ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Λειτουργική και Αισθητική Ένταξη Συστημάτων Αξιοποίησης της Ηλιακής Ενέργειας στα Κτίρια ΣΙΑΜΠΕΚΟΥ ΧΡΙΣΤΙΑΝΑ Α.Μ. 127 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΤΡΥΠΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ Ι. Επίκ. Καθ. Τμ. Φυσικής Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ 2005
Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια του ιατµηµατικού Μεταπτυχιακού Προγράµµατος Σπουδών στις Περιβαλλοντικές Επιστήµες της Σχολής Θετικών Επιστηµών του Πανεπιστηµίου Πατρών την περίοδο 2004-2005. Ευχαριστώ τον κ. Ιωάννη Τρυπαναγνωστόπουλο, Επίκ. Καθηγητή του Τµήµατος Φυσικής, ο οποίος είχε την επίβλεψη της εργασίας, για την πολύτιµη και ουσιαστική καθοδήγησή του, καθώς και τα µέλη της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής κ. Α. Αργυρίου, Επικ. Καθ. Τµ. Φυσικής και κα. Γ. Αθανασούλη, Αναπλ. Καθ. Τµ. Φυσικής, για την εποικοδοµητική συµβολή τους. Ευχαριστώ, επίσης, τον κ. J. K. Tonui, υποψήφιο ιδάκτορα του Τµ. Φυσικής, για την καθοριστική βοήθειά του και τη συνεργασία στην διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. - 2 -
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...6 Ενέργεια και περιβάλλον...6 Oι Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ)...7 Συστήµατα συλλογής και µετατροπής ηλιακής ενέργειας...9 Η ηλιακή ακτινοβολία...9 Eνέργεια και κτίρια...10 Η ενεργειακή κατάσταση των κτιρίων στην Ελλάδα...12 Αντικείµενο της εργασίας...14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ............16 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...17 1.2. ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΕΣΗ...18 1.2.1. Oρισµός...18 1.2.2. Παράγοντες που επηρεάζονται από τις συνθήκες θερµικής άνεσης...19 1.2.3. Παράγοντες που επηρεάζουν το αίσθηµα της θερµικής άνεσης...19 1.2.4. Μελέτες για τη θερµική άνεση στα κτίρια...21 1.3.ΑΕΡΙΣΜΟΣ... 24 1.3.1. Παράµετροι που επηρεάζουν το φυσικό αερισµό...25 1.3.2. Mελέτες για τον αερισµό στα κτίρια...26 1.4. ΦΩΤΙΣΜΟΣ...30 1.4.1. Πηγές φωτισµού...31 1.4.2. Μελέτες για το φωτισµό στα κτίρια...32 1.5. ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΑΙ ΡΟΣΙΣΜΟΣ ΧΩΡΩΝ...40 1.5.1. Συστήµατα εκµετάλλευσης Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) για τη θέρµανση και το δροσισµό κτιρίων.......40 1.5.2. Μελέτες για τη θέρµανση και το δροσισµό χώρων...42 1.6. ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ...48 1.6.1. Ταξινόµηση των παθητικών συστηµάτων...50 1.6.2. Μελέτες για το βιοκλιµατικό σχεδιασµό των κτιρίων...51-3 -
1.7. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΤΟΥΣ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑ ΜΕ ΑΙΣΘΗΤΙΚΟ ΤΡΟΠΟ......54 1.8. ΗΛΙΑΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ ΚΑΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ......57 1.8.1. Θερµικοί ηλιακοί συλλέκτες στα κτίρια...57 1.8.1.1. Μελέτες για τους ηλιακούς θερµικούς συλλέκτες στα κτίρια...58 1.8.2. Φωτοβολταϊκά συστήµατα στα κτίρια...60 1.8.2.1. Μελέτες για τα φωτοβολταϊκά συστήµατα στα κτίρια...61 1.9. ΜΕΛΕΤΕΣ ΠΟΥ ΕΚΠΟΝΗΘΗΚΑΝ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΠΑΝ/ΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ...64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙ: Η ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΦΑΚΩΝ FRESNEL ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣIΑΣ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ...68 2.1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΦΑΚΩΝ FRESNEL...69 2.1.1. Μελέτες για τους φακούς Fresnel...70 2.1.2. Περιγραφή και ιδιότητες των φακών Fresnel...71 2.2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ...75 2.2.1. Κατανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας...77 2.2.2. Μείωση του φωτισµού...84 2.2.3. Μείωση της θερµοκρασίας...86 2.2.4. Ενεργειακή απόδοση του συστήµατος...90 2.3. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΓΙΑ ΤΟΝ ΗΛΙΑΚΟ ΕΛΕΓΧΟ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ...93 2.4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙΙ: ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΙΚΗ ΕΝΤΑΞΗ ΤΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ...95 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ...96 3.2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ...97 3.2.1. Πειραµατική ιάταξη...98 3.2.2. Πειραµατική ιαδικασία...100 3.2.3. Συµπεράσµατα...104 3.3. Η ΜΕΘΟ ΟΣ F-CHART...106 3.3.1. Εισαγωγή...106-4 -
