ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΚΕΛΥΦΟΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΚΕΛΥΦΟΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Βραχόπουλος Μ. Γρ., Κωτσιόβελος Γ. Τρ. Τµήµα Τεχνολόγων Μηχανολόγων, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Χαλκίδας, 344 Ψαχνά Ευβοίας, ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η µελέτη αυτή αποτελεί µια προσπάθεια συστηµατικής παρουσίασης του αντικειµένου του ενεργειακού και βιοκλιµατικού σχεδιασµού των κτιρίων και των οικιστικών συνόλων. Ως παράµετρος χρησιµοποιείται κατοικία στην περιοχή της Χαλκίδας στην οποία εφαρµόζονται διαδοχικά στοιχεία βιοκλιµατικού σχεδιασµού και προσδιορίζεται κάθε φορά το ενεργειακό αποτέλεσµα. Παρατίθεται ο τρόπος συνολικού ελέγχου και εκτίµησης των ενεργειακών και περιβαλλοντικών επιπτώσεων αυτών των παρεµβάσεων ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στα αστικά κέντρα. τα κτίρια είναι µεγάλης ηλικίας µε ξεπερασµένες τεχνολογίες στον τοµέα της ενέργειας και συνεπώς µε αυξηµένη κατανάλωση. Περίπου το 25% είναι παλαιότερα των 3 ετών και το 5% είναι από 2 έως 3 ετών [1]. Αποτέλεσµα των παραπάνω είναι η ποιότητα κατασκευής αυτών των κτιρίων να µην ανταποκρίνεται στις σηµερινές απαιτήσεις, υδραυλικές και ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις, θερµοµόνωση, ηχοµόνωση, στεγάνωση. Παράλληλα, οι απαιτήσεις θερµικής άνεσης και εφόσον οι ανάγκες σήµερα έχουν µετατοπιστεί προς το δροσισµό (θερινός και χειµερινός κλιµατισµός) δεν καλύπτονται πλέον στον επιθυµητό βαθµό από τις παλαιές εγκαταστάσεις θέρµανσης. Έτσι, οι αυξηµένες απαιτήσεις θερµικής άνεσης οδηγούν σε αυξηµένα φορτία, ειδικά στα υφιστάµενα παλαιότερα κτίρια. Η διάδοση, τα τελευταία χρόνια, των κλιµατιστικών συσκευών µπορεί να οδήγησε σε µικρή βελτίωση των συνθηκών θερµικής άνεσης, αλλά από ενεργειακής πλευράς αποτελούν στοιχείο λανθασµένης ενεργειακής διαχείρισης, καθώς χρησιµοποιείται η πλέον αναβαθµισµένη µορφή ενέργειας (ηλεκτρικό ρεύµα) για την παραγωγή θερµότητας. Από το σύνολο της καταναλισκόµενης ενέργειας, το 27% αποδίδεται στον οικιακό τοµέα και το 72% αυτής της ενέργειας, εποµένως το 2,25% του συνόλου χρησιµοποιείται για θέρµανση.τα παραπάνω ποσοστά αναδεικνύουν την σηµασία που έχει η εξοικονόµηση ενέργειας που αφορά τα κτίρια γενικότερα και την θέρµανσή τους ειδικότερα, καθώς τα ενεργειακά µεγέθη είναι σηµαντικά. Η κυριότερη µορφή µόλυνσης από την κατανάλωση ενέργειας στα κτίρια είναι η εκποµπή ρύπων και ειδικότερα CO 2 που προέρχεται από τον τοµέα της θέρµανσης. Η επίδραση του CO 2 στο φαινόµενο του θερµοκηπίου είναι καθοριστική. Ειδικότερα, από µελέτη του East Anglia University, η συµµετοχή του διοξειδίου του άνθρακα φτάνει το 5% [2]. Στον οικιακό τοµέα αντιστοιχεί άµεσα το αρκετά σηµαντικό ποσοστό του 22% αυτού του συνόλου και έµµεσα ένα τµήµα της παραγωγής σε θερµοηλεκτρικούς σταθµούς η οποία ευθύνεται για το 32% του συνόλου. Επισηµαίνεται δε το γεγονός ότι στη χώρα µας το 3% των κατοικιών και το 45% της κατανάλωσης ενέργειας στον οικιακό τοµέα εντοπίζεται στο 1,15% της έκτασης της χώρας, στις ευρύτερες περιοχές της Αθήνας, του Πειραιά και της Θεσσαλονίκης δηµιουργώντας µε τον τρόπο αυτό µια υψηλή συγκέντρωση εκποµπής ρύπων κυρίως από την καύση του πετρελαίου στα αστικά κέντρα. Στη συγκεκριµένη µελέτη ερευνάται η θερµική συµπεριφορά ενός κτιρίου, εξαιτίας της ενσωµάτωσης παθητικών συστηµάτων στο κτιριακό του κέλυφος.

