ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ ΜΗΔΕΝΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ ΜΗΔΕΝΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ι. Κοσμόπουλος, Υπ. Διδάκτωρ, Τμ. Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ K. Παπακώστας, Επικ. καθ., Τμ. Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Οκτώβριος 2011

Εισαγωγή Τα κτίρια αποτελούν τον μεγαλύτερο καταναλωτή ενέργειας στην Ευρώπη, με ποσοστό περίπου 40% επί της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Παράλληλα στη διάρκεια του 20ου αιώνα, τα επίπεδα CO 2 στην ατμόσφαιρα έχουν αυξηθεί κατά 25% (Santamouris, 2008) Το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο, επεμβαίνοντας στην Energy Performance of Buildings Directive του 2002, συμφώνησε στην αναμόρφωσή της, που έγινε το Μάιο 2010, όπου προτάθηκε ότι όλα τα κτίρια δημόσιου τομέα μετά τις 31 Δεκεμβρίου του 2018, θα πρέπει να παράγουν από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τουλάχιστον τόση ενέργεια όση καταναλώνουν, και το ίδιο θα πρέπει να ισχύει για όλα τα νέα κτίρια που θα κατασκευάζονται από το 2020 και έπειτα.

Ορισμός του Net Zero Energy Building (NZEB) - 1 Κατά την ευρεία έννοια, ένα NZEB (Κτίριο συνολικής Μηδενικής Ενέργειας) είναι κατοικία ή εμπορικό κτίριο με ελαχιστοποιημένες ενεργειακές απαιτήσεις, όπου οι τεχνολογίες χρήσης Α.Π.Ε. μπορούν να καλύψουν σε πολύ μεγάλο βαθμό έως και να υπερκαλύψουν την ενεργειακή του κατανάλωση (Torcelini et. al., 2009). Πιο συγκεκριμένα, το National Renewable Energy Laboratory του Department Of Energy (DOE) των ΗΠΑ δημιούργησε δύο βασικά σημεία αναφοράς για τα κτίρια μηδενικής κατανάλωσης: 1 ) Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition (Αύγουστος 2006) αναφέρει τέσσερις ορισμούς για το NZEB: Net Zero Site Energy (Συνολική Μηδενική Κατανάλωση στο Χώρο Εγκατάστασης του Κτιρίου) Net Zero Source Energy (Συνολική Μηδενική Ενέργεια στο Χώρο Παραγωγής) Net Zero Energy Costs (Συνολικό Μηδενικό Ενεργειακό Κόστος) Net Zero Energy Emissions (Συνολικές Μηδενικές Ενεργειακές Εκπομπές)

Ορισμός του Net Zero Energy Building (NZEB) - 2 Net Zero Site Energy (Συνολική Μηδενική Κατανάλωση στο Χώρο Εγκατάστασης του Κτιρίου) : το NZEB παράγει από ΑΠΕ διαθέσιμες στο χώρο εγκατάστασης του κτιρίου τουλάχιστον τόση ενέργεια, όση καταναλώνει στη διάρκεια ενός έτους. Net Zero Source Energy (Συνολική Μηδενική Ενέργεια στο Χώρο Παραγωγής) : το NZEB παράγει (ή και αγοράζει) από ΑΠΕ τουλάχιστον τόση ενέργεια, όση καταναλώνει στη διάρκεια ενός έτους, όσον αφορά την Ενέργεια στο Χώρο Παραγωγής. Αυτή αναφέρεται στην Πρωτογενή Ενέργεια που καταναλώνεται: για την εξαγωγή και την επεξεργασία ενεργειακών φυσικών πόρων και για την παραγωγή και τη διανομή ενέργειας στο κτίριο Για τον υπολογισμό της συνολικής Ενέργειας στο Χώρο Παραγωγής, η εισαγομένη ενέργεια από το δίκτυο στο κτίριο και ηεξαγόμενηενέργειααπότοκτίριοπροςτοδίκτυο πολλαπλασιάζονται με κατάλληλους συντελεστές μετατροπής που σχετίζονται με τους συμβατικούς πόρους ή τις ΑΠΕ που χρησιμοποιούνται.