3.3.2. Η µέθοδος των καµπυλών f (f-chart): Μια προσεγγιστική µέθοδος υπολογισµού απόδοσης ηλιακών συστηµάτων...107 3.3.3. Περιγραφή της µεθόδου των καµπυλών f...108 3.4. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ f...109 3.4.1. ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ...109 3.4.1.1. Επίδραση της κλίσης στην κάλυψη του θερµικού φορτίου...110 3.4.1.2. Επίδραση της χρήσης ηλιακών συλλεκτών µε χρωµατιστό απορροφητή στην κάλυψη του θερµικού φορτίου της εγκατάστασης...113 3.4.2. ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ...115 3.4.2.1. Εφαρµογή στο υπό µελέτη Ξενοδοχείο...116 3.4.2.2. Eφαρµογή στο υπό µελέτη Ξενοδοχείο µε ετήσια κάλυψη 80%...118 3.4.2.3. Παρατηρήσεις Συµπεράσµατα...120 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...123 ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ...128 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...130-5 -
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ενέργεια και περιβάλλον Τις τελευταίες δεκαετίες η τεχνολογική πρόοδος, που είναι το προοίµιο της οικονοµικής ανάπτυξης, έχει λάβει µεγάλες διαστάσεις. Από τις αρχές του περασµένου αιώνα έχει αρχίσει να γίνεται ορατός ο κίνδυνος καταστροφής του περιβάλλοντος από την αλόγιστη ανάπτυξη της βιοµηχανίας. Ο αέρας ρυπαίνεται µε αιθάλη, κονιορτό και διάφορους άλλους αέριους χηµικούς ρύπους. Οι θάλασσες ρυπαίνονται από τα απορρυπαντικά και τις διαρροές πετρελαίου, ενώ τα δάση αφανίζονται από τους εµπρησµούς και τις αποψιλώσεις για να αυξηθεί η καλλιεργήσιµη και οικοδοµήσιµη γη. υο από τα σηµαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήµατα είναι η καταστροφή της ζώνης του όζοντος από την επίδραση των χλωροφθορανθράκων και το φαινόµενο του θερµοκηπίου κυρίως από την επίδραση του διοξειδίου του άνθρακα. Η όξινη βροχή καταστρέφει τα δάση του πλανήτη. Η γη διαβρώνεται από τις βροχές και τελικά περιορίζεται το προς καλλιέργεια διαθέσιµο έδαφος. Η ατµόσφαιρα στις πόλεις µέρα µε τη µέρα καθίσταται αποπνικτική και µαζί µε τα κυκλοφοριακά προβλήµατα και τους θορύβους καθιστούν αφόρητη τη ζωή των κατοίκων στα µεγάλα αστικά κέντρα. Είναι γνωστό ότι εδώ και αρκετά χρόνια, ο άνθρωπος διαχειρίζεται αποθέµατα φυσικών πόρων. Καλύπτει τις ενεργειακές του ανάγκες κυρίως µε συµβατικά καύσιµα, µε πυρηνικά καύσιµα και, αν και σε πολύ µικρότερο βαθµό, µε ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Στα συµβατικά καύσιµα συµπεριλαµβάνονται οι ορυκτοί άνθρακες ή γαιάνθρακες (τύρφη, λιγνίτης, λιθάνθρακας, ανθρακίτης) και οι ορυκτοί υδρογονάνθρακες (πετρέλαιο, φυσικό αέριο), ενώ στα πυρηνικά καύσιµα οι ραδιενεργές ορυκτές πρώτες ύλες, δηλαδή τα ορυκτά και µεταλλεύµατα του ουρανίου, του θορίου και του πλουτωνίου. Στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας ανήκουν η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια, η βιοµάζα, η ενέργεια του νερού (κύµατα, παλίρροιες, υδροηλεκτρική) και η γεωθερµική ενέργεια. Η εξέλιξη, όµως, της ανθρωπότητας συµβαδίζει µε τη ραγδαία εξάντληση των φυσικών πόρων, γεγονός που σηµαίνει ότι η παγκόσµια ζήτηση ενέργειας συνεχίζεται να αυξάνεται µε ταχύ ρυθµό. Αποτέλεσµα των συνεχώς αυξανόµενων καταναλωτικών αναγκών είναι η αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων και των ενεργειακών καταναλώσεων σε όλους τους τοµείς: στη βιοµηχανία, στις µεταφορές και στον οικιακό, εµπορικό και τριτογενή τοµέα. Τα υψηλά ποσοστά κατανάλωσης ενέργειας συµβάλλουν στις εκποµπές ρυπογόνων αερίων, που προκαλούν την ατµοσφαιρική ρύπανση και µακροπρόθεσµα τις κλιµατικές αλλαγές του - 6 -
πλανήτη. Το περιβαλλοντικό κόστος αυτού του τύπου ανάπτυξης είναι ιδιαίτερα οδυνηρό για την ίδια την ποιότητα της ζωής στον πλανήτη. Η πυρηνική ενέργεια παράγει ήδη περίπου το 20% της παγκόσµιας ηλεκτρικής ενέργειας. Σε ολόκληρο τον κόσµο λειτουργούν σήµερα 438 πυρηνικοί σταθµοί, που καλύπτουν το 16% της συνολικής ζήτησης σε ηλεκτρική ενέργεια και το 83% των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια των βιοµηχανικών χωρών, σύµφωνα µε ανακοίνωση της ιεθνούς Υπηρεσίας Ατοµικής Ενέργειας (IAEA). «αυτή τη γη δεν την παραλάβαµε µόνο από τους προγόνους µας, αλλά την έχουµε δανειστεί και από τους απογόνους µας». Τα παραπάνω τεκµηριώνουν την αναγκαιότητα λήψης µέτρων εξοικονόµησης ενέργειας, καθώς και της συµβολής αυτών στην εθνική οικονοµία, στο περιβάλλον και στην κοινωνία. Μετά την κατανάλωση των µη-ανανεώσιµων ενεργειακών πηγών, µετά το τέλος δηλαδή της «εποχής των συµβατικών καυσίµων» όπως αποκαλείται, η