2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Η κατοικία βρίσκεται µέσα στον αστικό ιστό της πόλης της Χαλκίδας. Το κλίµα είναι ήπιο. Η µέση εξωτερική θερµοκρασία τον Ιανουάριο είναι 1 ο C και τον Ιούλιο 38 o C [7]. Η µέση ηλιοφάνεια είναι 371 Langleys/day. Το κτίριο είναι διώροφο συνολικού εµβαδού 142 m 2. Τα παθητικά συστήµατα προσαρµόστηκαν στην νότια πλευρά του κτιρίου (κατοικίας). Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του τοίχου Τrombe-Michel, αλλά και ο τρόπος λειτουργίας του απεικονίζονται στις εικόνες [1,2,3,4 & 5] αντίστοιχα. Στην εικόνα 6 παρουσιάζεται η τοποθέτηση και οι λεπτοµέρειες κατασκευής του θερµοκηπίου δίπλα στο κτίριο. Το κτίριο είναι κατασκευασµένο από συµβατικό σκελετό οπλισµένου σκυροδέµατος, τοιχοποιία από επικαλυµµένο µονωτικό δοµικό στοιχείο ή οπτόπλινθο (τούβλο) και τα ανοίγµατα είναι διπλά. Ενδεικτικά δίδονται στοιχέια της µελέτης για το καθιστικό του ορόφου κατά το µήνα Ιανουάριο. Στοιχεία τοιχοποιίας Παράγων Θερµοπερατότητας, οροφή-καθιστικό U,522 W/m 2 K Επιφάνεια, οροφή-καθιστικό A 24 m 2 Θερµοκρασία χώρου T i 2 O C ιόρθωση, οροφής-καθιστικού Τ -1,5 Κ Παράγων Θερµοπερατότητας, Τοίχος U,63 W/m 2 K Επιφάνεια, Βόρειος Τοίχος A 15,2 m 2 ιόρθωση, Βόρειος Τοίχος Τ -2,7 Κ Επιφάνεια, Νότιος Τοίχος A 1,86 m 2 ιόρθωση, Νότιος Τοίχος Τ 6,1 Κ Επιφάνεια, Ανατολικός Τοίχος A 26, m 2 ιόρθωση, Ανατολικός Τοίχος Τ -5 Κ Επιφάνεια Ανοίγµατος, Ανατολικός Τοίχος A 3,99 m 2 Παράγων Ηλιακού Θερµικού κέρδους SHGF 12 W/m 2 Παράγων Σκίασης SC,85 % Ανθρώπων αισθητό HG(s) 65 W/άτοµο Ανθρώπων λανθάνων HG(l) 55 W/άτοµο Ανανέωση αέρα m,1 kg/sec Φωτισµός Ρ 6 W Εικόνα 1 Eικόνα 2 Εικόνα 3 χειµώνα και θέρους συναλλαγή θερµότητας. χειµώνα, εσωτερική µεταφορά θερµότητας. χειµώνα και θέρους, κύκλος διατήρησης θερµότητας.

