ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΜΕΡΕΣΗ. Αρχιτέκτων Μηχανικός Α.Π.Θ. MSc Environmental Design of Buildings

Transcript

1 ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΜΕΡΕΣΗ Αρχιτέκτων Μηχανικός Α.Π.Θ. MSc Environmental Design of Buildings ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗ ΣΧΟΛΙΚΗ ΑΙΘΟΥΣΑ ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ που υποβλήθηκε στο Τμήμα Αρχιτεκτόνων της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, 2010

2

3 Η έγκριση Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Αρχιτεκτόνων της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέα της.

4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ξεκινώντας από τον ακαδημαϊκό χώρο, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Καθηγητή του Τμήματος Αρχιτεκτόνων Α.Π.Θ. και επιβλέποντα της διατριβής μου, κ. Κων/νο Αντωνίου, για την επιστημονική και ηθική στήριξη που μου προσέφερε καθ όλη τη διάρκεια των μεταπτυχιακών σπουδών μου. Τόσο ο ίδιος, όσο και τα δύο ακόμα μέλη της Τριμελούς Επιτροπής, κ. Εμμανουήλ Τζεκάκης, Καθηγητής του Τμήματος Αρχιτεκτόνων Α.Π.Θ. και κα Κλειώ Αξαρλή, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών Α.Π.Θ., τους οποίους επίσης ευχαριστώ, μου εμπιστεύτηκαν την εκπόνηση της διατριβής και σε κάθε συνάντηση με τις παρατηρήσεις τους με κατεύθυναν προς μια σωστή επιστημονική προσέγγιση του θέματος. Καθοριστικό ρόλο στην προσπάθειά μου για σωστή χρήση του λογισμικού RADIANCE έπαιξαν οι πολυάριθμες συζητήσεις που είχα με τον κ. Άρη Τσαγκρασούλη, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Αρχιτεκτόνων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, τον οποίο ευχαριστώ θερμά για την υπομονή και το χρόνο που μου διέθεσε. Ένα μεγάλο «ευχαριστώ» οφείλω επίσης στον κ. Ανδρέα Ανδρουτσόπουλο, από το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, για την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια των δύο εβδομάδων συνεργασίας μας στις εγκαταστάσεις του Τεχνητού Ουρανού. Είναι γνωστό πως ένας υποψήφιος διδάκτορας «ταλαιπωρεί» με τον τρόπο του κάποια κοντινά του πρόσωπα. Στη δική μου περίπτωση το βάρος έπεσε στο σύζυγό μου Βασίλη, ο οποίος, παρ όλες τις δυσκολίες, με στήριξε ηθικά σε όλη τη διάρκεια της εκπόνησης του διδακτορικού και καθόρισε, με τον τρόπο αυτό, την επιτυχή έκβαση του αγώνα μου. Τέλος, θα ήταν παράλειψη να μην ευχαριστήσω τους γονείς μου, Κώστα και Σοφία, για τη μεγάλη ελευθερία επιλογών που μου έδωσαν στη ζωή μου και την αμέριστη στήριξη της κάθε μου απόφασης.

6

7 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ.. 1 SUMMARY. 3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.. 5 Α ΜΕΡΟΣ: ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ Α1. ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΙ ΦΛΟΙΟΣ Α1.1 Ο κτιριακός φλοιός ως «τρίτο δέρμα» και η πολυσύνθετη λειτουργία του Α1.2 Εξελιγμένοι τύποι κτιριακών φλοιών 18 Α2. ΚΤΙΡΙΑΚΟΣ ΦΛΟΙΟΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ Α2.1 Φως και Αρχιτεκτονική: μια σχέση που αντέχει στο χρόνο.. 25 Α2.2 Ζητήματα ενέργειας.. 30 Α3. ΤΟ ΦΩΣ ΩΣ ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Α3.1 Η φύση του φωτός.. 37 Α3.2 Φως και υλικά 38 Α3.3 Φωτομετρικά μεγέθη. 41 Α3.4 Φυσικό φως και κλιματικά δεδομένα 44 Α4. ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ ΚΑΙ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΥΓΕΙΑ Α4.1 Η πολύπλευρη επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας 49 Α4.2 Φως και οπτικό σύστημα. 51 Α4.3 Φως και κιρκαδιανοί ρυθμοί. 52 Α5. ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ Α5.1 Ποσοτικά κριτήρια. 55 Α5.2 Ποιοτικά κριτήρια.. 57 Α5.3 «Χρήσιμες Τιμές Φυσικού Φωτισμού» (UDI).. 62 Α6. ΕΞΕΛΙΓΜΕΝΕΣ ΦΩΤΟΕΝΙΣΧΥΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ Α6.1 Κινητά στόρια και περσίδες σκίασης 66 Α6.2 Ράφια φωτισμού. 68 Α6.3 Πρισματικοί υαλοπίνακες.. 69 Α6.4 Υαλοπίνακες ειδικής επεξεργασίας με λέιζερ.. 71 Α6.5 Ολογραφικοί υαλοπίνακες. 72 Α6.6 Ανειδωλικά συστήματα οροφής.. 74

8 Περιεχόμενα Α6.7 Ανειδωλικά συστήματα φωτισμού από την οροφή.. 76 Α6.8 Ανειδωλικά σκιάδια 77 Α6.9 Φωτοσωλήνες. 78 Α6.10 Υβριδικά συστήματα.. 79 Α6.11 Σημαντικές συγκριτικές μελέτες σχετικά με την απόδοση των εξελιγμένων φωτοενισχυτικών τεχνικών.. 80 Α7. ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ Α7.1 Απλοποιημένα σχεδιαστικά εργαλεία και μαθηματικοί τύποι 89 Α7.2 Φυσικά μοντέλα υπό κλίμακα.. 91 Α7.3 Εξελιγμένα λογισμικά.. 94 Β ΜΕΡΟΣ: ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ ΚΑΙ ΣΧΟΛΙΚΑ ΚΤΙΡΙΑ Β1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΣΧΟΛΕΙΑ Β1.1 Εξελίξεις κατά τον 19 ο αιώνα. 101 Β1.2 Το κίνημα Open-air School Movement και η Μοντέρνα Αρχιτεκτονική 103 Β1.3 Σχολεία χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και οι πρώτες έρευνες σχετικά με το φυσικό φωτισμό στις σχολικές αίθουσες. 107 Β1.4 Σύγχρονες τάσεις. 111 Β1.5 Συμπεράσματα Β2. ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΑΝΤΙΛΗΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΟΡΙΣΜΟ ΤΟΥ ΒΕΛΤΙΣΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΣΧΟΛΕΙΑ Β2.1 Ανάλυση με γνώμονα τα ποσοτικά και ποιοτικά κριτήρια 115 Β2.2 Γενικές αρχές σχεδίασης των σχολικών αιθουσών με στόχο την καλύτερη αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού. 120 Β3. ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΤΙΣΜΟ ΣΤΑ ΣΧΟΛΕΙΑ Β3.1 Διεθνείς προδιαγραφές Β3.2 Ελληνικές προδιαγραφές Β4. ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΑ ΚΤΙΡΙΑ ΜΕ ΙΔΙΑΙΤΕΡΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Β4.1 Κολέγιο La Vanoise, Modane, Γαλλία Β4.2 Πολυτεχνική Σχολή Πανεπιστημίου De Montfort, Μεγ. Βρετανία Β4.3 Berthold Brecht School, Δρέσδη, Γερμανία Β4.4 Dragvol University Center, Trondheim, Νορβηγία Β5. ΤΑ ΣΧΟΛΙΚΑ ΚΤΙΡΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Β5.1 Σύντομη αναδρομή στην αρχιτεκτονική των σχολείων στην Ελλάδα. 145

9 Περιεχόμενα Γ ΜΕΡΟΣ: ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ Γ1. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΣ ΣΤΟΧΟΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ Γ2. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ 159 Γ2.1 Έρευνα πεδίου Γ2.2 Το λογισμικό προσομοίωσης φυσικού φωτισμού RADIANCE 162 Γ2.3 Το λογισμικό ανάλυσης ενεργειακής συμπεριφοράς κτιρίων ECOTECT v Γ2.4 Ο Τεχνητός Ουρανός του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.) 171 Γ2.5 Το λογισμικό προσομοίωσης φυσικού φωτισμού DAYSIM Γ3. ΤΑ ΣΤΑΔΙΑ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ. 177 Δ ΜΕΡΟΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Δ1. ΕΡΕΥΝΑ ΠΕΔΙΟΥ ΣΕ ΣΧΟΛΙΚΕΣ ΑΙΘΟΥΣΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Δ1.1 Μεθοδολογία. 183 Δ1.2 Αποτελέσματα Συμπεράσματα 184 Δ2. ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΟΧΟΙ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ. 195 Δ3. ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Δ3.1 Μεθοδολογία. 197 Δ3.2 Αποτελέσματα Συμπεράσματα 203 Δ4. ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΗΛΙΑΣΜΟΥ Δ4.1 Μεθοδολογία. 231 Δ4.2 Αποτελέσματα 233 Δ4.3 Συμπεράσματα Δ5. ΜΕΛΕΤΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΣΕ ΤΕΧΝΗΤΟ ΟΥΡΑΝΟ Δ5.1 Μεθοδολογία Δ5.2 Αποτελέσματα 244 Δ5.3 Συμπεράσματα Δ6. ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΔΕΙΚΤΗ ΘΑΜΒΩΣΗΣ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ (Daylight Glare Index) Δ6.1 Μεθοδολογία Δ6.2 Αποτελέσματα Συμπεράσματα 255

