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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ιπλωµατική Εργασία του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ ΣΙ ΕΡΗ ΤΟΥ ΗΜΗΤΡΙΟΥ Αριθµός Μητρώου: 3856 Θέµα Μελέτη και Τεχνικές Εξοικονόµησης Ενέργειας σε Κτιριακές Εγκαταστάσεις Επιβλέπων ΓΑΒΡΙΗΛ Β. ΓΙΑΝΝΑΚΟΠΟΥΛΟΣ Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2010

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η ιπλωµατική Εργασία µε θέµα Μελέτη και Τεχνικές Εξοικονόµησης Ενέργειας σε Κτιριακές Εγκαταστάσεις Του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ ΣΙ ΕΡΗ ΤΟΥ ΗΜΗΤΡΙΟΥ Αριθµός Μητρώου: 3856 Παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 06/07/2010 Ο Επιβλέπων Ο ιευθυντής του Τοµέα ΓΑΒΡΙΗΛ Β. ΓΙΑΝΝΑΚΟΠΟΥΛΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝ ΡΙ ΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ

4

5 Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Θέµα: Μελέτη και Τεχνικές Εξοικονόµησης Ενέργειας σε Κτιριακές Εγκαταστάσεις Φοιτητής: ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΣΙ ΕΡΗΣ Επιβλέπων: ΓΑΒΡΙΗΛ Β. ΓΙΑΝΝΑΚΟΠΟΥΛΟΣ Περίληψη Τρέχουσες τεχνικές εξοικονόµησης ενέργειας σε κτιριακές εγκαταστάσεις, τρέχον νοµικό πλαίσιο και µελέτη εξοικονόµησης ενέργειας κατοικίας.

6

7 Περιεχόμενα Περιεχόμενα Εισαγωγή Γενικά Το πρόβλημα της Ηλεκτρικής Ενέργειας σήμερα Η Ηλεκτρική Ενέργεια στις Κτιριακές Εγκαταστάσεις Η ελληνική νοοτροπία Τα κεφάλαια της εργασίας Το Περιβάλλον του Κτιρίου Το Δομημένο Περιβάλλον Η Αστικοποίηση και οι συνέπειές της Το οικολογικό αποτύπωμα Το φαινόμενο της Αστικής Χαράδρας Το φαινόμενο της Θερμικής Νησίδας Οδηγίες για βελτιστοποίηση μικροκλίματος σε υπαρκτούς και νέους οικισμούς Το Κτίριο Πρώτα βήματα στην εξοικονόμηση Ενέργειας Γενικά Κτίριο και περιβάλλον Το εξωτερικό περιβάλλον Προσανατολισμός - Ηλιασμός Κήποι και δένδρα Το εσωτερικό περιβάλλον Θερμική άνεση Οπτική άνεση Ποιότητα αέρα Το κέλυφος του κτιρίου Οικοδομικά στοιχεία Τοιχοποιία

8 Κονιάματα σύνδεσης Επιχρίσματα Χρωματισμός Τα ανοίγματα του κελύφους Υαλοπίνακες Πλαίσια Σκίαστρα Θερμομόνωση Μετάδοση της θερμότητας Θερμομόνωση Η υγρασία Είδη υγρασίας και υγρομόνωσης Το φύτεμα του δώματος Το Κλίμα Οι ενεργειακές ανάγκες του Κτιρίου Γενικώς Φωτισμός Ο φυσικός φωτισμός Ο τεχνητός φωτισμός Ενεργειακώς αποδοτική σχεδίαση συστήματος τεχνητού φωτισμού Λαμπτήρες Φωτιστικές Συσκευές - Φωτιστικά Σώματα Συσκευές Σύνδεσης Φωτιστικών σωμάτων - Λαμπτήρων Συστήματα Ελέγχου Φωτισμού Συντήρηση Τεχνητού Φωτισμού Θέρμανση Η φυσική θέρμανση Τα Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης Η τεχνητή θέρμανση Τοπικά Συστήματα Θέρμανσης

9 Κεντρικά Συστήματα Θέρμανσης Δροσισμός Ο φυσικός δροσισμός Φυσικός Αερισμός Υβριδικός αερισμός Εξαναγκασμένος τεχνητός - αερισμός Ψύξη μέσω εδάφους Νυκτερινή ακτινοβολία Εξατμιστικός Δροσισμός Ο τεχνητός δροσισμός Τοπικά συστήματα κλιματισμού Κεντρικά συστήματα κλιματισμού Άλλες Μέθοδοι Θέρμανσης / Ψύξης Η Ανάκτηση Θερμότητας Ανάκτηση θερμότητας από κλιματιστικές συσκευές Ανάκτηση θερμότητας από συστήματα αερισμού κτιρίων Η Ψύξη Αφύγρανσης Η Ψύξη Απορρόφησης - Προσρόφησης Τριχοειδείς Σωλήνες Η Χρήση Φυσικού Αερίου Η Ορθολογική Χρήση Ενέργειας Θερμικές Ζώνες Έλεγχος εσωτερικών θερμικών κερδών και φορτίων Αποθήκευση Ψύξης - Παγολεκάνες Φορτία Οι ηλεκτρικές συσκευές Ψυγεία και Καταψύκτες συστήματα κλιματισμού Πλυντήρια Ρούχων Πλυντήρια Πιάτων Κλιματιστικές Συσκευές