ανθρωπότητα πρέπει να στραφεί σε ανεξάντλητες ενεργειακές πηγές. Η εξοικονόµηση ενέργειας και η προώθηση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας αποτελούν τις κυριότερες λύσεις στο µεγάλο πρόβληµα της εξάντλησης των φυσικών πόρων. Oι Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Η παγκόσµια κατανάλωση ενέργειας έχει παρουσιάσει σηµαντική αύξηση τα τελευταία χρόνια. Ο ηλεκτρισµός, το ζεστό νερό, η θέρµανση και οι µεταφορές, εξαρτώνται από τους φυσικούς πόρους του πλανήτη. Αλλά η διατήρηση και η βελτίωση της άνεσης µας απαιτεί µια θεµελιώδη αναθεώρηση της ενεργειακής στρατηγικής και µια ισχυρή πολιτική θέληση. Οι ΑΠΕ πρακτικά θεωρούνται ανεξάντλητες. Η ηλιακή ακτινοβολία χρησιµοποιείται τόσο για την θέρµανση των κτιρίων µε άµεσο ή έµµεσο τρόπο µε τη χρήση ενεργητικών ή και παθητικών συστηµάτων, όσο και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται µε δύο τρόπους: α) µε τη χρησιµοποίηση ηλιακών θερµικών συστηµάτων που χρησιµοποιούν την ηλιακή ενέργεια για να τη θέρµανση νερού, τη θέρµανση και το δροσισµό χώρων και β) µε τα φωτοβολταϊκά συστήµατα τα οποία µετατρέπουν απευθείας την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Οι εγκατεστηµένοι συλλέκτες σήµερα στην Ελλάδα είναι περίπου 3.5 εκ. m 2 σε σύνολο περίπου 14 εκ. m 2 στην Ευρωπαϊκή Ένωση και 150 εκ. m 2 παγκοσµίως, ενώ η εγκατεστηµένη ισχύς σε φωτοβολταϊκά είναι παγκοσµίως 2.500 MW, από τα οποία µόνο 1000 MW αντιστοιχούν στην Ευρώπη και 3.5 MW στην Ελλάδα. - 7 -
Η αιολική ενέργεια είναι µια µορφή ΑΠΕ, η οποία παρέχει δυναµικό για µεγάλης κλίµακας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε τη χρήση ανεµογεννητριών χωρίς σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι ανεµογεννήτριες (οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα) χρησιµοποιούνται τόσο µαζί µε µπαταρία σε µικρές εγκαταστάσεις όσο και συµπληρωµατικά µαζί µε φωτοβολταϊκά στοιχεία, και είναι τις περισσότερες φορές συνδεδεµένες µε το δίκτυο. Οι αιολικές εγκαταστάσεις αναπτύσσονται αλµατωδώς µε ένα µέσο ετήσιο ποσοστό αύξησης 38% την τελευταία πενταετία. Βιοµάζα ονοµάζεται το σύνολο της οργανικής ύλης που περιλαµβάνεται σε κάθε µορφής βιολογικό απόθεµα στον πλανήτη µας. Μέσα από κατάλληλες διεργασίες η βιοµάζα µπορεί να χρησιµοποιηθεί για θέρµανση, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και κίνηση. Τα αποθέµατα αυτά µπορεί να είναι αστικά σκουπίδια, από την αγροτική παραγωγή (υπολείµµατα ξυλείας, σοδειάς, ζωικά απόβλητα), καθώς επίσης και υποπροϊόντα της βιοµηχανίας (από επεξεργασία τροφίµων ή οργανικών υλών). Η Ευρωπαϊκή Ένωση δίνει ιδιαίτερη έµφαση στην ενεργειακή χρήση της βιοµάζας και προβλέπει τον τριπλασιασµό της υπάρχουσας χρήσης µέχρι το 2010. Στην Ελλάδα, οι δυνατότητες εκµετάλλευσης της βιοµάζας είναι µεγάλες, δεδοµένου ότι το δυναµικό της βιοµάζας από αγροτικά και δασικά υπολείµµατα είναι αξιόλογο. Κυµατική ενέργεια είναι η µορφή ενέργειας που προκύπτει από την κινητική ενέργεια των κυµάτων. Το φαινόµενο των ανέµων έχει ως συνέπεια το σχηµατισµό κυµάτων, τα οποία είναι εκµεταλλεύσιµα σε περιοχές µε υψηλό δείκτη ανέµων και σε ακτές ωκεανών. Η αξιοποίηση της παλιρροϊκής ενέργειας χρονολογείται από εκατοντάδες χρόνια πριν. Τα εισερχόµενα νερά της παλίρροιας στην ακτή κατά την πληµµυρίδα µπορούν να παγιδευτούν σε φράγµατα. Στους υδροηλεκτρικούς σταθµούς η ενέργεια από την πτώση του νερού µετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Παρόλο που στα υδροηλεκτρικά έργα δεν παράγονται επιβλαβή αέρια, στα µεγάλα φράγµατα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη και άλλες περιβαλλοντικές παράµετροι. Στην Ελλάδα µέχρι σήµερα έχουν εγκατασταθεί 42 MW µικρών υδροηλεκτρικών, ενώ όσον αφορά στα µεγάλα υδροηλεκτρικά η ΕΗ έχει θέσει σε λειτουργία 2.500 MW και ο αριθµός αυτός αυξάνεται. Η γεωθερµική ενέργεια παράγεται µε τη µετατροπή ζεστού νερού ή υδρατµού που βρίσκεται σε αρκετό βάθος από την επιφάνεια της γης. Η θερµοκρασία του γεωθερµικού ρευστού ποικίλλει από περιοχή σε περιοχή και µπορεί να έχει τιµές από 25 ο C µέχρι 350 ο C. Όταν η θερµοκρασία είναι χαµηλότερη, η γεωθερµική ενέργεια µπορεί να αξιοποιείται για τη θέρµανση κατοικιών και άλλων κτιρίων ή κτιριακών εγκαταστάσεων, θερµοκηπίων, κτηνοτροφικών µονάδων, ιχθυοκαλλιεργειών κ.λ.π. Στις περιπτώσεις που τα γεωθερµικά - 8 -
