες έως και 10 C υψηλότερες από τις μη-αστικές περιοχές που τις περιβάλλουν Στο Αγρίνιο, την πιο ζεστή πόλη της Ελλάδας τον Αύγουστο, μετρήσαμε θερμοκρασίες στο κέντρο της πόλης μέχρι και 6 βαθμούς μεγαλύτερες από τα αγροτικά προάστια κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του Αύξηση 13% τον Ιούλιο 2011 Graphic courtesy of LLBL Heat Island Group Η ΑΘΝ αυξάνει την απαίτηση ισχύος για δροσισμό και ηλεκτρισμό οδηγώντας σε υψηλότερες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου Αυξάνει τη χημική διάβρωση των κτιριακών υλικών Αυξάνει το δείκτη δυσφορίας, ακόμα και του ρυθμού θνησιμότητας κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού Αύξηση 70% από Μάιο σε Ιούλιο του έτους Μείωση τον Μάιο του 2011 σε σχέση με 2010 λόγω κρίσης 20/7/ /7/ /5/ /5/ Time (h) Ωριαίο φορτίο ηλεκτρισμού στην Ελλάδα τον Μάιο και Ιούλιο των ετών 2010 and 2011 (δεδομένα από ΔΕΣΜΗΕ)

3 Μέτρα περιορισμού ΑΘΝ & Εξοικονόμηση Ενέργειας Μείωση θερμότητας ανθρωπογενούς προέλευσης Φυσική πράσινη οροφή σε κτίριο Χρήση ψυχρών υλικών υψηλής εκπομπής ακτινοβολίας και ανακλαστικότητας ως κατασκευαστικά υλικά κτιρίων Ελαχιστοποίηση ενεργειακής κατανάλωσης στα κτίρια Ψυχρές οροφές με πράσινο, χρήση ανακλαστικών υλικών ή εξατμιστικό δροσισμό από πορώδη υλικά ψυχρό λευκό στη Σαντορίνη Εξοικονόμηση Ενέργειας. Η πλέον ανανεώσιμη μορφή

4 Κτίρια: Η σημερινή κατάσταση Τα κτίρια καταναλώνουν περισσότερο από 40% της συνολικής ενέργειας στην ΕΕ και ΗΠΑ Μεταξύ 12% και 18% από επαγγελματικά κτίρια και το υπόλοιπο από κτίρια κατοικιών. Εφαρμόζοντας την οδηγία της Κοινότητας (μείωση κατά 22%) θα μπορούσαν να εξοικονομηθούν 40 Mtoe (εκατομμύρια τόνοι ισοδύναμων πετρελαίου) μέχρι το Η θέρμανση του νερού είναι κύρια δραστηριότητα κατανάλωσης ενέργειας για νοσηλευτικά ιδρύματα, κατοικίες και σχολεία. Ο φωτισμός και η θέρμανση χώρων είναι κύριες δραστηριότητες για επαγγελματικά κτίρια. Η παραγωγή τσιμέντου είναι υπεύθυνη για 10% των συνολικών εκπομπών CO 2 παγκοσμίως. Επιπλέον, οι πρώτες ύλες για την κατασκευή των κτιρίων ΔΕΝ είναι άφθονες ώστε να μπορούν να εξάγονται «κατά βούληση» από τη γη ενώ τα υλικά αυτά διαβρώνονται με την πάροδο του χρόνου ή υποβαθμίζεται η ενεργειακή τους απόδοση κατά τη χρήση τους.

5 Κτίρια Χαμηλής Ενεργειακής Κατανάλωσης: Ο δρόμος. (Κανονιστικό Πλαίσιο) Οδηγία 2010/31/ΕU του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου για την Ενεργειακή Απόδοση των Κτιρίων Τα Κράτη-Μέλη θα πρέπει να εξασφαλίσουν ότι: (α) μέχρι 31 Δεκεμβρίου 2020, όλα τα νέα κτίρια θα είναι σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης (ΣΜΚ) (β) μετά από 31 Δεκεμβρίου 2018, όλα τα δημόσια κτίρια θα πρέπει να είναι ΣΜΚ Τα Κράτη-Μέλη θα πρέπει να καταρτίσουν εθνικά σχέδια για να αυξήσουν τον αριθμό των ΣΜΚ κτιρίων. Τα εθνικά σχέδια θα πρέπει να συμπεριλαμβάνουν στόχους που θα διαφοροποιούνται ανάλογα με την κατηγορία του κτιρίου.