10 Ηλεκτρικοί Θερμοσίφωνες Ηλεκτρικές Κουζίνες Η Ενεργειακή Ετικέτα Η Χρήση Νερού Η Χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στα Κτίρια Φωτοβολταϊκά Συστήματα Κατηγοριοποίηση και δομή Τοποθέτηση και Προσανατολισμός Η Ηλεκτρική Εγκατάσταση Ανεμογεννήτριες Γεωθερμία Βιομάζα Γενικώς Χρήσεις Συμπαραγωγή Θερμότητας Ηλεκτρισμού Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Γενικώς Εφαρμογές Παραγωγή Θερμού Νερού Χρήσης Η Θέρμανση και ο Δροσισμός Χώρων Αφαλάτωση Θέρμανση κολυμβητικής δεξαμενής Οι Επαγγελματικοί Χώροι Η Βιομηχανία Η Παραγωγική Διαδικασία Η Κίνηση Ο Πεπιεσμένος Αέρας Αέρας Εισαγωγής Αεροσυμπιεστές Η Σχεδίαση Δικτύου

11 Η Ανάκτηση Θερμότητας Βιομηχανική Ψύξη Παραγωγικός Εξοπλισμός Βιομηχανικές Κτιριακές Εγκαταστάσεις Μέτρα Γενικών Εφαρμογών Ενεργειακή Επιθεώρηση Ενεργειακή Διαχείριση Ενεργειακή Αναδιοργάνωση - Οικονομική Λειτουργία Ηλεκτρικών Συστημάτων Συντήρηση Καύσιμα Παραγωγική Διαδικασία Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Αθλητικές Εγκαταστάσεις Ενεργειακές Ανάγκες Γενικές Ενεργειακές Ανάγκες Θέρμανση του Νερού Πισίνας Ενεργειακή Απόδοση Εξοικονόμηση Ενέργειας Επεμβάσεις στο Κέλυφος Επεμβάσεις στον Τεχνητό Φωτισμό Επεμβάσεις στο Σύστημα Θέρμανσης Επεμβάσεις στο Σύστημα Ψύξης Επεμβάσεις στα Συστήματα Ελέγχου Επεμβάσεις στα Ηλεκτρικά Συστήματα Επεμβάσεις στους Εξωτερικούς Χώρους Επεμβάσεις στη Συντήρηση Ενεργειακή Διαχείριση και Επιθεώρηση Ενεργειακή Διαχείριση

12 8.2 Ενεργειακή Επιθεώρηση Ενεργειακή Παρακολούθηση και Θέσπιση Ενεργειακών Στόχων (Monitoring & Targeting) Συντήρηση Κτιρίου και Εγκαταστάσεων Ενεργειακή Συμπεριφορά Ενοίκων και Χρηστών Συστήματα Ενεργειακής Διαχείρισης Μέτρα Εξοικονόμησης Ενέργειας Μέτρα χαμηλού ή / και μηδενικού κόστους Μέτρα τα οποία χαρακτηρίζονται από κάποιο αρχικό κόστος επένδυσης Το Νομικό Πλαίσιο Η Ενεργειακή Σήμανση Συσκευών Η Ενεργειακή Ετικέτα Το Άστρο Ενέργειας Εξοικονόμηση Ενέργειας και Ενεργειακή Πιστοποίηση Κτιρίων Νομικό Πλαίσιο ΑΠΕ Γενικώς Ενισχύσεις και Χρηματοδοτήσεις Τιμολόγηση Διαδικασία Αδειοδότησης Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Προγράμματα Ενεργειακής Παραγωγής και Εξοικονόμησης Πρόγραμμα «ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΩ» Πρόγραμμα GreenBuilding Πρόγραμμα «Εξοικονόμηση κατ Οίκον» Έργο PERCH Μελέτη Εξοικονόμησης Ενέργειας Το υφιστάμενο κτίριο Κυριότερα Ζητήματα Προτεινόμενες Επεμβάσεις και Αξιολόγησή τους Επεμβάσεις στη θερμομόνωση Επεμβάσεις στη θέρμανση

13 Επεμβάσεις στον φωτισμό Επεμβάσεις στο Θερμό Νερό Χρήσης Επεμβάσεις στον Εξαερισμό Συμπεράσματα Βασικοί Ορισμοί Βιβλιογραφία Γενικώς Νομικό Πλαίσιο ΑΠΕ Προγράμματα Ενεργειακής Παραγωγής και Εξοικονόμησης ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΒΟΗΘΗΤΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ

14 1. Εισαγωγή 1.1 Γενικά Στη σημερινή εποχή, η συζήτηση σχετικά με την ενέργεια - ειδικά στην ηλεκτρική της μορφή - και την εξοικονόμησή της, κινδυνεύει να αναλωθεί στην επανάληψη κοινότοπων και πομπωδών εκφράσεων, απόψεων και αφορισμών με ελάχιστη προσφορά στην κατανόηση ή και την επίλυση του ζητήματος. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην κατάδειξη προβλημάτων και παραγόντων οι οποίοι, λόγω έλλειψης χρόνου και τεχνικής κατάρτισης, δικαιολογημένα διαφεύγουν του σύγχρονου καταναλωτή, καθώς και στη συγκέντρωση χρήσιμων, όσο γίνεται στη σύγχρονη και ταχέως μεταβαλλόμενη ελληνική πραγματικότητα, πληροφοριών, επάνω στο θέμα του τίτλου της. 1.2 Το πρόβλημα της Ηλεκτρικής Ενέργειας σήμερα Η ανάπτυξη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων αυξάνεται συνεχώς, με συνακόλουθο αποτέλεσμα την αύξηση της ενεργειακής ζήτησης. Η ηλεκτρική ενέργεια - λόγω της εύκολης σχετικώς μετατροπής της από και προς άλλες μορφές - τείνει να μονοπωλήσει αυτήν την ζήτηση, οδηγώντας το ερευνητικό πεδίο προς την κατεύθυνση βελτιώσεων και οικολογικών πλέον λύσεων, οι οποίες αφορούν την ηλεκτρική φύση της ενέργειας. 1.3 Η Ηλεκτρική Ενέργεια στις Κτιριακές Εγκαταστάσεις Πέρα από την εύρεση και εφαρμογή νέων τεχνολογιών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ο σύγχρονος μηχανικός έχει να αντιμετωπίσει και το πρόβλημα της παροχής άμεσων λύσεων στο ζήτημα της εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας σε νέες ή ήδη υπάρχουσες εγκαταστάσεις όπου η αναμονή μελλοντικών λύσεων είναι εξωφρενική και ασύνδετη με την πραγματικότητα - αλλά και την εκρίζωση της νοοτροπίας κακοδιαχείρισης της ενέργειας, από την αλόγιστη χρήση του φωτισμού έως τις υπερβολές στη χρήση των κλιματιστικών συσκευών και την ενεργειακή δαπάνη κατά την κατασκευή, λειτουργία και συντήρηση του κτιρίου. Ζητούμενο σε μία κτιριακή εγκατάσταση είναι η άνετη και απρόσκοπτη χρήση της για τους σκοπούς για τους οποίους κατασκευάστηκε. Στις περισσότερες όμως εγκαταστάσεις - με την εξαίρεση ειδικών περιπτώσεων, όπως ψυκτικές κτιριακές εγκαταστάσεις και λοιπά, ο άνετος φωτισμός και η θερμική άνεση αποτελούν παράγοντες οι οποίοι μπορεί να διαφέρουν, για παράδειγμα, μεταξύ επαγγελματικών εγκαταστάσεων και κατοικιών, αλλά είναι σταθεροί όσον αφορά στην ομαλή παραμονή των εργαζομένων και ενοίκων αντιστοίχως. Η πλήρης εξέταση των ενεργειακών δαπανών κατά την σχεδίαση, ανέγερση, κατασκευή και συντήρηση ενός κτιρίου όχι μόνο ξεφεύγει από τα όρια μιας διπλωματικής εργασίας, αλλά άπτεται πολλών επιστημών, όπως της Πολεοδομίας, της Επιστήμης του Πολιτικού Μηχανικού, της Επιστήμης του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και λοιπά. Η παρούσα 14

15 διπλωματική εργασία θα ασχοληθεί κυρίως με την μελέτη και τις τεχνικές εξοικονόμησης της ηλεκτρικής ενέργειας. Η εξοικονόμηση της ηλεκτρικής ενέργειας στα κτίρια δεν είναι μόνο ιδιωτική υπόθεση. Η ίδια η δομή των πόλεων και η χρήση των κατάλληλων υλικών επιδρά δραματικά στις κτιριακές ενεργειακές ανάγκες. Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στις ατομικές ενέργειες όσον αφορά στο θέμα της, αλλά κάτι τέτοιο δεν πρόκειται να οδηγήσει σε ριζική αλλαγή της ενεργειακής χρήσης χωρίς την συνεισφορά της Πολιτείας και αντιστρόφως. 1.4 Η ελληνική νοοτροπία Ειδικά στον ελλαδικό χώρο, έχει αρχίσει να γίνεται έντονη η συναίσθηση πως η λύση στο ενεργειακό ζήτημα δεν αφορά μόνο στον κρατικό μηχανισμό, αλλά και στο κάθε μέλος της κοινωνίας ξεχωριστά. Αν και κάτι τέτοιο φαίνεται να δυσχεραίνει τα πράγματα, δεδομένης της τάσης προς την εύκολη «από μηχανής θεού» λύση, μπορεί να λειτουργήσει θετικά μέσα από το επιχείρημα της ενεργειακής αυτονόμησης και του οικονομικού κέρδους κάτι που μάλλον θα ενδιαφέρει τον σύγχρονο καταναλωτή. Ειδικά σε περιόδους οικονομικής δυσπραγίας, η εξοικονόμηση της ενέργειας αποκτά μεγαλύτερη σημασία. Δυστυχώς, φαίνεται πως η σπουδαιότητα της ενεργειακής ενέργειας μόνο σε τέτοιες περιόδους γίνεται αντιληπτή. 1.5 Τα κεφάλαια της εργασίας Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μια εισαγωγή στη Διπλωματική Εργασία. Στο δεύτερο κεφάλαιο παραθέτονται ορισμένες πληροφορίες σχετικά με το περιβάλλον, ιδιαίτερα το αστικό. Καθώς το θέμα του δομημένου περιβάλλοντος επιδέχεται πολλών μελετών και συζητήσεων, αναφέρονται μόνο μερικά ενδεικτικά στοιχεία ώστε να αναδειχθεί η σημασία του για την εξοικονόμηση ενέργειας. Η εξοικονόμηση ενέργειας ξεκινά με το τρίτο κεφάλαιο. Η περιγραφή του κτιρίου και της σχέσης του με το εξωτερικό και εσωτερικό περιβάλλον είναι αδύνατον να μην συνοδευθεί από σχόλια σχετικά με την κατανάλωση και εξοικονόμηση ενέργειας αλλιώς οι επαναλήψεις σε μεταγενέστερα κεφάλαια θα ήσαν αναπόφευκτες. Το τέταρτο κεφάλαιο μελετά εκτενέστερα την ενεργειακή κατανάλωση στα κτίρια και τις προτεινόμενες λύσεις. Το πέμπτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Το έκτο και το έβδομο είναι αφιερωμένα στη βιομηχανία και τις αθλητικές εγκαταστάσεις. Λύσεις οι οποίες προτάθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια ισχύουν προφανώς και εδώ. Συνεπώς, αναφέρονται ιδιαίτερα ζητήματα και τρόποι αντιμετώπισης. Η ενεργειακή επιθεώρηση και διαχείριση εξετάζονται στο όγδοο κεφάλαιο. Το νομικό πλαίσιο εξοικονόμησης ενέργειας καθώς και τα ζητήματα τα οποία το συνοδεύουν αποτελούν το αντικείμενο του ένατου κεφαλαίου. Το δέκατο κεφάλαιο παρουσιάζει μια μελέτη εξοικονόμησης ενέργειας μιας κατοικίας υπό ανακαίνιση. Το ενδέκατο κεφάλαιο ολοκληρώνει την εργασία καταλήγοντας σε ορισμένα συμπεράσματα. Βασικοί τεχνικοί όροι και βιβλιογραφία αναφέρονται στο δωδέκατο και δέκατο τρίτο κεφάλαιο αντίστοιχα. Υπάρχει επίσης ένα Παράρτημα με κάποιους βοηθητικούς πίνακες. 15