Συντελεστές αναγωγής εισαγόμενης/εξαγόμενης ενέργειας σε πρωτογενή ενέργεια Eθνικoί μέσοι όροι συντελεστών μετατροπής ενέργειας σύμφωνα με το πρόγραμμα Energy Star, US EPA

Συντελεστές αναγωγής εισαγόμενης/εξαγόμενης ενέργειας σε πρωτογενή ενέργεια Σύμφωνα με TOTTE 20701-1

Ορισμός του Net Zero Energy Building (NZEB) - 3 Net Zero Energy Costs (Συνολικό Μηδενικό Ενεργειακό Κόστος) : τα χρήματα που το δίκτυο πληρώνει στον ιδιοκτήτη του κτιρίου για την ενέργεια από ΑΠΕ, πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσα με αυτά που πληρώνει ο ιδιοκτήτης του κτιρίου στοδίκτυοσεέναχρόνο. Net Zero Energy Emissions (Συνολικές Μηδενικές Ενεργειακές Εκπομπές) : ένα τέτοιο κτίριο παράγει (ή αγοράζει) τόση ενέργεια από ΑΠΕ χωρίς εκπομπές, όση χρειάζεται για να αντισταθμίσει τις εκπομπές ρύπων από τη χρήση «μη καθαρής» ενέργειας σε ένα έτος. Οξείδια του άνθρακα, τουαζώτουκαιτου θείου είναι οι πιο συνηθισμένοι ρύποι που στοχεύουν να αντισταθμίζουν τα NZEB (CO 2 equivalents). 2 ) Zero Energy Buildings: A Classification System based on Renewable Energy Supply Options (Ιούλιος 2009) κατηγοριοποιεί τα NZEB με βάση τις Α.Π.Ε. που χρησιμοποιούνται σε 4 κατηγορίες, τις Α, Β, C και D.

Κατηγορίες ΖΕΒ ανάλογα με τη χρήση ΑΠΕ ΑΠΕ εντός του χώρου εγκατάστασης του κτιρίου Α Χρήση ΑΠΕ άμεσα διαθέσιμων και συνδεδεμένων με το δίκτυο ηλεκτρισμού/ζνχ του κτιρίου, εγκατεστημένων πάνω στο κτίριο. (Πχ. Φωτοβολταϊκά, ηλιακοί θερμοσίφωνες, ανεμογεννήτριες στο κτίριο) Β Όπως στο Α, αλλά και ΑΠΕ διαθέσιμες και συνδεδεμένες στο κτίριο από κοντινή περιοχή, και όχι απαραίτητα εγκατεστημένες στο ίδιο το κτίριο (κοντινά πάρκα με Φ/Β, ανεμογεννήτριες, υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις) ΑΠΕ εντός και εκτός του χώρου εγκατάστασης του κτιρίου C Όπως στην κατηγορία Α και Β. Επιπλέον αγορά και εισαγωγή ΑΠΕ διαθέσιμων εκτός του χώρου εγκατάστασης του κτιρίου, για την παραγωγή ενέργειας στο κτίριο. (Πχ : Βιομάζα, pellets, αιθανόλη, βιοντίζελ που χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρισμού και θέρμανσης). D Όπως στις περιπτώσεις Α, ΒκαιC. Επιπλέον αγορά ΑΠΕ εκτός του χώρου εγκατάστασης και άλλων «πράσινων» επιλογών, πιστοποιημένων από το Green-E ή παρεμφερή προγράμματα. (Πχ, αγορά ανεμογεννητριών / φωτοβολταϊκών εγκατεστημένα στο δίκτυο, αγορά δικαιωμάτων ρύπανσης).

Ορισμός του Net Zero Energy Building (NZEB) - 4 Δεν υπάρχει βέλτιστος ορισμός ούτε βέλτιστη κατηγορία για τα ΖΕΒ, όπως επίσης, δεν υπάρχει ακόμα ένας ενιαίος ορισμός, και μια ενιαία τυποποιημένη μεθοδολογία για τον έλεγχο και χαρακτηρισμό ενός κτιρίου ως ZEB. Αλλά μεταξύ όλων των ορισμών και των κατηγοριών ZEB επικρατεί μία γενική παραδοχή: πρώτα εξασφαλίζουμε την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών απαιτήσεων του κτιρίου, και μετά ασχολούμαστε με την εξαγωγή ενέργειας στο δίκτυο. (Crawley et al., 2009) Οι χρήστες και οι σχεδιαστές των NZEB πρέπει πρώτα να κάνουν χρήση όλων των διαθέσιμων μεθόδων και τεχνολογιών για τη μέγιστη ενεργειακή αποδοτικότητα του κτιρίου, και μετά να εφαρμόσουν τις ΑΠΕ ζυγίζοντας όλες τις πιθανές επιλογές, με προτεραιότητα τις ενεργειακές πηγές που είναι διαθέσιμες πολύ κοντά ή πάνω στο ίδιο το κτίριο. Με τον τρόπο αυτό ελαχιστοποιείται το κόστος και οι απώλειες που προκύπτουν από τη μεταφορά και μετατροπή της ενέργειας.