3 Εικόνα 4 Εικόνα 5 χειµώνα και θέρους, κύκλος ανανέωσης αέρα. θέρους, εσωτερική µεταφορά θερµότητας. Εικόνα 6 Μορφή κατοικίας µε ενσωµατωµένα παθητικά συστήµατα. Μορφή κατοικίας µε ενσωµατωµένο θερµοκήπιο. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πραγµατοποιήθηκε αρχικά αναλυτική µελέτη υπολογισµού των θερµικών και ψυκτικών φορτίων για την υπό εξέταση κατοικία µε την Cooling Load Temp. Deference, µέθοδο που έχει προταθεί από την ASHRAE. Στη συνέχεια, υπολογίστηκαν ξανά τα θερµικά-ψυκτικά φορτία εφόσον ενσωµατώθηκαν τα παθητικά συστήµατα (Τοίχος Τrombe-Michel, Θερµοκήπιο) στο κτιριακό του κέλυφος. Για το σύνολο των ηλιακών θερµικών κερδών από τον τοίχο Τrombe-Michel χρησιµοποιήθηκε η σχέση: Ε Τ-Μ = Ε * Α * a * c * f( a ) * f( H ) * f( s ) * f( f ) (1) ενώ για το σύνολο των ηλιακών θερµικών κερδών από τα παράθυρα επί του τοίχου Τrombe- Michel χρησιµοποιήθηκε η σχέση: Ε Τ-Μ = Ε * Α * f( a' ) * f( a ) * f( s' ) * f( s ) * f( f ) * f( H ) (2) Για το σύνολο των ηλιακών θερµικών κερδών από τον τοίχο µάζας µέσα στο θερµοκήπιο χρησιµοποιήθηκε η σχέση: Ε Θ = Ε * Α * a * κ * f( a' ) * f( H ) * f( s' ) * f( f ) (3) και για το σύνολο των ηλιακών θερµικών κερδών από τα υαλοστάσια εσωτερικώς του θερµοκηπίου, χρησιµοποιήθηκε η σχέση:

4 Ε Θ = Ε * Α * f( H ) * f( a' ) * f( a ) *f( f ) * f( s' ) * f( s ) (4) Όπου : Ε : ενέργεια σε kwh/m 2 που προσπίπτει στον τοίχο ή το υαλοστάσιο το µήνα, για. κάποιο συγκεκριµένο προσανατολισµό και κλίση. a : συντελεστής απορροφητικότητας του τοίχου. A : επιφάνεια παραθύρου / υαλοστασίου. f( a ) :λόγος της υάλινης επιφάνειας, προς την συνολική επιφάνεια του ανοίγµατος f( a' ) : λόγος υάλινης επιφάνειας, προς τη συνολική επιφάνεια του υαλοστασίου. c : συντελεστής εξαρτώµενος από τη φύση του υαλοστασίου. k : συντελεστής θερµοπερατότητας του τοίχου. f( H ) : συντελεστής ορίζοντα, από παρακείµενα δέντρα, κτίρια κ.τ.λ. f( s ) : ηλιακός συντελεστής, λόγω διπλών υαλοστασίων, περσίδων κ.τ.λ. f( s' ) : συντελεστής ηλιακής µετάδοσης υαλοστασίου f( f ) : συντελεστής σκιασµού παραθύρου από διάφορα εξαρτήµατα του κτιρίου (προβόλους, πτερύγια). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πραγµατοποιήθηκε ο υπολογισµός των ψυκτικών και θερµικών φορτίων για την υπό εξέταση κατοικία, πριν την ενσωµάτωση σε αυτήν των παθητικών ηλιακών συστηµάτων. Για τους µήνες Ιανουάριο και Ιούλιο, οι οποίοι και θεωρούνται οι δυσµενέστεροι από πλευράς κλιµατολογικών συνθηκών περίοδοι, απεικονίσθηκαν οι απαιτήσεις σε θερµικό (το χειµώνα) και ψυκτικό (το θέρος) φορτίο. Η µορφή τους απεικονίζεται στα αντίστοιχα διαγράµµατα που ενδεικτικά έχουν επιλεγεί για τη παρουσίαση. HL (kwh) 5,, -5, , -15, -2, ιάγραµµα 1o : θερµικά φορτία υπνοδωµατίου. CL (kwh) ιάγραµµα 2o : ψυκτικά φορτία υπνοδωµατίου.

5 HL (kwh) ιάγραµµα 3o : θερµικά φορτία καθιστικού. CL (kwh) ιάγραµµα 4o : ψυκτικά φορτία καθιστικού. Στα παραπάνω γραφήµατα, απεικονίζονται αντιπροσωπευτικές ανάγκες µεµονωµένων χώρων της κατοικίας σε θέρµανση και ψύξη (HL και CL), για τους µήνες Ιανουάριο-Ιούλιο. Πραγµατοποιήθηκε ποιοτική και ποσοτική ανάλυση των αποτελεσµάτων και σύγκρισή τους µε την ανάλυση των αποτελεσµάτων αναγκών θέρµανσης ψύξης, µε την ενσωµάτωση πλέον παθητικών ηλιακών συστηµάτων στο κτιριακό κέλυφος. 1, 8, HL (kwh) 6, 4, 2,, -2, -4, ΜΗΝΕΣ Series2 Series3 Series1 ιάγραµµα 5o : Η υπερκάλυψη των θερµικών φορτίων για τη περίπτωση του αναµενόµενου χειµώνα στη περιοχή Χαλκίδας. SERIES 1: θερµικά φορτία καθιστικού. SERIES 2: θερµικά κέρδη παθητικών συστηµάτων. SERIES 3: κάλυψη θερµικών φορτίων µέσω των παθητικών συστηµάτων για το καθιστικό.