10 Περιεχόμενα Δ7. ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΒΕΛΤΙΣΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ. 261 Δ8. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Δ8.1 Μεθοδολογία. 265 Δ8.2 Αποτελέσματα Συμπεράσματα 268 Δ9. ΕΠΙΛΟΓΟΣ 275 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι: Κλιματικά δεδομένα της Αθήνας που αφορούν στο φυσικό φωτισμό 279 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ: «Οδηγός Βιοκλιματικού Σχεδιασμού Κτιρίων» του Οργανισμού Σχολικών Κτιρίων Α.Ε. - Απόσπασμα που αφορά στο φυσικό φωτισμό. 285 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙΙ: Η διάταξη της σχολικής αίθουσας τετραγωνικής κάτοψης που προτείνεται από τον Οργανισμό Σχολικών Κτιρίων Α.Ε. 297 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙV: Το ερωτηματολόγιο που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα πεδίου 299 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ V: Αποτελέσματα επιστημονικών μελετών σχετικά με τα ράφια φωτισμού. 301 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ VI: Περιγραφή υλικών στο λογισμικό RADIANCE 313 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ VII: Ενδεικτικές Σχεδιαστικές Λύσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ξένη Βιβλιογραφία 331 Ελληνική Βιβλιογραφία Διαδικτυακοί Τόποι 344

11 Περίληψη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η συμβολή του φυσικού φωτισμού στην εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια, καθώς και στη δημιουργία ενός ευχάριστου περιβάλλοντος που προσφέρει τη μέγιστη οπτική άνεση στους χρήστες του, έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης, στο εξωτερικό, εδώ και χρόνια. Στην Ελλάδα, δυστυχώς, ο παράγοντας αυτός υπολείπεται των άλλων, κατά τη διαδικασία του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τον τρόπο με τον οποίο ένας κατάλληλος χειρισμός του κτιριακού κελύφους (και ειδικότερα στην περιοχή ενός νότιου υαλοστασίου), μπορεί να συμβάλει στην εξοικονόμηση ενέργειας και στη βελτίωση της οπτικής άνεσης, μέσω της αξιοποίησης του φυσικού φωτισμού, σε μια τυπική σχολική αίθουσα στην Ελλάδα. Με τον όρο «αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού» εννοείται η ομοιομορφία της κατανομής του φωτός στον εσωτερικό χώρο, η επαρκής σκίαση της αίθουσας καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας της (η οποία, όμως, δεν θα πρέπει να μειώνει υπερβολικά τα επίπεδα φωτισμού), η αποφυγή της θάμβωσης και η χρήση ενός συστήματος σύζευξης φυσικού και τεχνητού φωτισμού. Αρχικά, μέσω βιβλιογραφικής ανασκόπησης αναλύονται και τεκμηριώνονται τα επιμέρους θέματα που σχετίζονται με το φυσικό φως στα κτίρια, ενώ στη συνέχεια η έρευνα εστιάζεται στα σχολεία. Η πειραματική διαδικασία ξεκινά με μία έρευνα πεδίου σε σχολικές αίθουσες στην Ελλάδα, μέσω της οποίας εντοπίζονται τα προβλήματα που σχετίζονται με τη χρήση του φυσικού φωτός. Στη συνέχεια, βάσει των συμπερασμάτων της βιβλιογραφικής αλλά και της επιτόπιας έρευνας, ορίζονται τα γενικά χαρακτηριστικά και οι επιμέρους στόχοι ενός συστήματος που θα αξιοποιήσει πλήρως το φυσικό φως, σύμφωνα με τα κριτήρια που προαναφέρθηκαν. Έτσι, επιλέγεται να μελετηθεί διεξοδικά ένα σύστημα που συνδυάζει ράφι φωτισμού 1 (για μερική σκίαση και φωτοενίσχυση) με κινητές ημιδιαφανείς εξωτερικές περσίδες σκίασης (για επαρκή σκίαση και αποφυγή θάμβωσης) στο υαλοστάσιο μιας τυπικής σχολικής αίθουσας στην Ελλάδα, με νότιο προσανατολισμό. Με βάση όλα τα παραπάνω, ξεκινά η διαδικασία της κύριας πειραματικής μελέτης, η οποία αποτελείται από μελέτη προσομοίωσης φυσικού φωτισμού, μελέτη προσομοίωσης ηλιασμού, μελέτη φυσικού φωτισμού σε Τεχνητό Ουρανό και μελέτη του Δείκτη Θάμβωσης από Φυσικό Φως (DGI). Βάσει των επιμέρους συμπερασμάτων των μελετών αυτών, καθορίζονται τα βέλτιστα ειδικά χαρακτηριστικά του υπό μελέτη συστήματος σκίασης και φωτο-ενίσχυσης, ενώ στη συνέχεια υπολογίζεται η εξοικονόμηση ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί μέσω της χρήσης του, με τη βοήθεια ενός συστήματος σύζευξης φυσικού και τεχνητού φωτισμού. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση αρχιτεκτονικών σχεδίων για δύο ενδεικτικές εφαρμογές του προτεινόμενου συστήματος. 1 Ράφι φωτισμού (light shelf) ονομάζεται η οριζόντια διάταξη με ανακλαστική την άνω επιφάνειά της, η οποία χρησιμοποιείται στα κατά κανόνα νότια ανοίγματα των κτιρίων, με σκοπό τη σκίαση και τη μεταφορά, μέσω ανάκλασης, φυσικού φωτός στο βάθος των χώρων. 1

12 Περίληψη Απώτερος στόχος της διατριβής είναι η εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων για τους αρχιτέκτονες και τους δημόσιους φορείς που επιθυμούν να εμβαθύνουν στον τομέα αυτό, προσφέροντας τη μέγιστη οπτική άνεση, αλλά και εξοικονόμηση ενέργειας, στα σχολικά κτίρια που καλούνται να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν. 2

13 Summary SUMMARY The contribution of daylighting to energy efficient building design as well as to the creation of a pleasant environment that provides visual comfort to its users has been a subject of study, in other countries, for years. Unfortunately, in Greece this has been a neglected issue during the architectural design process. The current doctoral thesis tackles the way in which a proper design of the building shell (specifically in the area of the southern glazing) can contribute to energy savings and enhanced visual comfort, by exploiting daylighting, in a typical classroom in Greece. The exploitation of daylighting involves the uniformity of daylight distribution within the space, the sufficient shading of the classroom (that should not minimize daylight levels too much), the avoidance of glare and the use of a proper daylight-responsive control system. Initially, the several aspects of daylighting in buildings are examined through literature review, followed by a focused study on school premises. The experimental process begins with a field-study in several school buildings in Greece, which aims at locating the existing problems regarding the use of daylighting in classrooms. Based on the conclusions drawn from the literature review as well as the field-study, the general characteristics and goals of a system that will exploit the daylight in classrooms are defined. On this basis, the system that is chosen to be thoroughly studied is composed of a light-shelf 1 (for shading and light redirection) and semi-transparent movable external blinds (for sufficient shading and glare avoidance), which are mounted on the glazing of a typical classroom in Greece with south orientation. Given the above, the main experimental study is conducted, which is composed of a daylight simulation study, a sunlight simulation study, a daylight study under an artificial sky and a glare study. The determination of the desirable characteristics and properties of the system under study are based on the conclusions drawn from the main experimental study. The next step is the calculation of energy savings that can be achieved by the use of this shading and light-redirecting device, in combination with a daylight-responsive control system. The thesis is completed by the presentation of two design proposals indicative examples of how the theoretical conclusions can be implemented in architectural design. The general conclusions drawn from this thesis can be exploited by architects and public services who wish to look more closely to this subject and provide visual comfort and energy savings to the school buildings they design and/or construct. 1 A light shelf is a horizontal daylighting system, usually mounted on the southern windows of a building, which is designed to shade and reflect light on its top surface to the deeper parts of the space. 3

