Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας Βιοκλιµατική αρχιτεκτονική

Transcript

1 Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας Βιοκλιµατική αρχιτεκτονική Νίκος Μαµάσης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 2014 Εισαγωγή Bιοκλιµατική αρχιτεκτονική είναι ο σχεδιασµός κτιρίων και χώρων (εσωτερικών και εξωτερικών)µε βάση τις τοπικές κλιµατολογικές και περιβαλλοντικές συνθήκες, ώστε να εξοικονοµείταιενέργεια και να εξασφαλίζεται η θερµική και οπτικήάνεσηγια τους κατοίκους. Αξιοποιεί τις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, αλλά και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του τοπικού κλίµατος (θέση ηλίου, επικρατούντες άνεµοι), ώστε να εφαρµόζει τεχνικές (α) φυσικού δροσισµού, (β) αερισµού, (γ) ηλιοπροστασίας και (δ) θερµικής εκµετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Στο αντικείµενο της βιοκλιµατικής αρχιτεκτονικής περιλαµβάνονται: η µελέτη των προβληµάτων του δοµηµένου περιβάλλοντος όπως η αύξηση της θερµοκρασίας και η υψηλή συγκέντρωση αέριων ρύπων ο σχεδιασµός των κτιρίων, ώστε να αξιοποιούνται οι περιβαλλοντικές συνθήκες η επιλογή των δοµικών υλικών, λαµβάνοντας υπόψη τις θερµικές, οπτικές αλλά και τυχόν και τοξικές τους ιδιότητες 1

2 Ενεργειακές καταναλώσεις στα κτίρια ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΕΙΣ Θέρµανση χώρων Θέρµανση νερού Ψύξη χώρων ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΕΙΣ Φωτισµός χώρων Ηλεκτρικές συσκευές Ψύξη χώρων Παθητικά-ενεργητικά συστήµατα Τα παθητικά συστήµαταενσωµατώνονται στα κτίρια µε στόχο την αξιοποίηση των περιβαλλοντικών πηγών (ήλιος, άνεµος, βλάστηση, νερό, έδαφος, υπέδαφος) για την θέρµανση, ψύξη και φωτισµό. Λειτουργούν χωρίς µηχανολογικά εξαρτήµατα και δεν παράγουν πρόσθετη ενέργεια. Τα ενεργητικά συστήµατα, χρησιµοποιούν µηχανικά µέσα για τη θέρµανση και το δροσισµό, αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια ή τους φυσικούς µηχανισµούς ψύξης. Στη κατηγορία αυτή ανήκουν οι ηλιακοί συλλέκτες, τα φωτοβολταϊκα στοιχεία και οι ανεµογεννήτριες. 2

3 Θέρµανση Παράθυρα κατάλληλου προσανατολισµού Ηλιακοί τοίχοι Τοίχοι θερµικής αποθήκευσης Θερµοσιφωνικό πλαίσιο Θερµοκήπιο Ηλιακό αίθριο Θερµοµόνωση ροσισµός Σκίαση-θερµική προστασία (σκίαση ανοιγµάτων, πράσινη στέγη, χρήση ανακλαστικών επιχρισµάτων) Φυσικός αερισµός (διαµπερής φυσικός αερισµός, ανεµιστήρες οροφής, ηλιακή καµινάδα, αεριζόµενο κέλυφος, πύργος αερισµού) ροσισµός µέσω εδάφους (υπόσκαφα κτίρια, εναλλάκτες εδάφους-αέρα) ροσισµός µε µονάδες εξάτµισης Φωτισµός Ανοίγµατα στην τοιχοποιία Ανοίγµατα οροφής Αίθρια Φωταγωγοί Παθητικά συστήµατα Εξοικονόµηση ενέργειας ΜΕΤΡΑ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ Βιοκλιµατικός σχεδιασµός Προσανατολισµός Χρήση κατάλληλων υλικών ΠΑΘΗΤΙΚΑ Θερµοµόνωση κελύφους κτιρίου Παθητικά ηλιακά συστήµατα Ενεργειακά αποδοτικά κουφώµατα Αξιοποίηση φυσικού φωτισµού ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ Χρήση συστηµάτων ΑΠΕ Χρήση εναλλακτικών καυσίµων 3