6 Κτίρια ΧΕΚ: Ο δρόμος. (Κανονιστικό Πλαίσιο) Οδηγία 2010/31/ΕU του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου για την Ενεργειακή Απόδοση των Κτιρίων Άρθρο 25: Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται αύξηση της χρήσης κλιματιστικών συστημάτων στις Ευρωπαϊκές χώρες. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργούνται σημαντικά προβλήματα στις ώρες αιχμής φορτίου, αυξάνοντας το κόστος του ηλεκτρισμού και επηρεάζοντας την ενεργειακή ισορροπία. Θα πρέπει να δοθεί προτεραιότητα σε στρατηγικές που βελτιώνουν τη θερμική συμπεριφορά των κτιρίων τους καλοκαιρινούς μήνες. Σε αυτήν την κατεύθυνση, θα πρέπει να γίνει εστίαση σε μέτρα που αποφεύγουν την υπερθέρμανση όπως σκίαση και ικανοποιητική θερμική χωρητικότητα στην κατασκευή του κτιρίου, και την περαιτέρω ανάπτυξη και εφαρμογή παθητικών τεχνικών δροσισμού, ειδικά αυτών που βελτιώνουν τις εσωτερικές κλιματικές συνθήκες και το μικροκλίμα των κτιρίων. Άρθρο 2: Κτίρια σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης χαρακτηρίζεται το κτίριο με πολύ μεγάλη ενεργειακή επίδοση. Το πολύ μικρό ποσό της απαιτούμενης ενέργειας θα πρέπει να παραχθεί κυρίως από ΑΠΕ που παράγονται εντός του κτιρίου ή δίπλα του.

7 Ανάπτυξη νέων τεχνολογιών: Κέλυφος και κατασκευή των κτιρίων Νέα θερμομονωτικά υλικά: πιο λεπτά και ικανά για αποθήκευση ενέργειας νανο-πορώδης silica υλικά αλλαγής φάσης τοίχος μπάλα παραφίνης Νέες τεχνολογίες αντιμετώπισης θερμογεφυρών (ενώσεις μεταξύ των τοίχων, μεταλλικές κατασκευές, πλαίσια αλουμινίου): μείωση των θερμικών απωλειών ως και 30% υπόστρωμα Επίχρισμα Υψηλής θερμομόνωσης και ενεργά παράθυρα: Διπλά με κενό: απώλεια ενέργειας=0.5 W/m 2 / C Θερμοχρωμικά-Ηλεκτροχρωμικά: μεταβλητή με ροή θερμότητας 20-60% Νέα διαφανή υλικά και Φωτοβολταικά

8 Κτίρια και εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας Γιατί να χρησιμοποιήσουμε την ηλιακή ενέργεια; Η ενέργεια από τον ήλιο είναι ανανεώσιμη, καθαρή, άφθονη, ελεύθερη, φτηνή και σχεδόν αστείρευτη πηγή ενέργειας και αν συλλέγονταν όλη αυτή που προσπίπτει στη γη για ορισμένες ώρες, θα έφτανε για ένα χρόνο. Οι υφιστάμενες τεχνολογίες μπορούν να μετατρέψουν την ακτινοβολία σε θερμότητα, ηλεκτρισμό ή ακόμα και ψύξη. Γιατί να χρησιμοποιήσουμε την ηλιακή ενέργεια σε κτιριακά ενσωματωμένες ηλιακές τεχνολογίες; Οι ηλιακές τεχνολογίες, ενεργητικές ή παθητικές, μπορούν να καλύψουν όλες τις ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου: θέρμανση και δροσισμό χώρου, φωτισμό, ζεστό νερό, ηλεκτρισμό Source:EPFL/LESO-PB

9 Ανάπτυξη νέων τεχνολογιών: Ενσωμάτωση ΑΠΕ στα κτίρια Τα ΦΒ παρέχουν 15% από 1000 W/m 2 Οι τιμές περιορίζονται σε λιγότερο από 2 /W (στόχος 2020) Συστήματα πολλαπλών πηγών συνδυάζουν διαφορετικές πηγές Η συμπαραγωγή (θερμότητα & ηλεκτρισμός) αυξάνουν την εξοικονόμηση Νέες τεχνολογίες αποθήκευσης, ηλιοθερμικά συστήματα, δροσισμός & ζεστό νερό χρήσης θα καλύπτουν μεγάλο μέρος των θερμικών αναγκών

