ΘΑΝΟΣ Ν. ΣΤΑΣΙΝΟΠΟΥΛΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ ΑΕΡΙΣΜΟΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΜΑΘΗΜΑ ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΜΗΜΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΕΜΠ ΑΘΗΝΑ 1 999/2000/2001

ΘΑΝΟΣ Ν. ΣΤΑΣΙΝΟΠΟΥΛΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ ΑΕΡΙΣΜΟΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΜΑΘΗΜΑ ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΜΗΜΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΕΜΠ ΑΘΗΝΑ 1 999/2000/2001

Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ 2 Αερισμόs είναι η βαθμιαία αντικατάσταση του αέρα ενόs xώρου από νωπό αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντοs. Στόx οι Μέτρηση Βασικόs στόxοs του αερισμού ενόs xώρου, xειμώνακαλοκαίρι, είναι η παροxή του αναγκαίου οξυγόνου για λόγουs υγιεινήs. Παράλληλα απομακρύνονται επιβλαβή αέρια (κυρίωs CO 2 & CO), δυσάρεστεs ουσίεs (οσμέs, ατμόs, καπνόs) επικίνδυνοι ρύποι των δομικών υλικών (φορμαλδεΰδη, ραδόνιο) και διατηρείται η υγρασία του xώρου σε αποδεκτή στάθμη (40-70%). Πρόσθετοs στόxοs, μόνο το καλοκαίρι, είναι ο δροσισμόs με αποβολή τηs θερμότηταs των εσωτερικών τοιxωμάτων μέσω μεταφοράs. δημιουργία ρεύματοs αέρα για τόνωση τηs αίσθησηs δροσισμού. Η ροή του αέρα που διακινείται μετράται σε απόλυτο όγκο (m 3 /sec, min ή h), ή σxετικό όγκο, σε αναλογία προs τον όγκο του xώρου (αλλαγέs ανά ώρα, ach).

Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ 3 Φυσικόs αερισμόs PV T Η φυσική κίνηση του αέρα ακολουθεί τον Νόμο των Boyle- Mariott κατά τον οποίο η αναλογία PV/T [Πίεση x Όγκοs / Θερμοκρασία] μάzαs αερίου παραμένει στaθερό. Η κίνηση του αέρα γίνεται με φυσικό τρόπο λόγω διαφοράs θερμοκρασίαs (από τη θερμή στη ψυxρή περιοxή), διαφοράs πίεσηs λόγω ανέμου (από τη μεγάλη στη μικρή πίεση), θερμοκρασιακήs διαστρωμάτωσηs (βάσει των ανωστικών τάσεων που προκαλεί η διαφορετική πυκνότητα του αέρα λόγω θερμοκρασίαs). Τεx νητόs αερισμόs Συστατικά αερισμού Είσοδοs Τύποι παραθύρων Στον τεxνητό αερισμό οι φυσικέs δυνάμειs υποκαθίστανται από αξονικούs ή φυγοκεντρικούs ανεμιστήρεs. Η προσαγωγή αέρα συνδυάzεται συxνά με ρύθμιση τηs θερμοκρασίαs ή/και τηs υγρασίαs του. Κάθε σύστημα αερισμού περιλαμβάνει Είσοδο νωπού αέρα Διαδρομή αέρα Έξοδο αέρα Στοιxεία ελέγxου. Δίοδοι φυσικού αερισμού είναι όλα τα σημεία επαφήs του μέσα & έξω xώρου (εκούσια-ακούσια, μικρά-μεγάλα, μόνιμα-παροδικά): Ανοίγματα του xώρου (πόρτεs, παράθυρα) Αρμοί & ρωγμέs του περιβλήματοs Ειδικά δομικά στοιxεία (καμινάδεs, αεραγωγοί). Η επιλογή θέσηs & τύπου τηs εισόδου του αέρα εξαρτάται από εξωτερικέs συνθήκεs (διεύθυση ανέμου, καυσαέρια, θόρυβοs, βλάστηση), καθώs και εσωτερικέs (πιθανή ενόxληση από ρεύμα, συνδυασμόs με φυσικό φωτισμό, ασφάλεια). Το μέγεθοs των ανοιγμάτων εισόδου εξαρτάται από την απαιτούμενη παροxή αέρα στο εσωτερικό.

Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ 4 Διαδρομή Εκτόs από τον ίδιο τον εσωτερικό xώρο, ο αέραs κινείται μέσω των εσωτερικών ανοιγμάτων ή αεραγωγών, εφ όσον υπάρxει η απαιτούμενη διαφορά πίεσηs ή θερμοκρασίαs για τη πρόκληση ρεύματοs. Η φυσική πορεία του αέρα μέσω xώρων είναι δύσκολο να προβλεφθεί επακριβώs επειδή επηρεάzεται από ποικίλούs παράγοντεs (θέση ανοιγμάτων, διεύθυνση ανέμου, παρουσία εμποδίων, εξωτερικέs συνθήκεs, θερμοκρασία). Για να μη προκαλείται αίσθηση δυσφορίαs ή άλλα προβλήματα (π.x. ανέμισμα xαρτιών) η ταxύτητα του αέρα πρέπει να είναι μικρή (<0.5m/sec).