6 Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι Α) Για τους µήνες Οκτώβριο έως και Μάρτιο επιτεύχθηκε κάλυψη των ζητούµενων θερµικών φορτίων της κατοικίας από την λειτουργία των παθητικών ηλιακών συστηµάτων (τοίχος Τrombe- Michel, Θερµοκήπιο). ( ιάγραµµα 5) Β) Με την κατάλληλη σκίασή τους για τον µήνα Ιούλιο (δυσµενέστερος κατά το θέρος), όχι µόνο µπορεί να υπάρξει περιορισµός της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στα ανοίγµατα του κτιρίου και αποφυγή της υπερθέρµανσής τους, αλλά και µείωση του ψυκτικού φορτίου της κατοικίας. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εξοικονόµηση ενέργειας που επιτυγχάνεται στο αρχικό στάδιο σχεδιασµού του κτιρίου, εναρµονίζοντας τις λειτουργίες και τα υλικά κατασκευής του µε τις κλιµατικές συνθήκες που επικρατούν είναι ιδιαίτερα σηµαντική. Τα ενεργειακά οφέλη από τη χρήση των παθητικών ηλιακών συστηµάτων είναι πράγµατι µεγάλα. Στην συγκεκριµένη εργασία διαπιστώθηκε ότι µε τη σωστή χρήση των συστηµάτων αυτών και την εκµετάλλευση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, µπορούν να καλυφθούν τα απαιτούµενα θερµικά / ψυκτικά φορτία του κτιρίου, µέχρι και 1%. Το αποτέλεσµα αυτό επιτυγχάνεται υπό οµαλές συνθήκες περιβάλλοντος και όταν αυτό ακολουθήσει τις αναµενόµενες µέσες και ακραίες συνθήκες, δεν παρουσιάζει όµως κάλυψη 1% όταν έχουµε ακραία φαινόµενα καύσωνα ή παγετού αντίστοιχα. Σηµαντικό στοιχείο του ενεργειακού σχεδιασµού είναι το γεγονός της µικρής σχετικά οικονοµικής επιβάρυνσης που επιφέρει στα συνολικά οικονοµικά µεγέθη, ιδίως αν αυτή συσχετιστεί µε τα ενεργειακά οφέλη. Η συµβατική τεχνολογία ανάπτυξης των τοίχων Τrombe-Michel αποτελεί µέρος του σχεδιασµού της τοιχοποιίας του κτιρίου, τµήµα του σκελετού υποστήριξης του κτιρίου και της τοιχοποιίας (ειδικά σε νέους τύπους τοιχοποιίας όπως ο τοίχος µε επιχρισµένο µονωτικό υλικό και πλέγµα στήριξης). Η κατασκευή του εξωτερικού θερµοκηπίου, λόγω της µικρής σχετικά του έκτασης αλλά και από το συνδυασµό µε τη χρήση αίθριου, αποτελεί µηδαµινή επιβάρυνση κατά τη κατασκευή νέου τύπου ανεξάρτητων κατοικιών (τύπου µεζονέτας). Τέλος τα διαγράµµατα που παρουσιάζονται είναι ενδεικτικά επιλεγµένα από το πλήθος των αντιστοίχων της µελέτης υπολογισµού. ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ Ε : ενέργεια (kwh/m 2 ). a : συντελεστής απορροφητικότητας τοίχου. c : συντελεστής φύσης υαλοστασίου. U : συντελεστής θερµοπερατότητας (W/m 2 K). k : συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας (W/m K). f( s ) : ηλιακός συντελεστής. f( f ) : συντελεστής σκιασµού. Α : επιφάνεια (m 2 ) HL : θερµικά φορτία (kwh) CL : ψυκτικά φορτία (kwh) ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Το πρόβληµα της ηλικίας των κτιρίων στις πόλεις, Τεχνικά Χρονικά, ΤΕΕ, 4/1992. [2] Royal Commission on Environmental Pollution, 12th Report,CMND,3687 HMSO, London. [3] ASHRAE Fundamentals,1972, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers. [4] Thermie: Energy Comfort 2, DG xvii, European Commission, Brussels, 1998 [5] Οικολογική όµηση, ιεπιστηµονικό Ινστιτούτο Περιβαλλοντικών Ερευνών, 2 [6] Ενέργεια στην Αρχιτεκτονική, Ευρωπαϊκή Επιτροπή,Εκδόσεις Μάλλιαρης,1996 [7] Ηλιακή Ενέργεια Συνιστώσες της ηλιακής θερµικής διαδικασίας, Ανδρέας Ε. Μοσχάτος, Εκδόσεις Τ.Ε.Ε.,1992