10 IEA ECES AND IEA SHC JOINT WORKSHOP»Key Technologies for Future Energy Systems - Solar Heating and Cooling and Energy Storage«November 8th, 2011, Rosenheim, Germany Σήμερα, το σύνολο της κοινωνίας πιστεύει ότι η εξοικονόμηση ενέργειας και οι ΑΠΕ θα συμβάλλουν σημαντικά στο ενεργειακό μέλλον της ανθρωπότητας. Με το Ενεργειακό της Σχέδιο, η Γερμανική Κυβέρνηση έχει μορφοποιήσει οδηγίες για ασφαλή, αξιόπιστη και προσιτή ενεργειακή προμήθεια και για πρώτη φορά όρισε το δρόμο για την εποχή των ΑΠΕ. Τα σενάρια δείχνουν ότι η αναβάθμιση της ενεργειακής λειτουργίας του κτιριακού τομέα είναι κεντρικό σημείο για τον εκσυγχρονισμό της ενεργειακής προμήθειας και την επίτευξη των στόχων της κλιματικής προστασίας. Το Ενεργειακό Σχέδιο όχι μόνο ορίζει το ποσοστό των ΑΠΕ για θέρμανση και ηλεκτρισμό μέχρι το 2050 αλλά και το δρόμο για τις αναβαθμίσεις των κτιρίων και κατασκευών. Dr. Rodoula Tryfonidou Federal Ministry of Economics and Technology (BMWi) Η αναγκαία αλλαγής του ενεργειακού μας συστήματος απαιτεί τεράστια αύξηση στη χρήση των ΑΠΕ. Οι ηλιακές τεχνολογίες θέρμανσης και ψύξης έχουν ένα μεγάλο δυναμικό για να αντικατάσταση των συμβατικών πηγών ενέργειας, ιδίως όταν συνδυαστούν με μέτρα ενεργειακής απόδοσης. Αυτό ισχύει στην κτηριακό τομέα καθώς και στον τομέα των βιομηχανικών εφαρμογών. Η αποθήκευση της ενέργειας είναι απαραίτητη για την αύξηση της χρήσης των ΑΠΕ ώστε να αντιμετωπιστεί η ανισορροπία μεταξύ των συνεχώς μεταβαλλόμενων ροών όπως η ηλιακή ή αιολική ενέργεια και των χαρακτηριστικών του φορτίου.

11 Θερμική αποθήκευση προσρόφησης Θερμικές Αντλίες Μηχανές Ψύξης Αρχή λειτουργίας θερμικής αποθήκευσης με προσρόφηση σε υλικό όπως ζεόλιθοι-silica gel Φόρτιση Θερμότητα υψηλής Θερμοκρασίας (ΗΑ) Εκρόφηση Ατμός Συμπύκνωση Έκλυση Θερμότητας χαμηλής Θερμοκρασίας Αποθήκευση Υλικό υψηλής προσρόφησης Νερό Εκφόρτιση Έκλυση θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας Προσρόφηση Ατμός Εξάτμιση Η εξαγωγή θερμότητας από τον προσροφητή είναι ανάλογη της ποσότητας ατμού που προσροφάται Θερμότητα χαμηλής Θερμοκρασίας (χρήσιμη για ψύξη) Fraunhofer-Institute for Solar Energy Systems J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (8),

12 Όμως: 1. τα ενεργητικά συστήματα απαιτούν μακρόχρονη ανάπτυξη για περιορισμό του μεγέθους, του κόστους, της συντήρησης και της ευκολίας χρήσης (π.χ. οι αντλίες θερμότητας αναπτύσσονται τα τελευταία 40 χρόνια στην Ευρώπη) 2. το οποιοδήποτε σύστημα όπως της ηλιακής ψύξης είναι πολύ πιο εφαρμόσιμο όταν ενσωματώνεται στο κτιριακό περίβλημα ακόμα και από τη φάση του σχεδιασμού 3. η σύγχρονη δόμηση απαιτεί μείωση του ενεργειακού και περιβαλλοντικού κόστους των ενσωματωμένων υλικών

13 Κτίρια που ιδρώνουν Nature Research Highlights Πολυμερικό υλικό (από ETH Zurich) κάνει τα κτίρια να ιδρώνουν Nature 489,180 (13 September 2012), Published online, 12 September 2012

14 Μελέτες στην Ιαπωνία με επικαλύψεις TiO 2 και νερού ή πορωδών υλικών Πορώδης οροφή Φωτο-επαγόμενη Υδροφιλία Λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας, το νερό διατρέχει την επιφάνεια ως λεπτό φιλμ (μερικά μm) και ψύχει την επιφάνεια καθώς εξατμίζεται. J. He, A. Hoyano Energy and Buildings 40 (2008) 968 Q. Meng, W. Hu Energy and Buildings 37 (2005) 1 S. Wanphen, K.Nagano Building and Environment 44 (2009) 338