4 Προσανατολισµός κτηρίου σε γεωγραφικό πλάτος 39 ο 22 Ιουνίου, µεσηµέρι Γωνία πρόσπτωσης: 73.5 o 22 Μαρτίου, 22 Σεπτεµβρίου, µεσηµέρι Γωνία πρόσπτωσης: 51 o N B 22 εκεµβρίου, µεσηµέρι Γωνία πρόσπτωσης: 27.5 o A Στο νότο φυτεύουµε φυλλοβόλα δένδρα για τη σκίαση της κατοικίας ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Η κύρια πηγή ενέργειας που εισέρχεται στην ατµόσφαιρα προέρχεται από τον ήλιο, ο οποίος συνεχώς αποβάλλει µέρος της µάζας του εκπέµποντας κύµατα και σωµατίδια υψηλής ενέργειας, στο διάστηµα. Το ποσό της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας στο εξωτερικό όριο της ατµόσφαιρας, εξαρτάται από τέσσερις παράγοντες: Ηλιακή εξερχόµενη ακτινοβολία Η εξερχόµενη ηλιακή ενέργεια εξαρτάται από την ηλιακή δραστηριότητα Απόστασητηςγηςαπότονήλιο Η γη στις 3/1 απέχει 147*10 6 και στις 4/7 152*10 6 χιλιόµετρα, (µεταβολή απόστασης 3.4%) Αζιµούθιο του ηλίου Το αζιµούθιο του ηλίου (η γωνία µεταξύ των ακτίνων και της εφαπτοµένης του εδάφους στο σηµείο παρατήρησης d) επηρεάζει σηµαντικά την ενέργεια που λαµβάνεται απότοέδαφοςµεβάσητησχέση: Ι=Ι ο sind όπου Iέντασηκαι I o ηλιακή σταθερά Η γωνία d εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή ιάρκεια ηµέρας Εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή και το ανάγλυφο 4

5 ΜΗΝΙΑΙΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΗΛΙΑΚΩΝ ΚΗΛΙ ΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Πηγή: Judith Lean, Evolution of the Sun's Spectral Irradiance Since the Maunder Minimum, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 27, NO. 16, PAGES , AUGUST 15,

6 Υπολογισµός της εκκεντρότητας (eccentricity)και της ηλιακής σταθεράς (solar constant) EARTH 4 July D 1 152*10 6 km E 0 D 2 147*10 6 km EARTH 3 January SUN Συντελεστής εκκεντρότητας d = (D mean /D j ) 2 D mean Η µέση απόσταση γης-ηλίου ( 149.6*10 6 km) D j η απόσταση γης-ηλίου την ηµέρα J Συνολική ηλιακή ενέργεια E=3.9*10 26 W Ηλιακή ακτινοβολία στη γη I=E/(4*π*D 2 ) W/m 2 Ηλιακή σταθερά I o =E/(4*π*D mean2 ) W/m 2 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΘΕΣΗΣ ΗΛΙΟΥ (γεωγραφικό πλάτος 40 ο ) 21 Μαρτίου Ηµέρα 80 (40 o N, 80,12) (40 o N, 172,12) (40 o N, 355,12) (40 o N, 355,17) W (40 o N, 80,18) (40 o N, 172,19) 21 Ιουνίου Ηµέρα 172 S N 21 εκεµβρίου Ηµέρα 355 (40 o N, 355, 8) E (40 o N, 80, 7) (40 o N, 172,6) Το ύψος και το αζιµούθιο του Ηλίου είναι συνάρτηση των Γεωγραφικό πλάτος Ηµέρας Ώρας της ηµέρας 6

7 ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Γωνία πρόσπτωσης ηλιακών ακτινών το µεσηµέρι, σε επίπεδη επιφάνεια και σε γεωγραφικό πλάτος 39 ο Ισηµερίες Γωνία πρόσπτωσης α: 90-39=51 o α 90 o 39 o Θερινό ηλιοστάσιο Γωνία πρόσπτωσης α: 90-( )=73.5 o Χειµερινό ηλιοστάσιο Γωνία πρόσπτωσης α: 90-( )=27.5 o α α 90 o 39 o 23.5 o 90 o 39 o 23.5 o ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΟΡΙΟ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (W/m 2 ) Πηγή: Christopherson,