ρευστά έχουν υψηλή θερµοκρασία (πάνω από 150 ο C), η γεωθερµική ενέργεια µπορεί να χρησιµοποιηθεί κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μέχρι πρότινος λειτουργούσαν στην Ελλάδα 23 περίπου εγκαταστάσεις θερµικής ισχύος, οι οποίες αυξάνονται διαρκώς και µέχρι το 2010 αναµένεται να τριπλασιαστούν. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Συστήµατα συλλογής και µετατροπής της ηλιακής ενέργειας Η ηλιακή ενέργεια είναι µια µορφή ΑΠΕ που µπορεί να συλλεχθεί εύκολα και να µετατραπεί σε διάφορες άλλες ενεργειακές µορφές. Ενώ η ηλιακή ενέργεια επιδρά µε φυσικές διαδικασίες στο νερό, στον αέρα και στη φωτοσύνθεση, η αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας απαιτεί ειδικά σχεδιασµένα και εγκατεστηµένα τεχνικά συστήµατα, προκειµένου να απορροφούν και να µετατρέπουν την προσπίπτουσα στην επιφάνειά τους ηλιακή ενέργεια. Τα συστήµατα αυτά διακρίνονται σε : 1. Συστήµατα µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε θερµότητα. Η µετατροπή αυτή µπορεί να γίνει µε ενεργητικά συστήµατα, όπως είναι οι διάφοροι τύποι ηλιακών συλλεκτών, ή µε παθητική συλλογή από το ίδιο το κτίριο, τα θερµοκήπια κ.α. 2. Συστήµατα µετατροπής µε ενδιάµεσο θερµοδυναµικό µετασχηµατισµό, όπως την αφαλάτωση νερού και την παραγωγή έργου, όπου η θερµότητα χρησιµοποιείται για την εξάτµιση του νερού και την παραγωγή ηλεκτρισµού. 3. Συστήµατα απευθείας µετατροπής σε ηλεκτρισµό, µε πιο διαδεδοµένα τα φωτοβολταϊκά κύτταρα, στα οποία γίνεται η φωτοβολταϊκή µετατροπή. 4. Συστήµατα µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε χηµική ενέργεια, όπως η παραγωγή βιοµάζας µέσω της φωτοσύνθεσης, η παραγωγή Η 2 µε ηλεκτρόλυση κ.α. Η ηλιακή ακτινοβολία O ήλιος είναι ένας γιγαντιαίος αντιδραστήρας σύντηξης, ο οποίος αδιάλειπτα µετατρέπει το υδρογόνο σε ήλιον, οπότε και εκλύονται τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Η ενέργεια αυτή ανεβάζει τη θερµοκρασία της επιφάνειας του ηλίου σε 6000 ο C περίπου και εκπέµπει στο διάστηµα ακτινοβολία, που η έντασή της στην επιφάνεια του ηλίου είναι 70 MW/m 2.Η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στη γη µεταφέρεται µε ακτινοβολία από τον ήλιο, ο οποίος βρίσκεται σε µια µέση απόσταση 149.6*10 6 km από τη γη. - 9 -
Από αναλύσεις υπολογίζεται ότι ο ήλιος εκπέµπει ενέργεια υπό µορφή ακτινοβολίας ισχύος 3.72*10 23 kw. Η ποσότητα εκπεµπόµενης ενέργειας που φθάνει σε µια µοναδιαία επιφάνεια κάθετη στη διεύθυνση της ακτινοβολίας ανά µονάδα χρόνου, στη µέση ετήσια απόσταση γης-ήλιου, ονοµάζεται ηλιακή σταθερά και ισούται µε 1366 W/m 2. Η ηλιακή ακτινοβολία µεταδίδεται µε ηλεκτροµαγνητικά κύµατα και κατανέµεται σε ένα ευρύ φάσµα µήκους κύµατος, δηλαδή από 250 έως 4000 nm. Από την ενέργεια που στέλνει κάθε χρόνο ο ήλιος στη γη, το 30% ανακλάται πίσω στο διάστηµα από τα ανώτατα στρώµατα της ατµόσφαιρας, το 46% φθάνει στην επιφάνεια της γης, όπου µετατρέπεται σε θερµική ακτινοβολία µεγάλου µήκους κύµατος και επανανακλάται. Από το υπόλοιπο 24%, το 23% δαπανάται για την εξάτµιση του νερού των θαλασσών και το υπόλοιπο 1% για την αιολική ενέργεια, την ενέργεια των κυµάτων, καθώς και τη φωτοσύνθεση, η οποία απορροφά µόνο το 0.03%. Αυτό το κλάσµα της ενέργειας είναι που διατηρεί στη ζωή τα φυτά, τα ζώα και τον άνθρωπο. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι υπεύθυνη για όλες σχεδόν τις ενεργειακές διεργασίες στη γη, αφού αποτελεί την κινητήρια δύναµη και την πηγή σχεδόν όλων των πηγών ενέργειας. Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται ο πλανήτης γη είναι 5000 φορές µεγαλύτερη από το σύνολο όλων των άλλων πηγών ενέργειας. Η διάβαση της ηλιακής ακτινοβολίας µέσω της γήινης ατµόσφαιρας την εξασθενεί σηµαντικά. Έτσι, η ηλιακή ακτινοβολία, που προσπίπτει σε κάποια επιφάνεια στη γη, κυµαίνεται από µηδέν έως περίπου 1000 W/m 2 και εξαρτάται από την εποχή του χρόνου, την ώρα της ηµέρας, τα µετεωρολογικά φαινόµενα και την ατµοσφαιρική ρύπανση. Eνέργεια και κτίρια Τα προβλήµατα στα περισσότερα µεγάλα αστικά κέντρα είναι το κυκλοφοριακό, το νέφος, η έλλειψη κοινωνικής υποδοµής και πράσινου, η ηχορύπανση και η υποβάθµιση της αισθητικής των κτιρίων και των χώρων. Ο αστικός χώρος είναι το σηµείο σύγκλισης και αλληλοτροφοδότησης της οικονοµικής, κοινωνικής, πολιτικής και πολιτιστικής δραστηριότητας µιας χώρας. Ωστόσο, ο σύγχρονος τρόπος ζωής και οι νέες τεχνολογίες αυξάνουν την αποµόνωση και τον κατακερµατισµό των περισσότερων πόλεων. Το αίτηµα για βελτιωµένη «ποιότητα ζωής» στον αστικό χώρο δεν είναι πολυτέλεια, αλλά ουσιώδες στοιχείο καθηµερινής «απολαβής». Η αειφορία αποτελεί χαρακτηριστικό της ανάπτυξης, που επιτρέπει την κάλυψη των αναγκών της σηµερινής γενιάς, χωρίς να απειλεί την ευηµερία των επόµενων γενιών. Η ολοένα - 10 -