14 4

15 Εισαγωγή ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γνωστό ότι ο κτιριακός τομέας εμφανίζει έναν αυξανόμενο ρυθμό κατανάλωσης ενέργειας. Πάνω από το 40% της καταναλισκόμενης ενέργειας στην Ευρώπη χρησιμοποιείται για την εξυπηρέτηση των κτιρίων, ενώ τα καύσιμα για την παραγωγή της απαιτούμενης ενέργειας (θερμικής και ηλεκτρικής) ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος (50%) των εκπομπών αερίου που εντείνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα [ΚΑΠΕ, 2002 : 1]. Ειδικότερα όσον αφορά στα σχολεία, στην Ελλάδα υπάρχουν πάνω από δημόσια σχολικά κτίρια, των οποίων η ενεργειακή κατανάλωση οφείλεται σε ποσοστό 17% περίπου στο φωτισμό 1. Η αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού στα σχολεία συνεπάγεται όχι μόνο την εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας (με την προϋπόθεση ότι θα χρησιμοποιηθούν τα κατάλληλα συστήματα ελέγχου του τεχνητού φωτισμού), αλλά και μια πληθώρα λιγότερο μετρήσιμων θετικών στοιχείων. Έχει αποδειχθεί πως ο φυσικός φωτισμός στις σχολικές αίθουσες αυξάνει την απόδοση των μαθητών και μειώνει τον αριθμό των απουσιών που οφείλονται σε ασθένεια. Επίσης, συμβάλλει τόσο στη δημιουργία ευχάριστης ατμόσφαιρας όσο και στην καλή ρύθμιση των κιρκαδιανών ρυθμών των μαθητών, λόγω της επαφής με τις εναλλαγές των καιρικών συνθηκών. Για τους λόγους αυτούς, σήμερα είναι πλέον διεθνώς αναγνωρισμένη η αξία του φυσικού φωτισμού στα σχολεία και η αξιοποίησή του αποτελεί σημαντική παράμετρο κατά τον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Η εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα κτίριο μέσω του φυσικού φωτισμού εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως τα κλιματικά δεδομένα (η διαθέσιμη ποσότητα φυσικού φωτισμού σε έναν τόπο), η ποσότητα και ποιότητα του φυσικού φωτισμού που εξασφαλίζεται στο εσωτερικό του χώρου μέσω του σχεδιασμού, η συμπεριφορά των χρηστών (π.χ. ο τρόπος με τον οποίο χειρίζονται τις διατάξεις σκιασμού) καθώς και η χρήση κάποιου συστήματος σύζευξης φυσικού και τεχνητού φωτισμού. Η διατριβή αυτή μελετά τον παράγοντα της εξοικονόμησης ενέργειας που αφορά άμεσα στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, δηλαδή τη βέλτιστη ποσότητα και ποιότητα του φυσικού φωτισμού στη σχολική αίθουσα. Με τον όρο «βέλτιστη ποσότητα και ποιότητα» εννοείται η μέγιστη οπτική άνεση των χρηστών, η οποία βασίζεται σε παράγοντες όπως η ομοιομορφία της κατανομής του φυσικού φωτός στον εσωτερικό χώρο, η επαρκής σκίαση της αίθουσας καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας της (η οποία, όμως, δεν θα πρέπει να μειώνει υπερβολικά τα επίπεδα φωτισμού) και η αποφυγή της θάμβωσης. Με βάση τα παραπάνω κριτήρια, βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να διερευνήσει, και τελικώς να προτείνει, ένα σύστημα, ένα συνδυασμό διατάξεων, που θα 1 Σύμφωνα με σχετικό κείμενο του κ. Μάνθου Σανταμούρη στην ιστοσελίδα: [21/06/2010] 5

16 Εισαγωγή προσφέρει τη βέλτιστη οπτική άνεση και τη μέγιστη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας σε μια τυπική σχολική αίθουσα στην Ελλάδα με νότιο προσανατολισμό. Όσον αφορά στη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε, αρχικά διεξήχθη μια εκτενής βιβλιογραφική έρευνα γύρω από το θέμα της αξιοποίησης του φυσικού φωτισμού στα κτίρια, μέσω της οποίας προσδιορίστηκε το αντικείμενο και ο σκοπός της διατριβής, όπως αυτά περιγράφηκαν προηγουμένως. Ακολούθησε η μελέτη της ειδικότερης βιβλιογραφίας που αφορούσε στο βέλτιστο φυσικό φωτισμό σχολικών κτιρίων και ιδιαίτερα στην Ελλάδα. Το επόμενο στάδιο αποτέλεσε η πειραματική έρευνα, η οποία ξεκίνησε με μια έρευνα πεδίου στις σχολικές αίθουσες στην Ελλάδα, με στόχο να προσδιοριστούν τα προβλήματα που αφορούν στην αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ: ΓΕΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΕΙΔΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 1) ΕΡΕΥΝΑ ΠΕΔΙΟΥ ΣΕ ΣΧΟΛΙΚΕΣ ΑΙΘΟΥΣΕΣ 2) ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΓΕΝΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΟΧΩΝ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3) ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ 4) ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΗΛΙΑΣΜΟΥ 5) ΜΕΛΕΤΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΣΕ ΤΕΧΝΗΤΟ ΟΥΡΑΝΟ 6) ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΔΕΙΚΤΗ ΘΑΜΒΩΣΗΣ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ (DGI) ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΕΛΤΙΣΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΤΙΚΕΣ ΛΥΣΕΙΣ 6

17 Εισαγωγή Στη συνέχεια ακολούθησαν προσομοιώσεις φυσικού φωτισμού και ηλιασμού σε ειδικά λογισμικά, καθώς και χρήση Τεχνητού Ουρανού, ο οποίος αποτελεί ειδική διάταξη προσομοίωσης του φυσικού φωτισμού. Τα αποτελέσματα κάθε σταδίου της πειραματικής διαδικασίας αξιολογήθηκαν ξεχωριστά, ενώ στο τέλος προέκυψαν τα γενικά συμπεράσματα, τα οποία λαμβάνουν υπόψη τα επιμέρους συμπεράσματα τόσο της βιβλιογραφικής όσο και της πειραματικής έρευνας. Ακολούθησε υπολογισμός της εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί μέσω της χρήσης του προτεινόμενου συστήματος (με τη βοήθεια ενός συστήματος σύζευξης φυσικού και τεχνητού φωτισμού), ενώ η διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση, στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ VII, κάποιων ενδεικτικών αρχιτεκτονικών λύσεων που αξιοποιούν τα συμπεράσματα της έρευνας. Το κείμενο της διατριβής αποτελείται από τέσσερα μέρη. Το πρώτο αφορά στη γενικότερη σχέση των κτιρίων με το φυσικό φως, το δεύτερο εστιάζει στο ρόλο του φυσικού φωτισμού στα σχολικά κτίρια, το τρίτο περιγράφει την πειραματική διαδικασία, ενώ το τέταρτο περιλαμβάνει την κύρια πειραματική έρευνα, τον υπολογισμό εξοικονόμησης ενέργειας και τα τελικά συμπεράσματα. Α μέρος: Κτίριο και Φυσικό Φως - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α1 αναλύεται η λειτουργία του κελύφους ενός κτιρίου ως τροποποιητής των εξωτερικών κλιματικών συνθηκών και στη συνέχεια παρουσιάζονται κάποιοι σύγχρονοι εξελιγμένοι τύποι κτιριακών φλοιών. - Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α2 διερευνά τη διπλή σχέση (ποσοτική/ποιοτική και καλλιτεχνική/ επιστημονική) του φυσικού φωτός με τον κτιριακό φλοιό. Αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή στη σχέση Φωτός και Αρχιτεκτονικής και στη συνέχεια εξετάζονται τα ζητήματα ενεργειακής κατανάλωσης. - Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α3 μελετά το φως ως φυσικό φαινόμενο και συγκεκριμένα τη φύση του φωτός, τα φωτομετρικά μεγέθη και τις ιδιότητες των υλικών, καθώς και τη σχέση του φυσικού φωτός με τα κλιματικά δεδομένα ενός τόπου. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α4 διερευνάται η σχέση, θετική και αρνητική, του φυσικού φωτός με την ανθρώπινη υγεία. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α5 παρουσιάζονται αναλυτικά τα ποσοτικά και ποιοτικά κριτήρια αξιολόγησης του φυσικού φωτισμού στα κτίρια. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α6 εξετάζονται συνοπτικά οι κυριότερες εξελιγμένες φωτοενισχυτικές τεχνικές, οι οποίες εφαρμόζονται σε σύγχρονα κτίρια ή βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α7 παρουσιάζονται οι τρεις κατηγορίες εργαλείων πρόβλεψης του φυσικού φωτισμού στα κτίρια, δηλαδή τα απλοποιημένα σχεδιαστικά εργαλεία και 7