16 2. Το Περιβάλλον του Κτιρίου 2.1 Το Δομημένο Περιβάλλον Ως δομημένο περιβάλλον ορίζεται το σύνολο του χώρου όπου έχουν αναπτυχθεί οι υποδομές και τα κτίρια τα οποία καλύπτουν τις ανάγκες διαμονής, εργασίας και αναψυχής των ενοίκων. Εκφράζοντας την εκάστοτε επικρατούσα νοοτροπία, το δομημένο περιβάλλον καταλήγει σήμερα να θεωρείται ως ένα σύστημα το οποίο αλληλεπιδρά με τις συνθήκες. Αυτή η νέα νοοτροπία, αφ ενός επαναφέρει το μέτρο στη λογική των κατασκευαστών και, αφ ετέρου, αναζητά λύσεις σύμφωνες με την οικολογία. Αναλόγως της πυκνότητάς του σε κτίρια και των υποδομών, το δομημένο περιβάλλον χαρακτηρίζεται ως αστικό, ημιαστικό ή αγροτικό. 2.2 Η Αστικοποίηση και οι συνέπειές της Σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Περιβάλλοντος, για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία στις μικρές και μεγάλες πόλεις κατοικούν περισσότεροι άνθρωποι απ' ότι στις αγροτικές περιοχές. Η Ευρώπη είναι μια από τις πλέον αστικοποιημένες ηπείρους, με περίπου το 75% του πληθυσμού της να κατοικεί σε αστικές περιοχές. Το ποσοστό αυτό αναμένεται, έως το 2020, να ανέλθει στο 80%. Η ζήτηση για εκτάσεις στο εσωτερικό και γύρω από τις πόλεις γίνεται ολοένα και εντονότερη. Η συνεπαγόμενη άτακτη αστική δόμηση τόσο εμφανής στον ελλαδικό χώρο - αναδιαμορφώνει το τοπίο, επηρεάζοντας την ποιότητα ζωής των ανθρώπων και το περιβάλλον. Ο πολεοδομικός σχεδιασμός, η πολεοδομική διαχείριση, τα ζητήματα της στέγασης, της εργασίας και των μεταφορών αποτελούν βασικά και συνεχή προβλήματα των δημοτικών και κρατικών αρχών και η επίλυσή του πολλές φορές απλώς επιβαρύνει το πρόβλημα. Η αστική ανάπτυξη έχει έντονη ευρωπαϊκή διάσταση, με τις πόλεις να αλληλεπιδρούν και να επηρεάζουν τις περιβάλλουσες εκτάσεις, ασκώντας επίδραση στο περιβάλλον ευρύτερων περιοχών. Η ανάπτυξη αυτή καθορίζεται επίσης από εξωτερικούς παράγοντες, όπως οι δημογραφικές μεταβολές, η ανάγκη για κινητικότητα, η παγκοσμιοποίηση και οι κλιματικές αλλαγές. Παράγοντες όπως η μείωση του μεγέθους των οικογενειών και η γήρανση του πληθυσμού αναμένεται να ενισχύσουν τις περιβαλλοντικές πιέσεις κατά τις προσεχείς δεκαετίες, χωρίς να συνυπολογισθούν παράγοντες όπως η ύφεση, οι πολεμικές συγκρούσεις και λοιπά. Η περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας επηρεάζει, με τη σειρά της, τα αστικά συστήματα. Μεγάλες και μικρές πόλεις λειτουργούν σαν κινητήριες δυνάμεις της προόδου, συχνά προωθώντας πολιτιστικά, πνευματικά, εκπαιδευτικά και τεχνολογικά επιτεύγματα και καινοτομίες. Η σημερινή όμως τάση για νέες, χαμηλής πυκνότητας προσεγγίσεις της αστικής ανάπτυξης οδηγεί στην αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας, των πόρων, των μεταφορών και των εκτάσεων, αυξάνοντας τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, τη 16