αυξανόµενη ενεργειακή κατανάλωση, εξαιτίας της ραγδαίας πληθυσµιακής αύξησης, φαίνεται να επηρεάζει την υπάρχουσα αειφορία. Έτσι λοιπόν, υπάρχουν κάποια ανησυχητικά σηµάδια όσον αφορά στο περιβάλλον και είναι απαραίτητη η αλλαγή πορείας σε κάποιους τοµείς, ανάµεσα στους οποίους και ο κτιριακός τοµέας. Αν η χρήση της ηλιακής ενέργειας συνεπάγεται χαµηλότερη κατανάλωση συµβατικών καυσίµων, τα ηλιακά συστήµατα είναι απαραίτητο να ενσωµατωθούν τόσο στα υπάρχοντα όσο και στα καινούρια κτίρια. Ο ιεθνής Οργανισµός Ενέργειας (ΙΕΑ) ασχολείται µε την ένταξη νέων ηλιακών συστηµάτων στον κτιριακό τοµέα, συµπεριλαµβανοµένων των ηλιακών συλλεκτών, των σκιαζόµενων µπαλκονιών, των ηλιακών χώρων και των ηλιακών τοίχων. Σκοπός κάθε καινοτοµίας δεν είναι η εύρεση της οικονοµικότερης λύσης για τη διατήρηση της κανονικής λειτουργίας του κτιρίου, αλλά η ισορροπία µεταξύ βελτίωσης και αισθητικής ένταξης, λαµβάνοντας υπόψη τόσο το αρχιτεκτονικό σχέδιο όσο και την οικονοµία (Voss, 2000). Στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ο τοµέας των κτιρίων απορροφά, κατά µέση τιµή, το 30-35% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Η ανά χώρα κύµανση ποικίλει από 20% για την Πορτογαλία, έως και 45% για την Ιρλανδία, ενώ στην Ελλάδα κυµαίνεται περίπου στο 30%. Η ενεργειακή χρήση και οι εκποµπές από την κατανάλωση ενέργειας από τα υπάρχοντα κτίρια κυριαρχούν σε σχέση µε το 1-2% ενέργειας που καταναλώνεται από τα καινούρια κτίρια κάθε χρόνο. Η τελική ενεργειακή κατανάλωση των κτιρίων στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης είναι της τάξης των 350 Mtoe (µεγατόνοι ισοδύναµου πετρελαίου) ανά έτος, χωρίς να υπολογίζεται η συµµετοχή των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Το µεγαλύτερο µέρος της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίων καλύπτεται από φυσικό αέριο, 116 Mtoe, από πετρέλαιο 99 Mtoe, από ηλεκτρισµό 91 Mtoe, από στερεά καύσιµα µε 11 Mtoe (www.ktiriο.gr). Οι πραγµατικές ενεργειακές ανάγκες των κτιρίων στην Ευρώπη καλύπτονται σε µεγάλο ποσοστό και από την έµµεση χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας και των άλλων ατµοσφαιρικών πηγών. Στην περίπτωση αυτή το σύνολο της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίων υπολογίζεται σε 740 Mtoe πρωτογενούς ενέργειας. Η κατανοµή των διαφόρων καυσίµων είναι 43% διάφορα καύσιµα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, 20% από άµεση χρήση πετρελαίου, 18% από άµεση χρήση φυσικού αερίου, 6% από άλλα στερεά καύσιµα και κατά 15% από ηλιακή ενέργεια (Zold and Santamouris, 1994). H χρήση της ηλιακής ενέργειας ωστόσο, είναι περιορισµένη σε υπάρχοντα κτίρια, δεδοµένου ότι υπάρχει έλλειψη γνώσης των πλεονεκτηµάτων και των µειονεκτηµάτων όσον αφορά στην - 11 -
ενεργειακή απόδοση και στο κόστος. Σκοπός της ανακαίνισης ενός κτιρίου είναι η βελτίωση της κατάστασης του, η αλλαγή της πρόσοψής του για αισθητικότερη ένταξή του στο χώρο, η µείωση του ενεργειακού του κόστους, καθώς και η χρησιµοποίηση των αποτελεσµάτων για εφαρµογή τους σε άλλα κτίρια (Dalenback, 1996). Ο συνδυασµός της ανακαίνισης µε τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης αποτελεί πρόκληση τόσο από οικονοµικής όσο και από τεχνολογικής πλευράς. Τα ηλιακά συστήµατα σπάνια έχουν προταθεί και εφαρµοστεί µέχρι σήµερα σε ανακαινίσεις κτιρίων, εξαιτίας της έλλειψης ανάλογων εφαρµογών και εµπειριών. Εκτιµητικές έρευνες έδειξαν ότι η εφαρµογή των καινοτοµιών καλύπτουν τις ενεργειακές απαιτήσεις µετά την ανακαίνιση (Voss, 2000). Η χρήση της ηλιακής ενέργειας αφορά στην παραγωγή θέρµανσης και ηλεκτρισµού σε συνδυασµό είτε µε κεντρικό σύστηµα θέρµανσης είτε µε σύστηµα παροχής ηλεκτρισµού. Το κτίριο σχεδιάζεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι δυνατή η εκµετάλλευση της ενέργειας του ηλίου για τη θέρµανση, το φωτισµό, καθώς και το δροσισµό του. Προκειµένου η ηλιακή θέρµανση στον κτιριακό τοµέα να αναπτυχθεί στα επόµενα 20 χρόνια, πρέπει να αναγνωρισθούν και να εκτιµηθούν καλύτερα οι ηλιακές θερµικές τεχνολογίες που εφαρµόζονται σε υπάρχοντα κτίρια (Dalenback, 1996). Η ενεργειακή κατάσταση των κτιρίων στην Ελλάδα Στην Ελλάδα, όπως και σε όλες τις αναπτυγµένες χώρες, η ενεργειακή κατανάλωση των κτιρίων αντιστοιχεί στο 1/3 της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Από αυτήν την ενέργεια, το 70% αντιστοιχεί στη θέρµανση χώρου και νερού. Η θέρµανση και η παροχή ηλεκτρισµού στην Ελλάδα στηρίζονται στα συµβατικά