18 Εισαγωγή μαθηματικοί τύποι, τα φυσικά μοντέλα υπό κλίμακα (μακέτες) και, τέλος, τα εξελιγμένα λογισμικά. Β μέρος: Φυσικό Φως και Σχολικά Κτίρια - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β1 γίνεται μια ιστορική αναδρομή στη χρήση του φυσικού φωτισμού στα σχολεία του δυτικού κόσμου, από τον 19 ο αιώνα έως και σήμερα, με σκοπό να διερευνηθεί η επιρροή αυτής της παραμέτρου στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό του συγκεκριμένου κτιριακού τύπου. - Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β2 μελετά τις σύγχρονες αντιλήψεις για τον ορισμό του βέλτιστου φυσικού φωτισμού στα σχολεία. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β3 παρουσιάζεται η ιστορική εξέλιξη των διεθνών και των ελληνικών προδιαγραφών σχετικά με το φυσικό φωτισμό σε σχολεία. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β4 εξετάζονται τέσσερα αντιπροσωπευτικά παραδείγματα σύγχρονων εκπαιδευτικών κτιρίων από τον ευρωπαϊκό χώρο, στα οποία έγινε ιδιαίτερη μελέτη για το φυσικό φωτισμό. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β5 μελετούνται τα σχολικά κτίρια στην Ελλάδα, μέσω μιας σύντομης αναδρομή ς στην αρχιτεκτονική των σχολείων στη χώρα μας. Γ μέρος: Περιγραφή της Πειραματικής Διαδικασίας - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ1 περιγράφονται ο κύριος και οι επιμέρους στόχοι της διατριβής. Επίσης, γίνεται αναφορά στους περιορισμούς που τέθηκαν κατά την ερευνητική διαδικασία. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ2 περιγράφονται τα ερευνητικά εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν, δηλαδή η έρευνα πεδίου, το λογισμικό προσομοίωσης φυσικού φωτισμού RADIANCE, το λογισμικό ανάλυσης ενεργειακής συμπεριφοράς κτιρίων ECOTECT v5.5, ο Τεχνητός Ουρανός του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και το λογισμικό προσομοίωσης φυσικού φωτισμού DAYSIM. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ3 αναφέρονται περιληπτικά τα στάδια της πειραματικής διαδικασίας, καθώς και οι στόχοι καθενός από αυτά. Δ μέρος: Μελέτη Χαρακτηριστικών Βελτιστοποίησης Συστήματος Αξιοποίησης Φυσικού Φωτισμού - Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ1 αποτελεί την έρευνα πεδίου σε σχολικές αίθουσες στην Ελλάδα, σχετικά με την αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού. Χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι καταγραφής αντικειμενικών και υποκειμενικών κριτηρίων με σκοπό τον εντοπισμό τόσο των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι ελληνικές σχολικές αίθουσες σε σχέση με την 8

19 Εισαγωγή αξιοποίηση και διαχείριση του φυσικού φωτός, όσο και των απόψεων και αντιδράσεων των χρηστών, μαθητών και δασκάλων, σχετικά με το φυσικό φως. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ2, και βάσει της βιβλιογραφικής έρευνας που προηγήθηκε, καθώς και των συμπερασμάτων της έρευνας πεδίου σε σχολικές αίθουσες, προσδιορίζονται τα γενικά χαρακτηριστικά και οι στόχοι ενός συστήματος, ενός συνδυασμού διατάξεων, που θα βελτιώνει την ποιότητα του φυσικού φωτισμού και την οπτική άνεση σε μια τυπική μονόπλευρα φωτιζόμενη - σχολική αίθουσα στην Ελλάδα, εξοικονομώντας παράλληλα ενέργεια. - Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ3, αποτελεί μια προσομοιωτική μελέτη φυσικού φωτισμού, με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόδοση διαφόρων φωτοενισχυτικών και ηλιοπροστατευτικών διατάξεων. Συγκεκριμένα, σε μια τυπική σχολική αίθουσα μελετήθηκαν διάφοροι τύποι ραφιών φωτισμού, εξωτερικές περσίδες σκίασης καθώς και φεγγίτες διαφορετικών διαστάσεων, σε συνθήκες νεφοσκεπούς και ηλιόλουστου ουρανού. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ4, και με βάση τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την προσομοιωτική μελέτη του φυσικού φωτισμού, ερευνήθηκε η επίδραση ενός συστήματος φωτοενισχυτικής και ηλιοπροστατευτικής διάταξης που αποτελείται από ράφι φωτισμού και κινητές ημιδιαφανείς εξωτερικές περσίδες σκίασης, στην είσοδο της ηλιακής ακτινοβολίας στο χώρο ή, με άλλα λόγια, στα άμεσα παθητικά ηλιακά κέρδη. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ5, και πάλι με βάση τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την προσομοιωτική έρευνα φυσικού φωτισμού, μελετήθηκε στον Τεχνητό Ουρανό του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας ένα φυσικό μοντέλο σχολικής αίθουσας, κλίμακας 1:10. Στο μοντέλο αυτό εφαρμόστηκαν διάφοροι τύποι ραφιών φωτισμού καθώς και εξωτερικές κινητές ημιδιαφανείς περσίδες σκίασης, με σκοπό τη μελέτη της απόδοσής τους σε σχέση με την ποσότητα και ποιότητα του φυσικού φωτισμού στο χώρο. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ6 μελετήθηκε ο Δείκτης Θάμβωσης από Φυσικό Φως (Daylight Glare Index) που προκύπτει σε διάφορες περιπτώσεις χρήσης περσίδων σκιασμού διαφορετικής διαπερατότητας και χρήσης ραφιών φωτισμού διαφορετικής κατοπτρικότητας. Στόχος της μελέτης ήταν να βρεθεί ο κατάλληλος συνδυασμός διαπερατότητας περσίδων και κατοπτρικότητας ραφιών φωτισμού, ώστε να παρέχεται η μέγιστη οπτική άνεση στους χρήστες της σχολικής αίθουσας. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ7, παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα της έρευνας για τα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να έχει ένα σύστημα που θα προσφέρει τη βέλτιστη οπτική άνεση και τη μέγιστη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας σε μια τυπική σχολική αίθουσα στην Ελλάδα με νότιο προσανατολισμό. - Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ8, επιχειρείται ο υπολογισμός της εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί μέσω της χρήσης του προτεινόμενου συστήματος σκίασης και φωτοενίσχυσης σε συνδυασμό με μια διάταξη σύζευξης φυσικού και τεχνητού φωτισμού. 9

20 Εισαγωγή - Τέλος, το ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ9 αποτελεί τον επίλογο της διατριβής, συνοψίζοντας τα κυριότερα συμπεράσματα. Τη διδακτορική διατριβή συμπληρώνουν επτά ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ που αφορούν: I) στα κλιματικά δεδομένα της Αθήνας, II) στις πρόσφατες προδιαγραφές του Ο.Σ.Κ. σε σχέση με το φυσικό φωτισμό στα σχολεία, III) στη διαμόρφωση της τυπικής σχολικής αίθουσας, όπως προτείνεται από τον Ο.Σ.Κ., IV) στο ερωτηματολόγιο που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα πεδίου (Κεφάλαιο Δ1), V) στα αποτελέσματα επιστημονικών μελετών σχετικά με τα ράφια φωτισμού, VI) στην περιγραφή των υλικών στο λογισμικό RADIANCE, VII) στις δύο ενδεικτικές αρχιτεκτονικές λύσεις που λαμβάνουν υπόψη τα συμπεράσματα της διατριβής Με βάση όλα τα παραπάνω, η συμβολή της διατριβής στην επιστήμη συνίσταται στα παρακάτω σημεία: - Στη συγκέντρωση και οργάνωση της υπάρχουσας διεθνούς βιβλιογραφίας σχετικά με διάφορα θέματα που αφορούν στην αξιοποίηση του φυσικού φωτός σε σχολικές αίθουσες. - Στον εντοπισμό α) των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι σχολικές αίθουσες στην Ελλάδα σε σχέση με την αξιοποίηση και διαχείριση του φυσικού φωτός, αλλά και β) των απόψεων και αντιδράσεων των χρηστών, μαθητών και δασκάλων, σχετικά με το φυσικό φως (έρευνα πεδίου). - Στη μεθοδολογία επεξεργασίας και ανάλυσης, μέσω προσομοίωσης, των διαφόρων επιμέρους χαρακτηριστικών ενός βέλτιστου συστήματος φωτοενίσχυσης και ηλιοπροστασίας σε μια τυπική σχολική αίθουσα στην Ελλάδα με νότιο προσανατολισμό. - Στην αξιολόγηση, με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, της επίδρασης του συστήματος που μελετήθηκε, στην αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού στη σχολική αίθουσα και κυρίως - Στη διατύπωση τελικών συμπερασμάτων που αφορούν στη μέγιστη οπτική άνεση των χρηστών και στην εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς και στην παρουσίαση ενδεικτικών σχεδιαστικών λύσεων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους μηχανικούς οι οποίοι επιθυμούν να αξιοποιήσουν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο το φυσικό φωτισμό στις σχολικές αίθουσες που (ανα)σχεδιάζουν. Γενικά, τα συμπεράσματα της διατριβής μπορούν να εμπλουτίσουν τον σημερινό Οδηγό του Ο.Σ.Κ. για Βιοκλιματικό Σχεδιασμό Σχολικών Κτιρίων, με σκοπό τον αποδοτικότερο σχεδιασμό του κελύφους των νέων σχολείων στην Ελλάδα, σύμφωνα με το Νόμο 3661 (ΦΕΚ 89/Α/ ) με τίτλο «Μέτρα για τη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης των 10