15 Ηλιακός δροσισμός κτιρίων με δομική ενσωμάτωση μεσοπορωδών υλικών Rain retention or Night moisture sorption Latent Heat due to evaporation Convection Κύκλος: Νυχτερινή προσρόφηση υγρασίας Συμπύκνωση - Ηλιακή Εξάτμιση - Εκρόφηση Al 2 O 3 TOT clay sheet Cation H 2 O Al 2 O 3 Reduced heat transfer Τ1 TOT clay sheet Cation Τ2<Τ1 H 2 O Pillared Clay surface Reduced insulation Η επιφανειακή θερμοκρασία του μεσο- πορώδους υποστρώματος μειώνεται, εξαιτίας της λανθάνουσας θερμότητας και της ενέργειας εκρόφησης που απελευθερώνονται Η ροή θερμότητας διαμέσου της οροφής ή του κελύφους περιορίζεται Τμήμα ΔΠΦΠ, ΠΔΕ, Vardoulakis et al. Solar Energy Materials & Solar Cells 95 (2011) 2363.

16 Ηλιακός δροσισμός κτιρίων με δομική ενσωμάτωση μεσοπορωδών υλικών Ως υλικό οροφής ή Ενσωματωμένο σε τμήματα των κτηρίων Πρόσθετα (Οροφή καλυμμένη με βότσαλα) Προσρόφηση υγρασίας κατά τη διάρκεια της νύχτας ή σε μια βροχόπτωση Λανθάνουσα θερμότητα λόγω εξάτμισης Μετάδοση θερμότητας με μεταγωγή Τ1 Τ2<Τ1 Μειωμένη Ροή Θερμότητας Πορώδη κεραμική επιφάνεια Μειωμένη μόνωση Χρήση σε θερμοκήπια για διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας

17 Ηλιακός δροσισμός με μεσοπορώδη υλικά Υλικά μελέτης στο Τμήμα ΔΠΦΠ, ΠΠ Πρώτες Ύλες: - Ιπτάμενη Τέφρα Ατμοηλεκτρικών Σταθμών ΚΟΖ-ΠΤΟ-ΜΕΓ - Μπεντονίτης (δεύτερη χώρα παραγωγής παγκοσμίως) - Σηπιόλιθος (κοιτάσματα Ευβοίας, Εσκισεχίρ Τουρκίας, ΤΟΛΣΑ Ισπανίας) Τροποποιήσεις: Μπεντονίτης με οξείδια του Αλουμινίου Σηπιόλιθος με οξείδια του Τιτανίου Νέα υλικά Χαρακτηρισμός Υλικών: Στοιχειακή ανάλυση, Ακτινογραφήματα, Θερμική Ανάλυση, Φασματοφωτομετρία UV/VIS/NIR, Κατανομή Πόρων κλπ. Πειράματα Προσρόφησης Υγρασίας Κατασκευή Αεροσήραγγας ελεγχόμενων περιβαλλοντικών συνθηκών Μέτρηση ρυθμών εξάτμισης με ή χωρίς προσομοιωμένη ηλιακή ακτινοβολία

18 Abs (%) Χαρακτηρισμός Υλικών Φασματοφωτομετρία Απορρόφησης MESO1-RH (33%) MESO1-RH (75%) MESO1-Room stored 25%TiO2-MESO1-Room stored Ισόθερμες προσρόφησης υγρασίας Wavelength (nm) Dubinin and Astakhov Eq.

19 Αεροσήραγγα ελεγχόμενων περιβαλλοντικών συνθηκών Ρυθμιζόμενη ταχύτητα ανέμου σε 1.5 m/s, ώστε να προσομοιώνει την ταχύτητα του ανέμου κατά τους καλοκαιρινούς μήνες στο Αγρίνιο Ηλιακός προσομοιωτής ΑΜ1.5

20 Επιβεβαίωση της Αρχής: Προσομοιωμένος ηλιακός δροσισμός Μέχρι και 5 C διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της αύξησης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του σηπιολίθου σε σχέση με τη χρήση σκυροδέματος με πρόσπτωση ΗΜ ακτινοβολίας

21 Πολυλειτουργικές εφαρμογές των υλικών δροσισμού με in situ δημιουργία TiO 2 για φωτοαποικοδόμιση ρύπων UV-VIS για ΦΑ ρύπων VIS-NIR για Δροσισμό Διερεύνηση εφαρμογής σε πλάκες πεζοδρομίου και δομικά υλικά

22 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Φορείς Χρηματοδότησης Έρευνας: Τμήμα ΔΠΦΠ (ΠΙ, ΠΔΕ, ΠΠ) Ίδρυμα Λάτση (Δημόσια πρόσκληση 2010), Γενική Γραμματεία Έρευνας & Τεχνολογίας (Ηράκλειτος ΙΙ, Συνεργασία Ελλάδας-Τουρκίας Ι και ΙΙ, και ΑΡΙΣΤΕΙΑ I (συγχρηματοδότηση από European Social Fund (ESF) και Εθνικούς Πόρους).