καύσιµα, γεγονός που έχει µεγάλο περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Ανεξάρτητα από την ευρεία διάδοση των ηλιακών συστηµάτων θέρµανσης νερού, τα ενεργητικά συστήµατα θέρµανσης χώρου παραµένουν, για διάφορους λόγους, σε πρώιµο στάδιο (Αrgiriou et al, 1997). Σύµφωνα µε δεδοµένα του 1992, η ολική ενεργειακή κατανάλωση στον κτιριακό τοµέα αντιστοιχεί σε 4.18 Mtoe, από τους οποίους το 60% είναι υγρά καύσιµα, το 38.7% ηλεκτρική ενέργεια και το υπόλοιπο φυσικό αέριο και στερεά καύσιµα (Αrgiriou et al, 1997). Η θέρµανση του χώρου καλύπτεται πρωταρχικά από κεντρικά συστήµατα θέρµανσης που χρησιµοποιούν πετρέλαιο (diesel) σαν καύσιµο, ενώ ζεστό νερό παράγεται τόσο από λέβητες κεντρικής θέρµανσης και ηλεκτρικούς θερµοσίφωνες, όσο και από θερµικούς ηλιακούς συλλέκτες. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση κλιµατιστικών για τη θέρµανση και το δροσισµό - 12 -
χώρου έχει αυξηθεί σε όλους τους τύπους κτιρίων, προκαλώντας προβλήµατα στη δηµόσια επιχείρηση ηλεκτρισµού λόγω της αυξηµένης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Η λειτουργία κεντρικών συστηµάτων θέρµανσης έχει άµεση περιβαλλοντική επίδραση στην ποιότητα του αέρα, εξαιτίας της απελευθέρωσης επικίνδυνων αερίων στην ατµόσφαιρα. Ανάλογη περιβαλλοντική επίδραση έχει και η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας για θέρµανση, δεδοµένου ότι η παραγωγή ηλεκτρισµού γίνεται από λιγνίτη και πετρέλαιο. Είναι, εποµένως, προφανές ότι η εκµετάλλευση της ηλιακής ενέργειας µπορεί να βελτιώσει την τρέχουσα κατάσταση, µειώνοντας πρώτον το ετήσιο ενεργειακό φορτίο των κτιρίων µε την εφαρµογή των αρχών της παθητικής ηλιακής αρχιτεκτονικής, και δεύτερον την πρωταρχική ενεργειακή κατανάλωση µέσω των ενεργητικών ηλιακών συστηµάτων θέρµανσης και τη χρήση των φωτοβολταϊκών. Το µέγεθος των περιβαλλοντικών προβληµάτων που δηµιουργούνται από την επίδραση των κτιρίων στο περιβάλλον, ιδιαίτερα των σηµερινών κτιρίων που είναι συχνά εντελώς ακατάλληλα και επικίνδυνα για τον ίδιο τον άνθρωπο, από άποψη βιολογική, κοινωνική και ψυχολογική, πρόσφατα άρχισε να συνυπολογίζεται. Είναι γεγονός ότι η αρχιτεκτονική, αντί να εξακολουθεί να αποτελεί έκφραση ώριµου και µεστού έργου, όπως και η αρχιτεκτονική των προγόνων µας, εκφράζει µια παράλογη έπαρση: αγνοεί το ρόλο του ήλιου, που σχετίζεται µε την εναλλαγή των εποχών και τη διαφοροποίηση του κλίµατος στη διάρκεια του χρόνου, ανάλογα µε τη θέση του στον ουρανό, στη διάρκεια της µέρας. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την κακή ποιότητα των κατασκευών είναι άµεσες τόσο στην ποιότητα του εσωτερικού αέρα, όσο και στην αύξηση της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος χώρου. Τα κρίσιµα προβλήµατα γύρω από τα ζητήµατα του περιβάλλοντος οφείλονται τόσο στο µοντέλο ανάπτυξης που ακολουθείται και το οποίο τροφοδοτεί την εξάπλωση της αστικοποίησης, όσο και στις λαθεµένες επιλογές για το σχεδιασµό και την ανάπτυξη πόλεων και παραγωγικών δραστηριοτήτων. Η εφαρµογή ενός χωροταξικού σχεδιασµού αλλά και κάθε σχεδιασµού που αφορά στην ανάπτυξη είναι δύσκολη γιατί υπάρχει το πρόβληµα της προσαρµογής των αναπτυξιακών τάσεων στις ιδιαίτερες συνθήκες που ισχύουν για κάθε τόπο. Η χωροταξία καλείται να δηµιουργήσει τις προϋποθέσεις για την ανάπτυξη κάθε ανθρωπογενούς δραστηριότητας που σχετίζεται µε τις χρήσεις γης και την παραγωγική διαδικασία. Θεωρείται απαραίτητη, λοιπόν, η εξειδίκευση του σχεδιασµού, µε βάση κριτήρια και στόχους που θα απορρέουν από το σεβασµό της ιδιαίτερης φυσιογνωµίας της κάθε περιοχής, µε προσανατολισµό την ανάδειξη του ιδιαίτερου χαρακτήρα της και την ενίσχυση των δεσµών - 13 -
του πληθυσµού µε το φυσικό κεφάλαιο. Η «αρχή της τοπικότητας» πρέπει να διέπει το σχεδιασµό και τις αποφάσεις σε κάθε επιµέρους τοµέα εφαρµογής γεωργία, κτηνοτροφία, αλιεία, τουρισµός, πολεοδοµία, κοινωνική υποδοµή, οδοποιία, τεχνικά έργα κλπ. Μέσα στο πλαίσιο µιας παγκόσµιας κλίµακας ανησυχίας για το µέλλον του περιβάλλοντος, τα αστικά κέντρα οφείλουν να καταβάλουν αγωνιώδεις προσπάθειες χάραξης και εφαρµογής νέων πολιτικών και κατευθύνσεων για την πολιτική τους ανάπτυξη, διεκδικώντας περιβαλλοντικά διαπιστευτήρια ή τίτλους, όπως της «πράσινης», της «βιώσιµης» ή της «αειφόρου» πόλης. Αντικείµενο της εργασίας Στην παρούσα εργασία, µελετάται τρόπος αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας στον κτιριακό τοµέα, που στοχεύει στον έλεγχο του φυσικού φωτισµού και της θερµοκρασίας των εσωτερικών χώρων των κτιρίων, παρέχοντας