17 ρύπανση της ατμόσφαιρας και την ηχορύπανση σε επίπεδα συχνά ανώτερα των νομίμων ή τα συνιστώμενων για την ανθρώπινη ασφάλεια ορίων. Καθώς μια αναλυτική μελέτη του αστικού περιβάλλοντος θα μπορούσε να δώσει αρκετό υλικό για ολόκληρες επιστημονικές δημοσιεύσεις, θα αναφερθούν απλώς κάποια στοιχεία για το οικολογικό αποτύπωμα, το φαινόμενο της αστικής χαράδρας και το φαινόμενο της θερμικής νησίδας. 2.4 Το οικολογικό αποτύπωμα Το οικολογικό αποτύπωμα είναι ουσιαστικά η έκταση γης και υδάτων η οποία απαιτείται για την παραγωγή των πόρων τους οποίους καταναλώνει ή την απορρόφηση των αποβλήτων τα οποία παράγει ένα άτομο, μία πόλη ή μία χώρα. Το οικολογικό αποτύπωμα του Μείζονος Λονδίνου, για παράδειγμα, είναι 293 φορές μεγαλύτερο από την έκτασή του, διπλάσιο από την έκταση του Ηνωμένου Βασιλείου. 2.4 Το φαινόμενο της Αστικής Χαράδρας Το φαινόμενο της αστικής χαράδρας περιγράφει την μείωση ταχύτητας και την αλλαγή της διεύθυνσης του ανέμου καθώς και την θερμοκρασιακή διαστρωμάτωση του αέρα στους δρόμους των πόλεων. Προς κατανόηση του φαινομένου της αστικής χαράδρας, είναι απαραίτητη η διάκριση μεταξύ του ατμοσφαιρικού κτιριακού στρώματος και του ατμοσφαιρικού στρώματος. Ατμοσφαιρικό κτιριακό στρώμα ονομάζεται το αέριο στρώμα ανάμεσα στο έδαφος και το ύψος των κτιρίων. Ατμοσφαιρικό στρώμα ονομάζεται το αέριο στρώμα επάνω από τα κτίρια. Η ροή του αέρα στο ατμοσφαιρικό κτιριακό στρώμα ρυθμίζεται από τα χαρακτηριστικά της ροής του αέρα επάνω από τα κτίρια καθώς και από τοπικά φαινόμενα, όπως η τοπογραφία των οδών, το είδος και το ύψος των κτιρίων, η κυκλοφορία των οχημάτων, τα δένδρα και λοιπά. Ο χαρακτηρισμός της ροής του ανέμου σε μια οδό γίνεται με βάση τη γωνία πρόσπτωσης του ανέμου στην οδό καθώς και από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της οδού: το μέσο ύψος H των κτιρίων, το μήκος του δρόμου L και το πλάτος του W., όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.1 Το είδος της ροής ταξινομείται στις εξής κατηγορίες, αναλόγως της γωνίας πρόσπτωσης: 1. Ροή του ανέμου υπεράνω των κτιρίων με διεύθυνση παράλληλη προς τον άξονα του δρόμου Σε αυτήν την περίπτωση η ροή του ανέμου είναι παράλληλη προς τον άξονα του δρόμου, εκτός από τις περιοχές κοντά στις κατακόρυφες επιφάνειες (κτίρια και λοιπά), όπου παρατηρείται ανοδική ροή. 2. Ροή του ανέμου με διεύθυνση κάθετη προς τον άξονα του δρόμου Σε αυτήν την περίπτωση η ροή του ανέμου εντός του δρόμου εξαρτάται από τα γεωμετρικά του χαρακτηριστικά. Πιο συγκεκριμένα: 17

18 Όταν το πλάτος του δρόμου είναι μεγάλο και το ύψος των κτιρίων μικρό H/W < , ο άνεμος ο οποίος πνέει επάνω από τα κτίρια διεισδύει στον δρόμο, διατρέχει ένα μέρος του και στη συνέχεια εξέρχεται. Στην υποπερίπτωση αυτή επιτυγχάνεται καλός αερισμός του περιβάλλοντος των κτιρίων χώρου. Όταν το πηλίκο του ύψους των κτιρίων προς το πλάτος του δρόμου αυξάνεται αλλά παραμένει μικρότερο του 0.7, ο αέρας εισέρχεται μόνο εν μέρει στον δρόμο, σαρώνει κατακόρυφα την επιφάνεια του υπήνεμου κτιρίου και εξέρχεται στο μέσον του ύψους της κατακόρυφης διάστασης του δρόμου. Στην υποπερίπτωση αυτή, η επιφάνεια του προσήνεμου κτιρίου χαρακτηρίζεται από μικρές κατακόρυφες ταχύτητες αέρα και επομένως το δυναμικό του φυσικού αερισμού των κτιρίων είναι περιορισμένο. Όταν το πηλίκο του ύψους των κτιρίων προς το πλάτος του δρόμου είναι ανώτερο του 0.7, ο αέρας ο οποίος ρέει υπεράνω των κτιρίων δεν εισέρχεται πρακτικά στον δρόμο. Δημιουργείται επομένως μια δευτερογενής σπειροειδής ροή χαμηλής ταχύτητας στον χώρο ανάμεσα στα κτίρια. Στην υποπερίπτωση αυτή το δυναμικό του φυσικού αερισμού των κτιρίων είναι σχετικώς περιορισμένο. 3. Ροή του ανέμου με διεύθυνση η οποία σχηματίζει γωνία προς τον άξονα του δρόμου Σε αυτήν την περίπτωση η ροή χαρακτηρίζεται από την ελικοειδή κίνηση του αέρα κατά πλάτος του δρόμου και διαδίδεται, ταυτοχρόνως, κατά το μήκος του. Η ταχύτητα του αέρα καθ ύψος του υπήνεμου κτιρίου είναι μεγαλύτερη της ταχύτητας του αέρα καθ ύψος του προσήνεμου κτιρίου. Όταν το πηλίκο του ύψους των κτιρίων προς το πλάτος του δρόμου είναι μεγαλύτερο του 0.7, το δυναμικό του φυσικού αερισμού των κτιρίων είναι αρκετά περιορισμένο. Σχήμα 2.1. Το φαινόμενο της αστικής χαράδρας. 2.5 Το φαινόμενο της Θερμικής Νησίδας Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας είναι η αύξηση της θερμοκρασίας στις πόλεις. Είναι γνωστό πάνω από έναν αιώνα και αποτελεί ίσως το πλέον τεκμηριωμένο φαινόμενο κλιματικής μεταβολής. Παρατηρείται σε όλες τις πόλεις και είναι ενδεχομένως το πλέον έκδηλο περιβαλλοντικό αποτέλεσμα της αστικοποίησης. 18