8 ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΟΡΙΟ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (W/m 2 ) 600 Βόρειος πόλος (90 ο Β) 600 Ισηµερινός (0 ο ) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ 0 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ 600 Νότιος πόλος (90 ο Ν) 600 Νέα Υόρκη (40 ο Β) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ 0 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΥΝΗΤΙΚΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΟΝ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΧΩΡΟ 8

9 Προσανατολισµός κτηρίου στο βόρειο ηµισφαίριο Για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας το κτίριο πρέπει να λειτουργεί σαν ηλιακή «παγίδα». Η εκµετάλλευση αυτή µπορεί να γίνει σύµφωνα µε το κατωτέρω σχήµα. Λόγω της ηλιακής τροχιάς το κτίριο που αναπτύσσεται κατά µήκος του άξονα Βορρά- Νότου, έχει µικρά οφέλη, ενώ το κτίριο που αναπτύσσεται κατά µήκος του άξονα Ανατολή- ύση, έχει µεγαλύτερα οφέλη. Μεγαλύτερα οφέλη Θέρµανση κτιρίων µε παθητικά ηλιακά συστήµατα Τα παθητικά ηλιακά συστήµατα αξιοποιούν την θερµική µάζα ενός κτιρίου. Σε ηµερήσια βάση η θερµική µάζα αποθηκεύει ηλιακή-θερµική ενέργεια από την ηλιακή ακτινοβολία, την οποία απελευθερώνει κατά την διάρκεια της νύχτας. Συνήθως οι κατασκευές αυτές γίνονται στο νότιο τµήµα του κτιρίου όπου το καλοκαίρι είναι ευκολότερο να περιορισθεί η ηλιακή ακτινοβολία Τοίχος Trombe Εξωτερικά του τοίχου κατασκευάζεται γυάλινο πέτασµα που εγκλωβίζει την θερµική ενέργεια, ενώ παράλληλα στον τοίχο υπάρχουν ανοίγµατα από όπου κυκλοφορεί αέρας που διοχετεύει την θερµότητα µέσα στο κτίριο. Θερµοκήπιο Αποθηκεύει θερµική ενέργεια λόγω ακτινοβολίας και ζεσταίνεται, ενώ ο αέρας κυκλοφορεί µέσα στο σπίτι. Την νύχτα το θερµοκήπιο αποµονώνεται από τον εσωτερικό χώρο. 9

10 Ψύξη µε αερισµό Η αξιοποίηση του αέρα στις κατασκευές γίνεται όταν εντοπίσουµε από στατιστικά στοιχεία τους επικρατέστερους ανέµους στην περιοχή την περίοδο του θέρους. Για την αξιοποίηση των ανέµων για ψύξη προσανατολίζουµε τα ανοίγµατα του κτιρίου προς την πλευρά της κατεύθυνσης των ανέµων και δηµιουργούµε διαµπερή ανεµόπυργο (στην περίπτωση πολυόροφου κτιρίου) στην πίσω όψη του κτιρίου. Έτσι δηµιουργούνται ανεµοπιέσεις στην όψη του κτιρίου και υποπιέσεις στην πίσω όψη του κτιρίου, οι οποίες διευκολύνουν την κυκλοφορία του αέρα στο κτίριο και άρα την την ψύξη του. Ψύξη µε αερισµό 10