21 Εισαγωγή κτιρίων και άλλες διατάξεις» 1 καθώς και τον προσφάτως ψηφισθέντα Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (ΦΕΚ 407/Β/ ). 1 Με τον Νόμο 3661 εναρμονίζεται η ελληνική νομοθεσία με την Οδηγία 2002/91/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου της 16ης Δεκεμβρίου 2002 «Για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων» (ΕΕ L1 της ). 11

22 12

23 Α ΜΕΡΟΣ: ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ 13

24 14

25 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Α1. ΚΤΙΡΙΟ ΚΑΙ ΦΛΟΙΟΣ Το κέλυφος ενός κτιρίου, ο κτιριακός του φλοιός, η όψη του με άλλα λόγια, λειτουργεί πολλαπλά: αισθητικά, συμβολικά, κοινωνικά, στατικά και, τέλος, ως φίλτρο μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος. Με αυτήν την τελευταία έννοια, το κέλυφος του κτιρίου λειτουργεί ως τροποποιητής των εξωτερικών κλιματικών συνθηκών και η λειτουργία του αυτή αναλύεται στη συνέχεια. Α1.1 Ο κτιριακός φλοιός ως «τρίτο δέρμα» και η πολυσύνθετη λειτουργία του Δεν είναι λίγοι οι υποστηρικτές της ιδέας ότι τα κτίρια, και συγκεκριμένα οι κτιριακοί φλοιοί, αποτελούν το «τρίτο δέρμα» των ανθρώπων, μετά το πρώτο, το ανθρώπινο, και το δεύτερο, τον ρουχισμό 1. Τα κοινά σημεία είναι αισθητικά, κοινωνικά και άλλα, ωστόσο εδώ θα αναλυθούν οι αντιστοιχίες που σχετίζονται με τη διαντίδραση του ανθρώπινου σώματος και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Το ανθρώπινο δέρμα εκτελεί πολλές λειτουργίες ταυτόχρονα (προστατευτική, ανοσοποιητική, μεταβολική κ.ά.. Συγκεκριμένα η θερμορυθμιστική λειτουργία του παρουσιάζει σαφείς αντιστοιχίες με την αντίστοιχη λειτουργία του ρουχισμού και του κτιριακού φλοιού: Η θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος (37 C ) διατηρείται σταθερή χάρη στην ισορροπία της παραγόμενης και αποβαλλόμενης θερμότητας. Το δέρμα παίζει σημαντικό ρόλο στη θερμορύθμιση με δύο μηχανισμούς: τη παραγωγή και εξάτμιση του ιδρώτα και τη διαστολή ή συστολή των επιφανειακών αγγείων. Σε περίπτωση αυξημένης θερμοκρασίας του Εικ. Α1.1 Η πολύπλοκη μορφολογία του περιβάλλοντος προκαλείται α) διέγερση ανθρώπινου δέρματος Πηγή: των εκκριτικών νευρικών απολήξεων και dex_ell.html [04/11/2008] παραγωγή ιδρώτα και β) διέγερση των αγγειοκινητικών απολήξεων και αγγειοδιαστολή. Με την εξάτμιση του παραγόμενου ιδρώτα καταναλώνεται θερμότητα. Για να εξατμισθεί ο ιδρώτας, ο ατμοσφαιρικός αέρας πρέπει να είναι ξηρός, διότι εάν είναι κορεσμένος από υδρατμούς η εξάτμιση του ιδρώτα δε θα πραγματοποιηθεί (όπως αντίστοιχα δεν μπορεί να εφαρμοστεί ο δροσισμός μέσω εξάτμισης στα υγρά κλίματα). 1 Μάλιστα έχει διατυπωθεί η άποψη πως υπάρχει και «τέταρτο δέρμα», το αστικό περιβάλλον [Lenzholzer, 2006] 15

26 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Στην αγγειοδιαστολή μεταφέρεται θερμότητα μέσω του αίματος από τα σπλάγχνα προς το δέρμα, όπου η θερμότητα αποβάλλεται με ακτινοβολία, με μετάδοση και με αγωγή. Αντίθετα, κατά την αγγειοσυστολή η ποσότητα του κυκλοφορούντος στην επιφάνεια αίματος είναι μικρή και η απώλεια της εσωτερικής θερμότητας επίσης μικρή 2. Το «δεύτερο δέρμα» μας, ο ρουχισμός, μας προστατεύει από τις εξωτερικές κλιματικές συνθήκες. Επιτρέπει την ανταλλαγή θερμότητας και υγρασίας μεταξύ σώματος και εξωτερικού περιβάλλοντος μέσω ανοιγμάτων, αλλά και μέσω του ίδιου του υλικού από το οποίο αποτελείται το ρούχο (π.χ. βαμβάκι, μαλλί, μετάξι, αλλά όχι τα συνθετικά). Μάλιστα, σήμερα υπάρχουν ειδικά «έξυπνα» υλικά (βλ. «έξυπνα κτίρια») που ενισχύουν αυτήν την αλληλεπίδραση, όπως το γνωστό Gore-Tex το οποίο, όπως υποστηρίζουν οι κατασκευαστές του, είναι ικανό να διαχειριστεί σωστά τον αέρα, την υγρασία και τη θερμομόνωση [ Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η δημιουργία μυκήτων και ενισχύεται η υγιεινή του Εικ. Α1.2 Σχηματική λειτουργία του ανθρώπινου σώματος. υφάσματος Gore-tex Πηγή: Τα νέα αυτά υλικά που «αναπνέουν» :Goretex_schema-en.png [04/11/2008] (breathable textiles) αντιστοιχούν στις σύγχρονες όψεις που επίσης «αναπνέουν» (breathable facades), βελτιώνοντας την ποιότητα του εσωτερικού μικροκλίματος. Η «αναπνοή» και στις δύο περιπτώσεις αντιστοιχεί με την έννοια «ελεύθερη ή ελεγχόμενη διακίνηση αέρα και υδρατμών» και συμβάλλει στην καλύτερη ανθρώπινη υγεία. Από τα παραπάνω είναι σαφές πως το τρίτο «δέρμα» του ανθρώπου, οι κτιριακοί φλοιοί, οι οποίοι μεσολαβούν μεταξύ των χώρων όπου αναπτύσσονται οι ανθρώπινες δραστηριότητες και του εξωτερικού περιβάλλοντος, έχουν ξεκάθαρες αντιστοιχίες με το ανθρώπινο δέρμα και τον ρουχισμό. Η λειτουργία των κτιριακών φλοιών ως φίλτρα μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος είναι πολυσύνθετη. Μάλιστα, πολλές φορές οι επιμέρους λειτουργίες που καλείται να επιτελέσει είναι μεταξύ τους αντιθετικές (Εικ. Α1.3). 2 Πηγή των ανωτέρω ιατρικών πληροφοριών υπήρξε άρθρο στην ιστοσελίδα: [04/11/2008] 16

27 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Εικ. Α1.3 Οι πολύπλοκες, και συχνά αντιθετικές μεταξύ τους, λειτουργίες του κτιριακού φλοιού, ως φίλτρο μεταξύ εξωτερικών και εσωτερικών κλιματικών συνθηκών. Πηγή: Κ. Μερέση Σύμφωνα με τις επιταγές της εξελιγμένης έρευνας και τεχνολογίας, ο ιδανικός κτιριακός φλοιός, ως φίλτρο μεταξύ των εξωτερικών και εσωτερικών κλιματικών συνθηκών, θα πρέπει: να καλύπτει τις ανάγκες υγρομόνωσης επιτρέποντας ταυτόχρονα τους εσωτερικούς υδρατμούς να διαφεύγουν προς τα έξω να επιτρέπει τον επαρκή εξαερισμό των χώρων, χωρίς αυτό να έρχεται υπέρμετρα εις βάρος των ανεπιθύμητων θερμικών απωλειών ή κερδών να εξασφαλίζει την είσοδο ή την αποφυγή της ηλιακής ακτινοβολίας, (ανάλογα με τις ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου και τις κλιματικές συνθήκες) και επιπλέον να τη διαχειρίζεται σωστά (π.χ. να μπορεί να την αποθηκεύει ώστε να την αποδώσει στο χώρο σε άλλη χρονική στιγμή) να επιτρέπει την επαρκή διέλευση και σωστή διαχείριση του φυσικού φωτός (ανάλογα με τη χρήση του χώρου) αποτρέποντας τη θάμβωση των χρηστών ή/και την υπερθέρμανση του χώρου (π.χ. να αντανακλά τμήμα του φυσικού φωτός προς το βάθος του δωματίου όπου χρειάζεται περισσότερο) 17