19 Οι παράγοντες οι οποίοι συντελούν στη δημιουργία του φαινομένου της θερμικής νησίδας είναι η γεωμετρία των κτιρίων και των αστικών δρόμων, οι θερμικές και οπτικές ιδιότητες των υλικών, η ανθρωπογενής θερμότητα όπως, για παράδειγμα, οχήματα, σταθερές πηγές και λοιπά, το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η μειωμένη εξατμισοδιαπνοή και εξάτμιση - εξ αιτίας των μικρών επιφανειών πρασίνου και νερού στις πόλεις - και η μείωση της ροής αέρα στους δρόμους. Το αποτέλεσμα είναι η ανάπτυξη υψηλότερων θερμοκρασιών στο κέντρο των πόλεων, η οποία έχει και θετικές και αρνητικές συνέπειες - αν και υπερτερούν οι αρνητικές. Παράδειγμα θετικών συνεπειών είναι η αύξηση της περιβαλλοντικής θερμοκρασίας κατά την χειμερινή περίοδο μείωση αναγκών θέρμανσης στα κτίρια των αστικών περιοχών. Στις αρνητικές συγκαταλέγονται η αύξηση της ενεργειακής κατανάλωσης, η μείωση της απόδοσης των κλιματιστικών συσκευών και η αύξηση του ηλεκτρικού φορτίου αιχμής κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, καθώς επίσης και η αύξηση των ρύπων παραγωγής. Προφανώς η αντιστάθμιση από τα θερμικά κέρδη τον χειμώνα είναι μικρή. 2.6 Οδηγίες για βελτιστοποίηση μικροκλίματος σε υπαρκτούς και νέους οικισμούς Είναι εμφανές πλέον πως η εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα κτίριο δεν αφορά μόνο στο κτίριο, αλλά σε ολόκληρο τον περιβάλλοντα χώρο. Παρ όλ αυτά, η βελτιστοποίηση των συνθηκών στους οικισμούς είναι ευθύνη της πολιτείας. Εδώ θα προταθούν μόνο μερικές γενικές ενέργειες. Πρωταρχικός στόχος είναι η μείωση των θερμικών κερδών, τα οποία οφείλονται στην απορροφώμενη ηλιακή ακτινοβολία και την ανθρωπογενή θερμότητα η οποία εκλύεται από τα μεταφορικά μέσα, τους καυστήρες και τις συσκευές. Σημαντική είναι και η αύξηση των θερμικών απωλειών οι οποίες οφείλονται στην μεγάλου μήκους (θερμική) ακτινοβολία που εκπέμπουν τα κτίρια και εν γένει τα δομικά στοιχεία της πόλης, τη θερμότητα που απάγεται από τα κτίρια ή τους δρόμους μέσω του φαινομένου της μεταφοράς θερμότητας, το οποίο οφείλεται στην κίνηση του αέρα και τις απώλειες θερμότητας μέσω του φαινομένου εξατμισοδιαπνοής και εξάτμισης από τα φυτά και τις υδάτινες επιφάνειες. Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία εισέρχεται στο κτίριο, ονομάζεται θερμικό κέρδος. Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία εξέρχεται από το κτίριο, ονομάζεται θερμική απώλεια. Η μείωση θερμικών κερδών συντελείται με: 1. Την μείωση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτή είναι δυνατή με: Τον σκιασμό της επιφάνειας με χρήση τεχνητών σκιάστρων, φυτών και δέντρων και τον αλληλοσκιασμό των επιφανειών Την μείωση της απορροφητικότητας και την αύξηση της ανακλαστικότητας των επιφανειών στο ηλιακό φάσμα. Αυτή είναι δυνατή με τη χρήση βαφών ανοικτού χρώματος, τη χρήση ψυχρών υλικών, την αποφυγή υλικών υψηλής απορροφητικότητας στην ηλιακή ακτινοβολία και την αποφυγή της ανακλώμενης ακτινοβολίας 19