Επικρατέστερη Μεθοδολογία για ZEB status Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, τα περισσότερα κτίρια που έχουν χαρακτηρισθεί ως ZEB εμπίπτουν στους ορισμούς: α) της Μηδενικής Ενεργειακής Κατανάλωσης στο Χώρο Εγκατάστασης και β) του Μηδενικού Ενεργειακού Κόστους Συνήθως γίνεται: 1) προσδιορισμός των ενεργειακών αναγκών του κτιρίου είτε με τη χρήση λογισμικού προσομοίωσης (EnergyPlus, TRNSYS κ.ά.) είτε από προηγούμενες βιβλιογραφικές παρόμοιες μελέτες ή με τη χρήση λογαριασμών κατανάλωσης 2) υπολογισμός της παραγόμενης ενέργειας από ΑΠΕ που εξάγεται στο δίκτυο ανά έτος 3) σύγκριση της παραγόμενης ενέργειας με την καταναλισκόμενη και αναγωγή στο κόστος. Όσον αφορά τους ορισμούς για τη Μηδενική Πρωτογενή Ενέργεια και τις Μηδενικές Εκπομπές, γίνεται αναγωγή της ενέργειας χρήσης σε πρωτογενή ενέργεια και σε ισοδύναμες μονάδες CO 2 (από την εξαγωγή των ενεργειακών πόρων μέχρι την τελική τους χρήση για παραγωγή και διανομή ενέργειας).

Η Πρωτογενής Ενέργεια Η Πρωτογενής Ενέργεια είναι η πιο συνηθισμένη μονάδα μέτρησης για ισοζύγια ZEB (Energy Performance Buildings Directive,Μάιος 2010) και χρησιμοποιείται σε πολλές μεθοδολογίες. Ωστόσο, υπάρχουν συγκεκριμένα ζητήματα που αφορούν στο ισοζύγιο πρωτογενούς ενέργειας : (Marszal et al, 2011) (1) η αλλαγή των συντελεστών αναγωγής της ενέργειας σε πρωτογενή με το χρόνο, ως αποτέλεσμα της μεταβολής των χαρακτηριστικών των ενεργειακών υποδομών και (2) η υποτίμηση των ΑΠΕ (Segers, 2008) όπως φωτοβολταϊκά, υδροηλεκτρικά και ανεμογεννήτριες με τη χρήση της Πρωτογενούς ενέργειας ως μονάδα μέτρησης (1 μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικούς πόρους, απαιτεί 2-3 μονάδες πρωτογενούς, ενώ 1 μονάδα ενέργειας από ΑΠΕ απαιτεί 1 μονάδα πρωτογενούς).

Η «μέθοδος υποκατάστατου» -1 Η «μέθοδος υποκατάστατου» (Substitution Method, Segers 2008) προτάθηκε για να επιλυθεί το ζήτημα της υποεκτίμησης της ενέργειας που παράγεται από ΑΠΕ στο κτίριο σε σύγκριση με την καταναλισκόμενη ενέργεια από συμβατικές πηγές. Η μέθοδος θεωρεί ότι η ενέργεια που παράγεται στο κτίριο από ΑΠΕ είναι ενέργεια που δεν λαμβάνεται από το δίκτυο, το οποίο συνήθως χρησιμοποιεί συμβατικές πηγές ενέργειας. Εισάγει κατάλληλους συντελεστές αναγωγής, που υιοθετούνται και από τις περισσότερες μεθόδους υπολογισμών του ενεργειακού ισοζυγίου, λόγω μεγαλύτερης ακρίβειας στη συνεισφορά των ΑΠΕ.

Η «μέθοδος υποκατάστατου» -2 Συντελεστές αναγωγής παραγόμενης ενέργειας από ΑΠΕ σύμφωνα με τη μέθοδο υποκατάστατου (π.χ 1 μονάδα ηλεκτρισμού από ΑΠΕ συμβάλλει στην αποφυγή χρήσης 2,5 μονάδων ηλεκτρισμού από συμβατικές πηγές)