παράλληλα τη δυνατότητα κάλυψης αναγκών σε θερµότητα και ηλεκτρισµό, καθώς επίσης και την αισθητική ενσωµάτωση των συστηµάτων συλλογής και µετατροπής της ηλιακής ενέργειας στα κτίρια. Στα πλαίσια αυτά παρουσιάζονται οι παράγοντες εκείνοι που πρέπει να λαµβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασµό ενός κτιρίου, ώστε να επιτυγχάνεται εξοικονόµηση ενέργειας στο µεγαλύτερο δυνατό βαθµό, και µελετάται η εφαρµογή δυο καινοτόµων πειραµατικών διατάξεων, των φακών Fresnel για τον έλεγχο του φωτισµού και της θερµοκρασίας εσωτερικών φωτιζόµενων χώρων και των χρωµατιστών ηλιακών συλλεκτών για την αποφυγή της µονοτονίας του µαύρου χρώµατος στις εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους παράγοντες που επηρεάζουν το ενεργειακό ισοζύγιο του κτιρίου, και πιο συγκεκριµένα που συµβάλλουν στη θέρµανσή του κατά τη χειµερινή περίοδο και στο δροσισµό του κατά τη θερινή περίοδο. Οι παράγοντες αυτοί είναι η θερµική άνεση, ο αερισµός και ο φωτισµός. Ο βιοκλιµατικός σχεδιασµός περιλαµβάνει τα παθητικά συστήµατα (θέρµανση, δροσισµός, φωτισµός) και τα ενεργητικά συστήµατα (θέρµανση νερού, αέρα και χώρων, δροσισµός και φωτισµός χώρων, κάλυψη αναγκών σε ηλεκτρισµό). Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται, επίσης, εκτενής βιβλιογραφική αναφορά σε διάφορες επιστηµονικές εργασίες που έχουν δηµοσιευτεί και σχετίζονται µε τους παραπάνω παράγοντες. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η µελέτη χρήσης των φακών Fresnel στα κτίρια και αναλύονται τα αποτελέσµατα µιας σειράς πειραµάτων που διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Πανεπιστηµίου Πατρών. Μέσω της µελέτης αυτής διαπιστώνεται κατά πόσο είναι εφικτή η ρύθµιση του φωτισµού, ώστε να αποφευχθεί ο υπερβολικός - 14 -
φωτισµός ιδιαίτερα τους καλοκαιρινούς µήνες, και η ρύθµιση της θερµοκρασίας εντός του κτιρίου µε απαγωγή θερµότητας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η µελέτη εφαρµογής των χρωµατιστών συλλεκτών στα κτίρια. Γίνεται αναφορά σε πειράµατα που διεξήχθησαν στο εργαστήριο σε τρεις πειραµατικές διατάξεις. Θερµικού ηλιακού συλλέκτη µε µαύρη, µε λευκή και µε χρωµατιστή απορροφητική επιφάνεια (κίτρινο, κόκκινο, µαύρο, πράσινο, καφέ). Τα αποτελέσµατα της έρευνας παρουσιάζονται και σχολιάζονται, προκειµένου να αξιολογηθεί η απόδοση των χρωµατιστών συλλεκτών σε σχέση µε αυτή των συλλεκτών µε µαύρη απορροφητική επιφάνεια. Στο ίδιο κεφάλαιο, γίνεται εφαρµογή της προσεγγιστικής µεθόδου f-chart σε µια ξενοδοχειακή εγκατάσταση και µελετάται η θερµική συµπεριφορά ενός ηλιακού συστήµατος. Παρουσιάζονται παραστατικά οι επιδόσεις του και υπολογίζεται το ποσοστό κάλυψης του θερµικού φορτίου συναρτήσει των τετραγωνικών µέτρων των συλλεκτών που απαιτούνται. Τέλος, γίνεται οικονοµική µελέτη του συγκεκριµένου εγκατεστηµένου ηλιακού συστήµατος θέρµανσης νερού, προκειµένου να υπολογιστεί ο χρόνος αποπληρωµής του και κατ επέκταση να εκτιµηθεί η ορθότητα της επένδυσης από οικονοµικής πλευράς. - 15 -
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ - 16 -
1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο κτιριακός τοµέας είναι υπεύθυνος για το 40% περίπου της συνολικής τελικής κατανάλωσης ενέργειας σε εθνικό και ευρωπαϊκό επίπεδο. Η κατανάλωση αυτή, είτε σε µορφή θερµικής (κυρίως πετρέλαιο) είτε σε µορφή ηλεκτρικής ενέργειας, έχει ως αποτέλεσµα, εκτός της σηµαντικής οικονοµικής επιβάρυνσης λόγω του υψηλού κόστους της ενέργειας, τη µεγάλη επιβάρυνση της ατµόσφαιρας µε ρύπους, κυρίως διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), που ευθύνεται για το φαινόµενο του θερµοκηπίου. Η εξοικονόµηση ενέργειας σε ένα κτίριο εξασφαλίζεται εν µέρει µε τον κατάλληλο σχεδιασµό του κτιρίου και τη χρήση ενεργειακά αποδοτικών δοµικών στοιχείων και συστηµάτων και εν µέρει µέσω της υψηλής αποδοτικότητας των εγκατεστηµένων ενεργειακών συστηµάτων, η οποία προϋποθέτει την άριστη ποιότητα του σχετικού εξοπλισµού και της εγκατάστασής του, καθώς και των σχετικών τεχνικών µελετών που τον προδιαγράφουν. Άλλος ένας καθοριστικός παράγοντας εξοικονόµησης ενέργειας είναι η ενεργειακή διαχείριση του κτιρίου, µία συστηµατική, οργανωµένη και συνεχής δραστηριότητα που αποτελείται από ένα προγραµµατισµένο σύνολο διοικητικών, τεχνικών και οικονοµικών δράσεων. Οι επεµβάσεις εξοικονόµησης ενέργειας σε ένα κτίριο µπορεί να αφορούν: Το κτιριακό κέλυφος (π.χ. θερµοµόνωση, κατάλληλα συστήµατα ανοιγµάτων, παθητικά ηλιακά συστήµατα) Τον περιβάλλοντα χώρο του κτιρίου (π.χ. χρήση βλάστησης) Τις εγκαταστάσεις θέρµανσης, ψύξης, φωτισµού, ζεστού νερού και τις ηλεκτρικές συσκευές Την ορθολογική χρήση του κτιρίου και την αξιοποίηση των δοµικών του στοιχείων (π.χ. ενεργειακή διαχείριση, φυσικός αερισµός, αξιοποίηση της θερµικής µάζας). Οι ενεργειακές και αισθητικές αυτές παράµετροι των κτιρίων αναφέρονται αναλυτικά στη συνέχεια. - 17 -