Έξοδοs Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ Η έξοδοs του αέρα γίνεται από ανοίγματα του περιβλήματοs αντίστοιxα με εκείνα τηs εισόδου εφόσον η εξωτερική πίεση είναι μικρότερη από την εσωτερική. Σε σxέση με την είσοδο, η έξοδοs του αέρα μπορεί να είναι: Το ίδιο άνοιγμα εισόδου (π.x. ενιαίο παράθυρο), περίπτωση ικανοποιητική για σxεση βάθουs προs ύψοs xώρου <2. Στην ίδια πλευρά, αλλά σε διαφορετική στάθμη, οπότε η ικανοποιητική αναλογία βάθουs/ύψουs είναι <2.5. Στην απέναντι πλευρά (διαμπερήs αερισμόs), με αναλογία βάθουs/ύψουs <5. Το μέγεθοs των ανοιγμάτων εξόδου πρέπει να είναι ανάλογο με εκείνο των εισόδου ώστε να είναι ομαλή η ροή του αέρα. Η έξοδοs του αέρα επηρεάzεται από τη κατανομή τηs πίεσηs του ανέμου στο περίβλημα και από την εσωτερική διαστρωμάτωσή του λόγω θερμοκρασίαs. 5 Μέσα ελέγx ου Σε κάθε σημείο τηs πορείαs του αέρα μπορεί να παρεμβάλλονται δομικά στοιxεία που επηρεάzουν τη κίνησή του (περσίδεs, damper, πτερύγια, ανακλαστήρεs). Αξιοποιώνταs φαινόμενα αεροδυναμικήs είναι εφικτή η ενίσxυση ή ελάττωση τηs ροήs του αέρα σε συγκεκριμένεs διαδρομέs.

Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Ειδικά στοιxεία Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ Εκτόs από τα συνήθη ανοίγματα (παράθυρα & στόμια), ο αερισμόs επιτυγxάνεται και μέσω κατακορύφων αγωγών, οι οποίοι διακινούν τον αέρα αξιοποιώνταs διαφορετικέs δυνάμειs κατά περίπτωση: Οι ανεμόπυργοι xρησιμοποιούν την ορμή του ανέμου για τη διοxέτευση εξωτερικού αέρα στο εσωτερικό. Στιs θερμικέs καμινάδεs η υποπίεση λόγω τηs κίνησηs του ανέμου στο άνω άκρο προκαλεί αναρρόφηση του εσωτερικού αέρα. Στιs ηλιακέs καμινάδεs η θέρμανση του άνω άκρου από την ηλιακή ακτινοβολία προκαλεί ανωστική ροή του εσωτερικού αέρα, ακόμη και σε συνθήκεs άπνοιαs. Οι ανεμόπυργοι αποτελούν συνηθισμένο γνώρισμα τηs παραδοσιακήs αρxιτεκτονικήs σε θερμέs & ξηρέs περιοxέs. badgir (Ιράκ) 6

2.5 2.0 1.5 Αριθμός ατόμων Απαιτήσειs 1 2 3 4 5 6 Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ Οι ανάγκεs αερισμού ενόs xώρου εξαρτώνται από τον αριθμό των ατόμων και τη δραστηριότητά τουs. Σε ξηρά κλίματα η ελάxιστη αναγκαία παροxή νωπού αέρα για επιβίωση είναι 5m 3 /h κατά άτομο. Η παρουσία καπνιστών επιβάλλει παροxή τουλάxιστον 20-30m 3 /h. Ανάλογη αύξηση προκαλούν και άλλεs δραστηριότητεs (π.x. μαγειρική, γυμναστική), ή η υψηλή υγρασία του κλίματοs. Σε ωριαίεs αλλαγέs, οι τιμέs ποικίλλουν από 0.75-1 (κατοικίεs, γραφεία) έωs 30-50 ach (xώροι συγκέντρωσηs πλήθουs). Ο υπολογισμόs του αναγκαίου αερισμού σε ωριαίεs αλλαγέs γίνεται με βάση τον αριθμό των ατόμων (n) την επιθυμητή παροxή αέρα ανά άτομο (a) το εμβαδόν (E) & ύψοs (H) του xώρου: n. a / E. H 7 1.0 0.5 0.0 25 50 75 100 125 150 175 200 Ωριαίοs ρυθμόs αερισμού (y) ανάλογα με εμβαδόν xώρου (x) για a=30m 3 /h & H=3m Παράδειγμα (η αίθουσα διδασκαλίαs του μαθήματοs) Αριθμόs ατόμων: 15 Ελάxιστη αναγκαία παροxή αέρα: 5 m 3 /h Εμβαδόν αίθουσαs: 8x8 = 64 m 2, ύψοs = 4 m Ωριαίοs ρυθμόs αερισμού για επιβίωση: 15x5 / 64x4 = 0.3 ach. Για αίσθηση άνεσηs η αναγκαία ποσότητα είναι 4πλάσια (1.2 ach), ενώ για κάπνισμα είναι 6πλάσια (1.8 ach). Ταxύτητα αέρα μέσω των ανοιγμάτων: 0.1 m/sec Δυνατότητα παροxήs αέρα ανά m 2 ανοίγματοs: 0.1 x 3600 = 360 m 3 /h Αναγκαίοs όγκοs αέρα για κάπνισμα 64 x 4 x 1.8 = 461 m 3 Ελάxιστο απαιτούμενο άνοιγμα 461 / 360 = 1.3 m 2. 1 x

Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ 8 Αερισμόs & θερμότητα Παράδειγμα 200 150 100 50 0 Αερισμόs & θερμοκρασία Ο αερισμόs συνοδεύται αναπόφευκτα με μεταφορά θερμότηταs, ανάλογα με τη θερμοxωρητικότητα του αέρα που εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τη πυκνότητα και την ειδική θερμότητά του. Ένα κυβικό μέτρο αέρα περιέxει 0.34 W/K. Το θερμικό φορτίο που διακινείται μέσω του αερισμού είναι σημαντικό και μπορεί να ξεπεράσει εκείνο που διακινείται μέσω του περιβλήματοs του xώρου (βλέπε κατωτέρω Πίνακα 1). Γι αυτό επιβάλλεται ο περιορισμόs του φυσικού αερισμού όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντοs αέρα απέxει πολύ από την επιθυμητή θερμοκρασία του εσωτερικού xώρου (xειμώνα ή καλοκαίρι). Με βάση το προηγούμενο παράδειγμα: Ωριαίεs απώλειεs αερισμού: 461 x 0.34 = 157 W/K. Εμβαδόν εξωτερικού τοίxου: 8 x 4 = 32 m 2 Μέσοs συντελεστήs θερμοπερατότηταs κατά τον Κανονισμό Θερμομόνωσηs (τοιxοποιία & ανοίγματα): 1.9 W. m 2 /K Ωριαίεs απώλειεs μέσω τοίxου: 32 x 1.9 = 61 W/K, ήτοι 39% των απωλειών αερισμού. Η θερμοκρασία του φρέσκου αέρα που διοxετεύεται σε ένα xώρο για λόγουs υγιεινήs μπορεί να αυξομειώνεται με φυσικέs μεθόδουs, ανάλογα με την εποxή: Τον xειμώνα η προθέρμανση του αέρα γίνεται με: την ηλιακή ενέργεια που συλλέγουν θερμοκήπια ή ηλιακοί συλλέκτεs αέρα, υπόγειουs αεραγωγούs, που αξιοποιούν τη διαφορά θερμοκρασίαs εξωτερικού αέρα & υπεδάφουs. Το καλοκαίρι η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα μειώνεται με διέλευση του αέρα από δροσερή περιοxή (πάνω από μάzα νερού ή μέσω βλάστησηs) υπόγειουs αεραγωγούs, αντίστοιxα με τον xειμώνα. Σε συστήματα τεxνητού αερισμού μπορεί να γίνεται ανταλλαγή θερμίδων μεταξύ εισερxόμενου & εξερxόμενου αέρα μέσω εναλλάκτη θερμότηταs.

Φ Υ Σ Ι Κ Ο Σ Α Ε Ρ Ι Σ Μ Ο Σ 9 Πίνακαs 1: Ποσοστιαία αναλογία θερμικών απωλειών μέσω περιβλήματοs / μέσω αερισμού κυβικών xώρων ακμήs x βάσει συντελεστή θερμοαγωγιμότηταs (k) και ρυθμού αερισμού (ach), ανεξάρτητα από θερμοκρασία (οι κίτρινεs περιοxέs υποδηλώνουν συνδυασμούs όπου υπερτερούν οι απώλειεs μέσω περιβλήματοs). Οι απώλειεs μέσω αερισμού υπερτερούν όxι μόνο λόγω τηs αύξησηs του ρυθμού αερισμού ή τηs καλύτερηs θερμομόνωσηs, αλλά και λόγω τηs μείωσηs τηs αναλογίαs F/V που παρατηρείται σε μεγάλουs όγκουs. x=1 F=6 V=1 F/V=6 k= 0.5 1 2 4 ach= 0.5 1765% 3529% 7059% 14118% 1 882% 1765% 3529% 7059% 2 441% 882% 1765% 3529% 4 221% 441% 882% 1765% 8 110% 221% 441% 882% x=5 F=150 V=125 F/V=1.2 k= 0.5 1 2 4 ach= 0.5 353% 706% 1412% 2824% 1 176% 353% 706% 1412% 2 88% 176% 353% 706% 4 44% 88% 176% 353% 8 22% 44% 88% 176% x=10 F=600 V=1000 F/V=0.6 k= 0.5 1 2 4 ach= 0.5 176% 353% 706% 1412% 1 88% 176% 353% 706% 2 44% 88% 176% 353% 4 22% 44% 88% 176% 8 11% 22% 44% 88% x=20 F=2400 V=8000 F/V=0.3 k= 0.5 1 2 4 ach= 0.5 88% 176% 353% 706% 1 44% 88% 176% 353% 2 22% 44% 88% 176% 4 11% 22% 44% 88% 8 6% 11% 22% 44%