20 2. Την μείωση της εκλυόμενης ανθρωπογενούς θερμότητας μέσω Της μείωσης κυκλοφορίας αυτοκινήτων στην πόλη Της τοποθέτησης ψυκτικών διατάξεων επάνω από το επίπεδο των κτιρίων Η αύξηση των θερμικών απωλειών γίνεται με: 1. Μέσω της εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας με: Την χρήση ψυχρών υλικών Τη διαφυγή θερμικής ακτινοβολίας, η οποία επιτυγχάνεται με τη δημιουργία μεγάλου πλάτους δρόμου σε σχέση με το ύψος των κτιρίων 2. Μέσω της μεταφοράς θερμότητας. Αυτή επιτυγχάνεται με: Την επίτευξη θερμοκρασίας των επιφανειών μεγαλύτερης από αυτήν του αέρα Την απρόσκοπτη κίνηση αέρα παράλληλα προς τις επιφάνειες Το μεγάλο πλάτος δρόμου σε συνδυασμό με το μικρό ύψος κτιρίων Στις περιπτώσεις όπου το πλάτος του δρόμου είναι μικρό σε σχέση με το ύψος των κτιρίων, με τη δημιουργία ανοιγμάτων στην οροφή και τις πλευρικές επιφάνειες 3. Με την αποδοτική εκμετάλλευση των θερμικών ιδιοτήτων του πρασίνου. Μερικές λύσεις είναι: Τοποθέτηση φυτών και πρασίνου γύρω από τα κτίρια προς εξασφάλιση σκιασμού διαφανών και αδιαφανών τμημάτων, κυκλοφορίας αέρα εντός κτιρίου και απρόσκοπτης εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας από το κτίριο Η φυτοκάλυψη του εδάφους: επιτυγχάνεται έτσι η εξασφάλιση χαμηλών επιφανειακών θερμοκρασιών και μείωση θερμοκρασίας αέρα Οι πολλοί μικροί πνεύμονες πρασίνου σε αντίθεση με λίγους κεντρικούς. Γενικώς, μια «πράσινη» πόλη με λευκές οροφές, ανοικτόχρωμους δρόμους και πυκνό αστικό πράσινο, θα παρουσίαζε θερμοκρασία κατά 17 C μικρότερη από μια συμβατική πόλη. 20

21 3. Το Κτίριο Πρώτα βήματα στην εξοικονόμηση Ενέργειας 3.1 Γενικά Σύμφωνα με το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Και Εξοικονόμησης Ενέργειας (ΚΑΠΕ), ο κτιριακός τομέας είναι υπεύθυνος για το 40% περίπου της συνολικής τελικής κατανάλωσης ενέργειας σε εθνικό και ευρωπαϊκό επίπεδο. Η κατανάλωση αυτή, είτε σε μορφή θερμικής - κυρίως πετρέλαιο - είτε σε μορφή ηλεκτρικής ενέργειας συντελεί, πέραν της σημαντικής οικονομικής επιβάρυνσης λόγω του υψηλού κόστους της ενέργειας, στην μεγάλη επιβάρυνση της ατμόσφαιρας με ρύπους - κυρίως διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) - η οποία ευθύνεται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Στον ελλαδικό χώρο, περίπου το 70% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης των κατοικιών δαπανάται σε ανάγκες θέρμανσης. Η κατανάλωση ενέργειας για οικιακές συσκευές, φωτισμό και κλιματισμό ανέρχεται στο 18% του συνολικού ενεργειακού ισοζυγίου. Επί του συνόλου των κατοικιών, εκείνες με κεντρικό σύστημα θέρμανσης, το οποίο χρησιμοποιεί ως καύσιμο αποκλειστικά το πετρέλαιο, αντιστοιχούν στο 35,5%, ενώ το υπόλοιπο 64% είναι αυτόνομα θερμαινόμενες κατοικίες οι οποίες χρησιμοποιούν πετρέλαιο σε ποσοστό 25%, ηλεκτρισμό σε ποσοστό 12% και καυσόξυλα σε ποσοστό 18%. H κατανάλωση ενέργειας στα κτίρια στην Ελλάδα παρουσιάζει αυξητική τάση, τόσο λόγω της αύξησης της χρήσης κλιματιστικών συσκευών όσο και της χρήσης μικροσυσκευών. Ειδικά τα τελευταία χρόνια, η ΔΕΗ έχει αρχίσει την έκδοση ανακοινώσεων για την λογική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας κατά τους θερινούς μήνες. Η χρήση των κλιματιστικών αποτελεί σημαντικό παράγοντα αύξησης του ηλεκτρικού φορτίου αιχμής με τεράστιες οικονομικές συνέπειες και επιβάρυνση του καταναλωτή. Επί πλέον, η χρήση κλιματιστικών συσκευών επιδεινώνει το φαινόμενο της υπερθέρμανσης των αστικών κέντρων και τις συνεπαγόμενες από αυτήν δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες οι οποίες επικρατούν τους θερινούς μήνες. Επομένως, η χρήση κλιματιστικών αυξάνει την εξωτερική θερμοκρασία, με αποτέλεσμα την αυξημένη ανάγκη χρήσης κλιματιστικών συσκευών και ούτω καθεξής, δημιουργώντας έναν φαύλο καταστροφικό κύκλο. 3.2 Κτίριο και περιβάλλον Ένα κτίριο είναι μια άψυχη κατασκευή - αλλά όχι αδρανής. Αλληλεπιδρά με το περιβάλλον της, το επηρεάζει και επηρεάζεται από αυτό. Σε αυτήν την παράγραφο θα αναφερθούν μερικά στοιχεία σχετικά με το εξωτερικό και εσωτερικό περιβάλλον του κτιρίου. 21