28 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός να ανταλλάσσει θερμότητα με το εξωτερικό περιβάλλον με τρόπο που ανταποκρίνεται στις ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου και στα κλιματικά δεδομένα, δηλαδή να χρησιμοποιεί με τον κατάλληλο τρόπο τη θερμομόνωση και τη μάζα του (θερμοπερατότητα και θερμοχωρητικότητα) να καλύπτει τις ανάγκες ηχομόνωσης του κτιρίου, δηλαδή την ανεπιθύμητη διάδοση ήχων τόσο από το εξωτερικό προς το εσωτερικό όσο και από τον ένα χώρο στον άλλο. Α1.2 Εξελιγμένοι τύποι κτιριακών φλοιών Οι προαναφερόμενες «υποχρεώσεις» των κτιριακών φλοιών υπήρξαν αφορμή για τη δημιουργία νέων τύπων και υλικών όψεων των κτιρίων τα τελευταία χρόνια. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά οι δικέλυφες όψεις, κάποιοι εξελιγμένοι τύποι σκιάστρων και υαλοπετασμάτων καθώς και τα νέα διαφανή και ταυτόχρονα θερμομονωτικά υλικά. Δικέλυφες όψεις Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι δικέλυφες όψεις σε σχέση με τις συμβατικές είναι, σε γενικές γραμμές, δύο: 1. Αυξάνουν κατά πολύ την ακουστική μόνωση του κτιρίου 2. Μετριάζουν σημαντικά την επίδραση του περιβάλλοντος στο κτίριο και αυξάνουν τη δυνατότητα για φυσικό αερισμό. Σήμερα υπάρχουν πολλοί τρόποι κατηγοριοποίησης των δικέλυφων όψεων, ανάλογα με τη λειτουργία τους και τη μορφή τους. Ένας από τους πιο διαδεδομένους είναι ο διαχωρισμός τους στις εξής τέσσερις υποκατηγορίες [Oesterle et al, 2001]: Κιβωτοειδές παράθυρο: Ο τύπος αυτός αποτελείται από ένα κοινό ανοιγόμενο υαλοστάσιο εσωτερικά και ένα σταθερό εξωτερικά, το οποίο φέρει θυρίδες αερισμού στο άνω και κάτω μέρος του. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται ο αερισμός των εσωτερικών χώρων, μέσω του ενδιάμεσου χώρου μεταξύ των υαλοπετασμάτων. Κατακόρυφος κιβωτοειδής αγωγός: Στην περίπτωση αυτή ο εξωτερικός αέρας εισέρχεται στον κλωβό μέσω θυρίδων στο κάτω τμήμα κάθε ορόφου (ή κιβωτοειδούς παραθύρου) και στη συνέχεια μεταφέρεται, μέσω θυρίδων, σε κατακόρυφο συνεχή αγωγό που «τραβά» το θερμότερο αέρα. Τύπος «διάδρομος»: Εδώ ο κάθε όροφος αερίζεται ξεχωριστά αφού ο αέρας εισέρχεται στο κάτω τμήμα του και απάγεται από το άνω τμήμα. Συνεχής όψη πολλαπλών ορόφων: Στον τύπο αυτό (που είναι κι από τους πιο συνηθισμένους σήμερα) το κενό ανάμεσα στα δύο κελύφη είναι ενιαίο σε όλο το ύψος του κτιρίου. Ο φρέσκος αέρας εισέρχεται από θυρίδα στο κάτω μέρος της όψης και εξέρχεται ψηλά. 18

29 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, το κενό ανάμεσα στα δύο κελύφη είναι περίπου 0,25-1,50 μ. και η κίνηση του αέρα στον κλωβό είναι φυσική: ο θερμότερος και άρα ελαφρύτερος αέρας κινείται ανοδικά, με αποτέλεσμα να εισέρχεται φρέσκος και δροσερότερος αέρας από την κατώτερη θυρίδα. Υπάρχουν, βέβαια, και περιπτώσεις όπου η κίνηση του αέρα γίνεται μηχανικά (στις λεγόμενες «κλιματικές» όψεις). Σε αυτές τις περιπτώσεις το κενό ανάμεσα στα δύο κελύφη είναι μικρότερο και το κόστος λειτουργίας μεγαλύτερο. Πρέπει επίσης να σημειωθεί πως όσους περισσότερους χώρους «ενοποιεί» μια δικέλυφη όψη (τύπος 3 και κυρίως τύπος 4) τόσο αυξάνονται οι πιθανότητες μετάδοσης ήχων από χώρο σε χώρο καθώς και χρησιμοποιημένου αέρα, καπνού κλπ. Γενικά, η ενεργειακή απόδοση των δικέλυφων όψεων βασίζεται στο πόσο καλά αυτές χειρίζονται τις μεταβαλλόμενες κλιματικές συνθήκες, σε σχέση με τις ενεργειακές ανάγκες του κάθε κτιρίου. Για παράδειγμα, σε κρύα κλίματα μια δικέλυφη όψη θα πρέπει να στοχεύει στη μετρίαση των χαμηλών εξωτερικών θερμοκρασιών (περιορισμένες θυρίδες αερισμού και εξασφάλιση ηλιασμού). Αντίθετα, σε ένα μεσογειακό κλίμα μια δικέλυφη όψη με νότιο προσανατολισμό θα πρέπει να επιτρέπει άνετο εξαερισμό του κλωβού κατά τους θερμούς μήνες καθώς και επαρκή σκίαση [Χρυσομαλλίδου et al., 2005]. Εικ. Α1.4 Οι τέσσερις πιο συνηθισμένες κατηγορίες δικέλυφων όψεων Πηγή: Επανασχεδιασμός σύμφωνα με Oesterle et al, 2001 Εικ. Α1.5 Cite Internationale, Λυών, Γαλλία. Παράδειγμα δικέλυφης όψης (τμήμα της βόρειας όψης του συγκροτήματος). Πηγή: Κ. Μερέση 19

30 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Εξελιγμένοι τύποι σκιάστρων Συστήματα σκίασης κτιρίων έχουν χρησιμοποιηθεί σε όλες τις εποχές και όλους τους πολιτισμούς όπου οι κλιματικές συνθήκες το απαιτούσαν. Η ποικιλία των σκιάστρων από την αρχαιότητα μέχρι και σήμερα είναι τεράστια και σχετίζεται με την τεχνολογική ανάπτυξη της εποχής, το κλίμα, αλλά και το αρχιτεκτονικό στυλ του κάθε κτιρίου. Σήμερα, «έξυπνα» σκίαστρα υψηλής τεχνολογίας έρχονται να ανταποκριθούν στις αυξημένες απαιτήσεις του ενεργειακού σχεδιασμού κτιρίων, του ολοένα υψηλότερου βιοτικού επιπέδου καθώς και του σύγχρονου design. Τα κυριότερα από αυτά είναι: Εσωτερικές κι εξωτερικές περσίδες σκίασης, από διάφορα υλικά, που περιστρέφονται και εισέλκονται ηλεκτροκίνητα μέσω τηλεχειριστηρίου (και με δυνατότητα χρήσης χρονοδιακόπτη). Μπορούν να συνδυαστούν με τη χρήση αισθητήρων φωτός ώστε να προσαρμόζονται στις απαιτήσεις του κάθε χώρου και του κάθε χρήστη ατομικά. Εξελιγμένες τέντες και ειδικά υφάσματα που, εκτός του ότι προστατεύουν από την επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία, μπορούν και αυτές να συνδυαστούν με τη χρήση αισθητήρων φωτός ώστε να προσαρμόζονται στις απαιτήσεις του κάθε χώρου και του κάθε χρήστη ατομικά. Σκίαστρα ανακλαστήρες φωτός που λειτουργούν διπλά παρέχοντας σκιά όταν χρειάζεται και ενισχύοντας το φως των εσωτερικών χώρων μέσω ανάκλασης στην άνω επιφάνειάς των σκιάστρων (η οποία πρέπει να είναι έντονα ανακλαστική) Διάφορες πρωτότυπες εκδοχές «έξυπνων» σκιάστρων που κινούνται και αλλάζουν μορφή ανάλογα με τις εξωτερικές συνθήκες ηλιασμού. Εικ. Α1.6, Α1. 7 Ηλεκτροκίνητα σκιάδια ανακλαστήρες φωτός σε κτίριο γραφείων στη Γερμανία Αρχιτέκτονες: Thomas Ηerzog + Hanns Jörg Schrade Πηγή: Herzog T., 2006 : Ι.18 Εικ. Α1.8, Α1. 9 «Έξυπνα» σκιάδια με τη μορφή διαφράγματος φωτογραφικής μηχανής που αλλάζουν μορφή ανάλογα με τις εξωτερικές συνθήκες. Δεξιά: Μια ολόκληρη μονάδα σκιάστρου. Αριστερά: Λεπτομέρεια του κέντρου που «κλείνει» όταν προσπίπτει άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Αρχιτέκτων: Jean Nouvel Πηγή: Κ. Μερέση 20