Χρόνος Υπολογισμού ενεργειακού ισοζυγίου Όσον αφορά το χρόνο υπολογισμού για το ενεργειακό ισοζύγιο του κτιρίου, το ένα έτος είναι η πιο συνηθισμένη και αποδεκτή χρονική περίοδος. Σε περιπτώσεις έντονων μεταβολών στην ετήσια χρήση ενέργειας ενός κτιρίου από χρόνο σε χρόνο (ψυχρότερες και μεγαλύτερες θερμαντικές περίοδοι, θερμότερα καλοκαίρια ή μεταβολή των χρήστών του κτιρίου) η περίοδος υπολογισμών μπορεί να επεκταθεί μέχρι και στα 50 έτη χρήσης του κτιρίου. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να αποτελεί μια οπτική για το δίκτυο στο μέλλον, (πχ. τη μείωση της χρήσης πρωτογενούς ενέργειας από αυτό με την πάροδο του χρόνου λόγω μείωσης χρήσης συμβατικών πόρων) (Marszal et al, 2011).

(Ferrante, Cascella 2011) ΖΕΒ και Μεσογειακό κλίμα

Σχηματική παρουσίαση συστήματος ελέγχου σε ένα ΖΕΒ (Kolokotsa et al.)

Προβληματισμοί -1 1) Δεν υπάρχει ένας ενιαίος, γενικά αποδεκτός ορισμός ούτε μια ενιαία μεθοδολογία για τον έλεγχο και τον χαρακτηρισμό κτηρίων ως «Κτίρια Μηδενικής Ενέργειας». Οι επικρατέστερες μέθοδοι και ορισμοί είναι αυτοί που αναφέρθηκαν. 2) Τα ήδη υπάρχοντα κτίρια χρειάζονται έναν ιδιαίτερο ορισμό στον οποίο θα μπορούν να εντάσσονται, καθότι αυτά είναι υπεύθυνα για την παρούσα ενεργειακή κατανάλωση στον κτιριακό τομέα, και κατά συνέπεια έχουν τα μεγαλύτερα περιθώρια για βελτίωση. (Marszal et al, 2011)

Προβληματισμοί-2 Η ενεργειακή βελτίωση υπαρχόντων κτιρίων είναι πολύ πιο μεγάλη πρόκληση από την κατασκευή ενός νέου, ειδικά σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές ή σε πολυόροφα κτίρια, όπου δεν μπορούν να εφαρμοστούν εύκολα όλες οι δυνατότητες ενεργειακού σχεδιασμού και παροχής ενέργειας από ΑΠΕ. Συνεπώς, εάν θέλουμε τα ήδη υπάρχοντα κτίρια να ενταχθούν στις προϋποθέσεις των ορισμών των ΖΕΒ, αυτές πρέπει να είναι διαφορετικές για τα νέα κτίρια και διαφορετικές για τα ήδη υπάρχοντα, έτσι ώστε το ΖΕΒ status να είναι επιτεύξιμο και στις δύο περιπτώσεις.

Σχέδιο Πρότασης Οικισμού Μηδενικής Ενεργειακής Κατανάλωσης στο Aalborg, Δανία

Τομή : Zero Carbon Εco Ηouse, εταιρία Barratt, Αγγλία

Βιβλιογραφία A. Ferrante, M.T. Cascella (2011), Zero energy balance and zero on-site co2 emission housing development in the mediterranean climate, Energy and Buildings A.J. Marszal, P. Heiselberga, J.S. Bourrelleb, E. Musallc, K. Vossc, I. Sartori, A. Napolitano (2011) Zero Energy Building A review of definitions and calculation methodologies, Energy and Buildings 43 p.971 979 DIRECTIVE 2010/31/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 19 May 2010 (recast), Official Journal of the European Union. D. Crawley, S. Pless, P. Torcellini (2009), Getting to Net Zero, ASHRAE Journal Eceee Guide no. 2 (2009), Net zero energy buildings: definitions, issues and experience Kolokotsa, D. et al. (2010), A roadmap towards intelligent net zero- and positive-energy buildings, Solar Energy P. Torcellini, S. Pless, and M. Deru (2006), Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition P. Torcellini, S. Pless (2009), Net-Zero Energy Buildings: A Classification System Based on Renewable Energy Supply Options R. Segers (2008), Three options to calculate the percentage renewable energy: An example for a EU policy debate, Energy Policy 36 p.3243 3248 www.spitia.gr/greek/aiforos/exikonomisi/m_santamouris.htm http://www.instablogsimages.com/images/2010/07/29/housing-zero-energy-collective-housing-in-aalborg-by-cfmoller-architects_1_ri62d_69.jpg http://www.greeninnovation.co.uk/new/barratt_ecofriendlyhouse.html

Ευχαριστώ για την προσοχή σας