22 3.2.1 Το εξωτερικό περιβάλλον Αναφέρθηκε ήδη το πώς ένα αστικό περιβάλλον επηρεάζει τις ενεργειακές ανάγκες ενός κτιρίου. Θα αναφερθούν ορισμένα στοιχεία σχετικά με τον προσανατολισμό και το εγγύς εξωτερικό περιβάλλον του κτιρίου Προσανατολισμός - Ηλιασμός Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας αποτελεί σημαντική συνεισφορά στην εξοικονόμηση ενέργειας για τη θέρμανση ενός κτιρίου. Όλα τα κτίρια δέχονται ηλιακή ακτινοβολία, η οποία περνάει μέσα από τα ανοίγματα του κελύφους στους εσωτερικούς χώρους θερμαίνοντάς τους. Η αποτελεσματική αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας συντελείται όταν: 1. Υπάρχουν επαρκούς επιφάνειας ανοίγματα παράθυρα - τα οποία έχουν προσανατολισμό απ ευθείας προς τον ήλιο για αρκετές ώρες την ημέρα το χειμώνα. Συνιστάται επομένως ο νότιος προσανατολισμός, ο οποίος είναι ο μόνος ο οποίος προσφέρει αρκετές ώρες ήλιου κατά τους χειμερινούς μήνες. 2. Υπάρχει σωστή θερμομόνωση του κτιρίου. Με αυτόν τον τρόπο ελαχιστοποιούνται οι απώλειες θερμότητας από τις εξωτερικές επιφάνειες όπως, για παράδειγμα, τοίχοι, ανοίγματα, οροφές, δάπεδα και λοιπά. Σχήμα 3.1. Προσανατολισμός κτιρίου. Πηγή: ΚΑΠΕ 3. Τα υλικά στο εσωτερικό του κτιρίου είναι τέτοια ώστε να αποθηκεύουν μέρος της απορροφηθείσας από την ηλιακή ενέργεια θερμότητας από δημιουργώντας χώρους αρκετά, αλλά όχι υπερβολικά θερμούς όλες τις ώρες χρήσης τους. Τα υλικά αυτά θα πρέπει να χαρακτηρίζονται από μεγάλη μάζα - όπως, για παράδειγμα, κεραμικές πλάκες στο δάπεδο, σκυρόδεμα, συμπαγή τούβλα ή πέτρα εσωτερικά στους τοίχους - ώστε να έχουν την απαιτούμενη θερμοχωρητικότητα. 4. Το κτίριο είναι σωστά διαρρυθμισμένο έτσι ώστε οι χώροι που απαιτούν περισσότερη θέρμανση να δέχονται την περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Το σημαντικότερο στοιχείο στην εκμετάλλευση της 22

23 ηλιακής ενέργειας για θέρμανση των κτιρίων κατά τους χειμερινούς μήνες - αλλά και αποφυγή της υπερθέρμανσης κατά τους θερινούς - είναι ο σωστός προσανατολισμός των ανοιγμάτων. Τα νότια ανοίγματα δέχονται την περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία κατά τους χειμερινούς μήνες και την ελάχιστη κατά τους θερινούς, αν χρησιμοποιηθούν τα κατάλληλα σκίαστρα όπως, για παράδειγμα, οριζόντια. Οι πλευρές με βόρειο προσανατολισμό δέχονται ελάχιστη ηλιακή πρόσπτωση κατά τις πρωινές και βραδινές ώρες και ενδείκνυνται για χώρους χρήσης κατά τους θερινούς μήνες ή για χώρους με απαιτήσεις σε σταθερό φωτισμό. Θα πρέπει ωστόσο να είναι περιορισμένης επιφάνειας καθώς παρουσιάζουν μεγάλες απώλειες και ελάχιστα κέρδη κατά τους χειμερινούς μήνες. Αντιθέτως, τα ανοίγματα με ανατολικό και δυτικό προσανατολισμό δέχονται μεγάλα ποσά ηλιακής ακτινοβολίας κατά τους θερινούς μήνες, ενώ κατά τους χειμερινούς μήνες τα ποσά αυτά είναι πολύ μικρά. Σχήμα 3.2. Αποτελέσματα προσανατολισμού ανοιγμάτων. Πηγή: ΚΑΠΕ Τα ανατολικά και δυτικά ανοίγματα παρουσιάζουν τη χειρότερη συμπεριφορά καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Συνιστώνται μόνον όπου είναι απαραίτητα για λόγους φωτισμού ή θέας. Ιδιαίτερα τα δυτικά ανοίγματα είναι πολύ δυσμενή κατά τους θερινούς μήνες καθώς δέχονται άμεσα την επιρροή του ήλιου κατά τις μεσημεριανές ώρες. Σε αστικές περιοχές και, ειδικότερα, σε εκείνες με πυκνή δόμηση, είναι αναμενόμενο ο ηλιασμός των κτιρίων να είναι δυσχερής και ο επιθυμητός προσανατολισμός αδύνατος. Ακόμη και σε αυτές τι περιπτώσεις ωστόσο, υπάρχουν διαθέσιμες πολλές λύσεις για τη βελτίωση της ενεργειακής συμπεριφοράς των κτιρίων τα οποία χαρακτηρίζονται από δυσμενή προσανατολισμό και ελάχιστη πρόσβαση στο άμεσο ηλιακό φως. Απαιτούν απλώς περισσότερη αρχιτεκτονική ευλυγισία, φαντασία και εφευρετικότητα (όπως, για παράδειγμα, φεγγίτες, κατάλληλα ανοίγματα στην οροφή και λοιπά). Ακόμη και μέσα σε πυκνοδομημένους αστικούς ιστούς, δεν λείπουν τα παραδείγματα επιτυχημένων ηλιακών κτιρίων. Το γεγονός ότι η βέλτιστη λύση δεν είναι εφικτή δεν θα πρέπει να αποτελεί αποτρεπτικό παράγοντα για την επέμβαση στα κτίρια. Η σωστά μελετημένη και υλοποιημένη εξοικονόμηση ενέργειας, σε οποιοδήποτε βαθμό, συνεπάγεται πάντοτε κέρδος, ποτέ ζημία. Αποτελεί παράγοντα δημιουργίας οικολογικής συνείδησης, καλλίτερου περιβάλλοντος διαβίωσης και ανάπτυξης. 23