31 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Εξελιγμένοι τύποι τζαμιών Σήμερα υπάρχει μία πληθώρα τύπων τζαμιών, τα οποία υπόσχονται να συμβάλουν στην καλύτερη ενεργειακή συμπεριφορά των κτιρίων. Κύριες κατηγορίες τέτοιων τζαμιών είναι οι παρακάτω: Θερμοαπορροφητικά τζάμια. Το γυαλί που απορροφά τη θερμότητα κατασκευάζεται με την προσθήκη μικρής ποσότητας μεταλλικών οξειδίων στην υαλομάζα. Τα οξείδια αυτά προσδίδουν στα τζάμια ελαφριά απόχρωση και υψηλότερο ποσοστό απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας έτσι ώστε η εισερχόμενη στο εσωτερικό ακτινοβολία να είναι περιορισμένη. Τα τζάμια αυτά χρησιμοποιήθηκαν αρκετά, κυρίως σε κτίρια γραφείων, με σκοπό τη μείωση της υπερθέρμανσης, αλλά και της θάμβωσης. Παρόλα αυτά, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 10, η μείωση των θερμικών κερδών το καλοκαίρι δεν είναι σημαντική. Αυτό συμβαίνει γιατί το θερμοαπορροφητικό τζάμι (η θερμοκρασία του οποίου μπορεί να φτάσει τους 54 C το καλοκαίρι Εικ. Α1.10 Σύγκριση θερμικών [Johnson, 1991 : 29]) εκπέμπει μεγάλη ποσότητα κερδών στις περιπτώσεις α) απλού τζαμιού και β) μονού θερμικής ακτινοβολίας προς το εσωτερικό. Ένα απορροφητικού τζαμιού, κατά τη διάρκεια ανέφελης ακόμα μειονέκτημα των τζαμιών αυτών είναι η χειμερινής και θερινής ημέρας. αλλοίωση της χρωματικής απόδοσης, αλλά και της Πηγή: Johnson, 1991 : 29 ποσότητας του εισερχόμενου φυσικού φωτός. Ανακλαστικά τζάμια. Τα τζάμια αυτά φέρουν επιφανειακή επένδυση μετάλλων ή μεταλλικών οξειδίων κι έτσι αποτρέπουν τη διείσδυση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μεγάλο ποσοστό (έως και 50%). Το κυριότερο μειονέκτημα είναι η μεγάλη μείωση των θερμικών κερδών και του εισερχόμενου φυσικού φωτός κατά τη χειμερινή περίοδο [European Commission, 1994 : 9]. Τζάμια μεταβλητής διαπερατότητας. Τα ηλεκτροχρωμικά τζάμια αλλάζουν τη φωτοδιαπερατότητά τους υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Τα θερμοχρωμικά τζάμια εναλλάσσονται μεταξύ μιας θερμοδιαπερατής και μιας θερμοανακλαστικής κατάστασης, ανάλογα με τις επιλεγμένες οριακές θερμοκρασίες. Τα φωτοχρωμικά τζάμια αλλάζουν το χρώμα τους (από σκούρο σε ανοιχτόχρωμο και αντίστροφα) ανάλογα με τη φωτεινή ένταση. Όλα τα τζάμια μεταβλητής διαπερατότητας βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, αφού το κόστος είναι μεγάλο και η αντοχή στο χρόνο μικρή [European Commission, ο.π.]. 21

32 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Τζάμια χαμηλής εκπομπής (low-e). Τα τζάμια αυτά χαρακτηρίζονται, σε γενικές γραμμές, από μεγάλη τιμή διαπερατότητας και χαμηλή τιμή ανακλαστικότητας όσον αφορά στην ηλιακή ακτινοβολία (μικρού μήκους κύματος υπέρυθρη ακτινοβολία), ενώ αντίθετα, όσον αφορά την ακτινοβολία που εκπέμπουν τα σώματα (μεγάλου μήκους κύματος υπέρυθρη ακτινοβολία) εμφανίζουν σχετικά χαμηλή τιμή διαπερατότητας και μεγάλη τιμή ανακλαστικότητας [Muneer et al, 2000 : 7]. Αυτό πρακτικά σημαίνει πως τα τζάμια αυτά επιτρέπουν τη διείσδυση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ ταυτόχρονα διαφυλάσσουν τη ζέστη μέσα στο χώρο. Η λειτουργία τους αυτή οφείλεται σε μία πρόσθετη επικάλυψη από οξείδια μετάλλου στην εσωτερική επιφάνεια ενός από τα δύο πετάσματα γυαλιού από τα οποία αποτελούνται. Η θερμομονωτική λειτουργία τους βελτιώνεται ακόμα περισσότερο με την προσθήκη αφυγρασμένου αέρα ή αδρανούς αερίου (π.χ. αργό) στο διάκενο του τζαμιού. Τα τζάμια χαμηλής εκπομπής εφαρμόζονται σήμερα με επιτυχία σε όλο τον κόσμο και σε κτίρια διαφόρων χρήσεων. Εικ. Α1.11 Σύγκριση τιμών διαπερατότητας και ανακλαστικότητας για α) απλό τζάμι και β) τζάμι χαμηλής εκπομπής Πηγή: Johnson, 1991 : 26 Ημιδιαφανή θερμομονωτικά υλικά Τα ημιδιαφανή θερμομονωτικά υλικά είναι προηγμένης τεχνολογίας και στην ουσία αποτελούν είδη θερμομόνωσης που επιτρέπουν, λιγότερο ή περισσότερο ανάλογα με το υλικό, τη διείσδυση της ηλιακής ακτινοβολίας. Τέτοια υλικά υπάρχουν σήμερα σε διάφορες μορφές, όπως αφρώδη, τριχοειδή, κυψελοειδή, καθώς και σε μορφή ινών και gel [European Commission, 1994 : 9]. 22

33 Κεφάλαιο Α1 _ Κτίριο και Φλοιός Οι αερογέλες αποτελούν σήμερα την πιο συνηθισμένη μορφή ημιδιαφανών θερμομονωτικών υλικών. Είναι υλικά χαμηλής πυκνότητας, με μάζα που σε ποσοστό 1-10% βρίσκεται σε στερεά κατάσταση, ενώ το υπόλοιπο ποσοστό είναι σε μορφή open cell voids [Hunt & Loftus, 1987]. Επίσης, χαρακτηρίζονται από Εικ. Α1.12 Χρήση ημιδιαφανούς πολύ χαμηλή τιμή θερμικής αγωγιμότητας που μόνωσης στην ποδιά παραθύρου μπορεί να φτάσει έως και 0,008 W/mK [Caps & Πηγή: European Commission, 1994: 10 Fricke, 1987 : 362]. Λόγω του ότι το υλικό αυτό είναι πολύ ελαφρύ και εύθραυστο, χρειάζεται να εγκιβωτίζεται μέσα σε πλαίσια από γυαλί ή πλαστικό. Είναι διαφανές επειδή το μέγεθος των πόρων είναι μικρότερο του μήκους κύματος του ορατού φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας [Baker et al, 1993 : 4.16]. Σήμερα οι αερογέλες χρησιμοποιούνται κυρίως ανάμεσα στο κενό μεταξύ τζαμιών, είτε ως μονολιθικές πλάκες είτε ως μικρά τεμάχια [Muneer et al, 2000 : 9]. Στην περίπτωση των μονολιθικών αερογελών, μία λεπτή πλάκα πάχους 2 εκ. μέσα σε διπλό τζάμι αρκεί για να επιτευχθεί τιμή θερμοπερατότητας (U-value) 0,37 W/m²K, ενώ στην περίπτωση που γίνει εισροή των αερογελών σε μορφή μικρών τεμαχίων μέσα σε διπλό τζάμι επιτυγχάνεται τιμή περίπου 1 W/m²K, ανάλογα με το μέγεθος των τεμαχίων. Τέλος, τα ημιδιαφανή θερμομονωτικά υλικά, εκτός από τα τζάμια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και μπροστά από τοίχους μάζας, αυξάνοντας έτσι τη θερμοχωρητικότητά τους και την ικανότητα να αποδίδουν τη θερμότητα στον εσωτερικό χώρο με χρονική καθυστέρηση. 23