11 ιαχείριση του ρεύµατος αέρα Τα δέντρα στο βορρά χρειάζονται για να προστατεύουν την κατοικία από τους ψυχρούς χειµωνιάτικους βοριάδες, γι αυτό πρέπει να είναι αειθαλή Στο βορρά µπορούν να τοποθετηθούν µικρά ανοίγµατα, τα οποία σε συνδυασµό µε τα νότια, µπορούν το καλοκαίρι να δηµιουργούν καλή κυκλοφορία αέρα για το δροσισµό της κατοικίας. Θερµοµόνωση κελύφους Η θερµότητα κινείται από την θερµότερη προς την ψυχρότερη περιοχή, άρα το χειµώνα το κτίριο τείνει να µεταφέρει θερµότητα προς το εξωτερικό περιβάλλον Ο συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας, εκφράζει το πόσο εύκολα µεταδίδεται η θερµότητα µέσω ενός υλικού Θερµοχωρητικότητα είναι η ικανότητα ενός υλικού να αποθηκεύει θερµότητα ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗΣ εσωτερική εξωτερική µέσα στην τοιχοποιία (sandwich) ΕΧΘΡΟΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗΣ Υγρασία: Ένα θερµοµονωτικό υλικό µπορεί να χάσει πάνω από το 50% της µονωτικής του ικανότητας µε την παρουσία υδρατµών. Πρέπει να γίνεται µελέτη συµπύκνωσης υδρατµών και αν χρειάζεται να τοποθετείται φράγµα υδρατµών. Θερµογέφυρες:Αποτελούν τη συνήθη αστοχία κατά την κατασκευή κατοικιών και τις συνιστούν οι ασυνέχειες στη διάστρωση του µονωτικού υλικού, ιδίως µεταξύ τοιχοποιίας και φερόντων δοµικών στοιχείων 11

12 Θερµοµόνωση κελύφους Κατηγορία Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Εξωτερική Εκµετάλλευση θερµοχωρητικότητας τοίχου Κάλυψη θερµογεφυρών Αργή θέρµανση του χώρου Μεγαλύτερο κόστος Αδυναµία εφαρµογής σε κτίρια µε έντονο εξωτερικό ανάγλυφο Εσωτερική Μικρό κόστος Εύκολη εφαρµογή σε κάθε κτίριο Γρήγορη θέρµανση χώρων εν αξιοποιείται η θερµοχωρητικότητα Κίνδυνος συµπύκνωσης υδρατµών υσκολίες στα ηλεκτρολογικά Sandwich Εύκολη εφαρµογή σε νέες οικοδοµές Καλή οικονοµοτεχνική απόδοση εν εφαρµόζεται εύκολα σε υφιστάµενα κτίρια Κίνδυνος δηµιουργίας θερµογεφυρών βελτιώνουν την ποιότητα του αέρα Πράσινες στέγες Τα βασικότερα πλεονεκτήµατα που προσφέρουν οι πράσινες στέγες είναι τα εξής: προσφέρουν θερµοµόνωση, υγροµόνωση και ηχοµόνωση οµορφαίνουν κτίρια και γειτονιές και δηµιουργούν φυσικό περιβάλλον ώστε να αναπτυχθεί η αστική χλωρίδα και πανίδα βελτιώνουν το µικροκλίµα των αστικών περιοχών παρέχουν αντιπληµµυρική προστασία Απαιτούνται: Προσεκτική στεγάνωση Έλεγχος φέρουσας ικανότητας (στις παλιές οικοδοµές τοποθετούνται συστήµατα βάρους 15kg/m 2 και στις νέες βάρους 70 kg/m 2 ) 12

13 Πράσινες στέγες Turf (Iceland) ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ Αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για θέρµανση νερού χρήσης και χώρων µέσω συστηµάτων µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερµική ισχύ Ηλιακοί συλλέκτες: Επίπεδοι Συγκεντρωτικοί Επίπεδοι µε ανακλαστήρα Συσκευές µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερµότητα Η συνηθέστερη και φτηνότερη τεχνολογία. Η ηλιακή ενέργεια µετατρέπεται κατ ευθείαν σε θερµότητα στην απορροφητική επιφάνεια Συγκέντρωση της ηλιακής ενέργειας µε οπτικά µέσα απορρόφηση σε σωλήνα κενού και µετατροπή σε θερµική. Υψηλές θερµοκρασίες και αποδόσεις Αύξηση απόδοσης επίπεδων µε χρήση επιφάνειας που οδηγεί µέσω ανάκλασης περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία στο συλλέκτη εξαµενές αποθήκευσης θερµότητας: Καλά µονωµένες δεξαµενές που περιέχουν νερό και θερµαίνονται από τους ηλιακούς συλλέκτες 13