34 24

35 Κεφάλαιο Α2 _ Κτιριακός Φλοιός και Φυσικό Φως Α2. ΚΤΙΡΙΑΚΟΣ ΦΛΟΙΟΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ Η σχέση του κτιριακού φλοιού με το φυσικό φως θα μπορούσε κανείς να ισχυριστεί πως είναι διπλή: αφενός καλλιτεχνική/ποιοτική και αφετέρου επιστημονική/ποσοτική. Οι δύο αυτοί ρόλοι του φυσικού φωτός στη λειτουργία του κτιριακού φλοιού, και γενικότερα στην αρχιτεκτονική, ήταν αδιαχώριστοι μέχρι την περίοδο του Διαφωτισμού οπότε και άρχισαν να μελετούνται ξεχωριστά, μέχρι και σήμερα [Baker & Steemers, 2002 : 4]. Λόγω του διαχωρισμού των δύο ρόλων χάθηκε, ως ένα βαθμό, η ολιστική προσέγγιση στη χρήση του φυσικού φωτός στα κτίρια, αλλά από την άλλη επιτεύχθηκε η αναλυτική επιστημονική μελέτη του [ο.π.]. Στο παρόν κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στη διπλή αυτή σχέση του φυσικού φωτός με τον κτιριακό φλοιό, ξεκινώντας από τον ρόλο του φωτός στην ιστορία της αρχιτεκτονικής και συνεχίζοντας με τα ενεργειακά ζητήματα που προκύπτουν. Α2.1 Φως και Αρχιτεκτονική: μια σχέση που αντέχει στο χρόνο Αναμφισβήτητα, η ιστορία της αρχιτεκτονικής είναι συνυφασμένη με το φως και ιδιαίτερα με το φυσικό φως. Οι μεγαλύτεροι αρχιτέκτονες της ιστορίας δημιούργησαν αριστουργήματα, αξιοποιώντας την αστείρευτη αυτή πηγή ενέργειας από τον ήλιο. Σύμφωνα με τον Le Corbusier, Architecture is the masterly, correct and magnificent play of volumes brought together in light και The history of architecture is the history of the struggle for light [Le Corbusier, 1923]. Ανώνυμη παραδοσιακή αρχιτεκτονική Στην κατά τόπους ανώνυμη παραδοσιακή αρχιτεκτονική μπορεί κανείς να εντοπίσει πολλά παραδείγματα κτισμάτων που διαχειρίζονται κατάλληλα τον ήλιο και το διάχυτο φυσικό φως για λόγους αισθητικούς, αλλά και θερμικής άνεσης. Δύο χαρακτηριστικά Εικ. A2.1, A2.2 Αριστερά: Η mashrabiya, ξύλινο καφασωτό πλέγμα στα ανοίγματα κτιρίων σε θερμά και ξηρά κλίματα, το οποίο σκιάζει επιτρέποντας τον αερισμό και δημιουργώντας ένα ιδιαίτερο αισθητικό αποτέλεσμα στο εσωτερικό [ Δεξιά: Αναπαράσταση αρχαιοελληνικής κατοικίας. Χάρη στη διάταξη, οι ημιυπαίθριοι χώροι στο νότο προσφέρουν επαρκή σκιασμό στους πίσω χώρους [Baker & Steemers, 2002 : 8]. Αρχική πηγή: Butti & Perlin, 1980 : 3,4 25

36 Κεφάλαιο Α2 _ Κτιριακός Φλοιός και Φυσικό Φως παραδείγματα είναι α) η mashrabiya, ξύλινο καφασωτό πλέγμα στα ανοίγματα κτιρίων σε θερμά και ξηρά κλίματα, και β) η διάταξη της αρχαιοελληνικής κατοικίας με τους ημιυπαίθριους χώρους που μετριάζουν την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Προ-βιομηχανική εποχή Οι καθημερινές ανάγκες του ανθρώπου κατά τον Μεσαίωνα διέφεραν πολύ από τις σημερινές, αφού τις περισσότερες ώρες τις ημέρας τις περνούσε στην ύπαιθρο, φροντίζοντας τη γη και τα ζώα. Οι κατοικίες ήταν αρκετά «πρωτόγονες» και δεν υπήρχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη διείσδυση του φωτός σε αυτές, μια που προτεραιότητα είχε η προστασία από τους εξωτερικούς κινδύνους [Baker et al, 1993 : 1.1]. Η εφεύρεση του γυαλιού έδωσε νέα ώθηση στο σχεδιασμό των ανοιγμάτων, αφού επέτρεπε τη διείσδυση του φωτός, τη θέα, αλλά και τη μείωση των θερμικών απωλειών, κυρίως στις χώρες της βόρειας Ευρώπης. Οι πρώτες ενδείξεις αξιοποίησης του φυσικού φωτισμού διακρίνονται στην μνημειακή και θρησκευτική αρχιτεκτονική [ο.π.]. Ειδικότερα τον 12 ο αιώνα, χάρη στο λεπτεπίλεπτο φέροντα οργανισμό που προσέφερε η γοτθική αρχιτεκτονική, αναπτύχθηκε η υαλογραφία, αρχικά στη Γαλλία και τη Γερμανία. Με τον καιρό καθιερώθηκε η χρήση των χρωματιστών βιτρώ ως μέσο διακόσμησης των ναών, αλλά κυρίως διδαχής και εντυπωσιασμού των αγράμματων πιστών. Κατά την περίοδο της Αναγέννησης, το φως έχασε τη σημασία του ως «σύμβολο της παρουσίας του Θεού» που είχε κατά τον Μεσαίωνα και άρχισε να αντιμετωπίζεται ως φυσικό φαινόμενο με θετικές επιδράσεις (αισθητικές και πρακτικές) στην ανθρώπινη ζωή. Εικ. A2.3, A2.4 Αριστερά: Το παρεκκλήσι King s College Chapel στο Cambridge. Η λεπτότητα της γοτθικής αρχιτεκτονικής επέτρεψε την αύξηση των επιφανειών των βιτρώ. Πηγή: _Cambridge_-_UK_-_2007.jpg [21/06/ 10] Δεξιά: Η εκκλησία του Αγίου Πέτρου στη Ρώμη. Χαρακτηριστικό δείγμα μπαρόκ αρχιτεκτονικής με αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού για τη δημιουργία υποβλητικής ατμόσφαιρας [Baker & Steemers, 2002 : 15] Αρχική πηγή: Watkin, 1986 :

37 Κεφάλαιο Α2 _ Κτιριακός Φλοιός και Φυσικό Φως Ακόμα και πριν τη βιομηχανική περίοδο, υπήρχαν κάποιες δραστηριότητες, όπως η συγγραφή, η ζωγραφική και η υφαντουργία, οι οποίες απαιτούσαν καλό φωτισμό. Βέβαια, παρόλη την ολοένα και αυξανόμενη χρήση υαλοστασίων κατά τον 17 ο αιώνα, οι χρησιμοποιούμενες γυάλινες επιφάνειες παρέμεναν σχετικά μικρές, λόγω των κατασκευαστικών περιορισμών και του υψηλού κόστους. Έτσι, τα ανοίγματα στις κατοικίες των κατώτερων κοινωνικών ομάδων καλύπτονταν ακόμα με υφάσματα και περγαμηνές [Baker et al, 1993 : 1.4]. Εικ. A2.5, A2.6 Αριστερά: Η βιβλιοθήκη Corpus Christi στην Οξφόρδη (1604). Τα ανοίγματα είναι τοποθετημένα έτσι ώστε να φωτίζουν επαρκώς τους χώρους ανάγνωσης. Πηγή: [21/06/ 10] Δεξιά: Το Hardwick Hall στο Derbyshire της Μεγ. Βρετανίας (1597). Το κτίσμα ήταν γνωστό με το σλόγκαν «Περισσότερο γυαλί από ότι τοίχοι». Πηγή: [21/06/ 10] Η βιομηχανική επανάσταση Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας στο δυτικό κόσμο (αρχές του 19 ου αιώνα) επέφερε σημαντικές αλλαγές στον τρόπο παραγωγής του γυαλιού και στην κατασκευή των κουφωμάτων. Με τα νέα δεδομένα, οι κατασκευές από σίδερο και γυαλί έγιναν πιο προσιτές οικονομικά και άρχισαν να εφαρμόζονται ευρέως σε θερμοκήπια, σιδηροδρομικούς σταθμούς, αίθουσες τέχνης, δημόσιες στοές (γαλαρίες), βιβλιοθήκες, κτίρια γραφείων κ.ο.κ. Οι απαιτήσεις για φυσικό φωτισμό διαμόρφωσαν τις κατόψεις και τομές των νέων κτιρίων. Οι κατόψεις των πολυώροφων κτισμάτων στένεψαν, ώστε το βάθος των δωματίων να είναι περίπου διπλάσιο του ύψους τους, με σκοπό τον καλύτερο φωτισμό [Baker et al, 1993 : 1.5]. Επίσης, δραστηριότητες που απαιτούσαν μεγάλες επιφάνειες εργασίας, όπως βιοτεχνίες, τυπογραφεία κτλ. στεγάστηκαν σε μονόροφα κτίρια με φυσικό φωτισμό από την οροφή, γεγονός που οδήγησε σε μια πληθώρα κατασκευαστικών λύσεων. Ακόμα, πολυώροφα κτίρια που απαιτούσαν «βαθιά» κάτοψη υιοθέτησαν τη λύση του αιθρίου, το οποίο αρχικά ήταν σχετικά στενό σε τομή, αλλά σταδιακά πήρε τη μορφή που γνωρίζουμε σήμερα, με πολλές παραλλαγές ανάλογα με τη χρήση [ο.π.]. 27