1.2. ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΕΣΗ Η εξοικονόµηση ενέργειας αναφέρεται στην ενέργεια που καταναλίσκεται για να δηµιουργηθούν µέσα σε ένα περιβάλλον (σπίτια, σχολεία, γραφεία κ.τ.λ.) οι συνθήκες που απαιτούνται για να αισθάνονται οι κάτοικοι ευχάριστα, δηλαδή να νιώθουν το αίσθηµα της θερµικής άνεσης. Οι λειτουργίες και οι δραστηριότητες των ανθρώπων στα κτίρια οφείλονται στις φυσιολογικές τους ανάγκες, στις κλιµατικές συνθήκες, στις κοινωνικές και πολιτισµικές συνήθειες, αλλά και στον συνδυασµό όλων των παραγόντων που συγκροτούν την ανθρώπινη συµπεριφορά. Ο συνδυασµός της συµπεριφοράς, των συνηθειών και των δραστηριοτήτων των ανθρώπων µπορεί να συµβάλει στην εκτίµηση της παραγωγής θερµότητας. Είναι απαραίτητο να γίνει ένας διαχωρισµός µεταξύ των λειτουργιών των κατοίκων που στοχεύουν στον έλεγχο του εσωτερικού χώρου (χρήση συστηµάτων αερισµού, άνοιγµα σκίαση παραθύρων) και των λειτουργιών των κατοίκων των σχετικών µε την αύξηση των εσωτερικών θερµικών κερδών στο χώρο του κτιρίου, τα οποία εξαρτώνται από την παρουσία των κατοίκων στο κτίριο και τη χρήση των οικιακών συσκευών (µαγειρική, τηλεόραση, ψυγείο, φωτισµός, πλυντήριο κ.α.) (Αrgiriou et al, 1997). 1.2.1. Oρισµός Ένα άτοµο έχει το αίσθηµα της θερµικής άνεσης, όταν αισθάνεται άνετα σε ένα χώρο και δεν προτιµά ούτε πιο θερµό ούτε πιο ψυχρό περιβάλλον. Σύµφωνα µε την ASHRAE (Αµερικάνικη Ένωση Μηχανικών Ψύξης, Θέρµανσης και Κλιµατισµού), η θερµική άνεση συνίσταται σε εκείνη την πνευµατική κατάσταση, όπου η έννοια της ικανοποίησης εκφράζεται µε το θερµικό περιβάλλον (Moore, 1993). Σε τι συνίσταται ένα άνετο θερµικό περιβάλλον εξαρτάται από τον τρόπο σχεδίασης και λειτουργικότητας των κτιρίων, την ενέργεια που απαιτείται για τη θέρµανση και το δροσισµό τους και την επίδρασή τους στην ποιότητα τόσο του φυσικού όσο και του δοµηµένου περιβάλλοντος. Τα υπάρχοντα δεδοµένα που περιγράφουν τις ιδανικές συνθήκες για το θερµικά άνετο περιβάλλον στηρίζονται σε µοντέλα θερµικής ισορροπίας του ανθρωπίνου σώµατος και προέρχονται από εκτεταµένα πειράµατα (Brager and Dear, 1998). Τα πρότυπα του περιβάλλοντος που παρέχει το αίσθηµα της θερµικής άνεσης µεταβάλλονται µε το χρόνο και τις συνήθειες των ανθρώπων. - 18 -
Η έρευνα, εποµένως, όλων εκείνων των παραγόντων που επηρεάζουν τις συνθήκες ενός περιβάλλοντος, αναφορικά µε το αίσθηµα της θερµικής άνεσης, είναι το πρώτο βήµα για την έρευνα του προβλήµατος εξοικονόµησης ενέργειας. 1.2.2. Παράγοντες που επηρεάζονται από τις συνθήκες θερµικής άνεσης Το ανθρώπινο σώµα είναι µια θερµική µηχανή που καταναλίσκει σαν καύσιµα την τροφή και το οξυγόνο και µετατρέπει την ενέργεια που παράγει σε έργο και θερµότητα. Όταν ένα άτοµο αναπαύεται το µόνο έργο που εκτελεί ο οργανισµός του είναι η διατήρηση της κυκλοφορίας του αίµατος, η αναπνοή και όλες οι άλλες εσωτερικές λειτουργίες του σώµατος που απαιτούν ενέργεια. Όλη η ενέργεια, που καταναλώνεται για να υπερνικηθούν οι εσωτερικές τριβές του κυκλοφοριακού συστήµατος, των µυών και των ιστών για τη διατήρηση της αναπνοής, µετατρέπεται τελικά σε θερµότητα που πρέπει να αποβληθεί στο περιβάλλον. Η φυσιολογική διαδικασία που παίρνει µέρος στην έκλυση αυτής της θερµότητας είναι ο µεταβολισµός. Εάν οι συνθήκες του περιβάλλοντος είναι τέτοιες που να εµποδίζουν το σώµα να αποβάλει θερµότητα, τότε αυτή θα αποθηκευτεί στους ιστούς του σώµατος και θα προκαλέσει την άνοδο της θερµοκρασίας του. Είναι, λοιπόν, πολύ σηµαντικό να διαθέτει το σώµα αποτελεσµατικά µέσα για να µπορεί να αποβάλει το ποσό της θερµότητας που πρέπει, ώστε να παραµένει σταθερή η εσωτερική θερµοκρασία του, ακόµα και όταν οι συνθήκες του περιβάλλοντος δεν είναι ευνοϊκές (πολύ ζέστη ή κρύο, υψηλή υγρασία κ.α.). Η ανάγκη για σταθερή εσωτερική θερµοκρασία στο σώµα εξασφαλίζεται από το θερµορυθµιστικό σύστηµα. 1.2.3. Παράγοντες που επηρεάζουν το αίσθηµα της θερµικής άνεσης Οι πρωταρχικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη θερµική άνεση είναι: 1. Η θερµοκρασία του αέρα 2. Η υγρασία 3. Η θερµοκρασία ακτινοβολίας των επιφανειών 4. Η ταχύτητα του αέρα 5. Η δραστηριότητα του ατόµου 6. Η ένδυση του ατόµου Κάθε ένας από τους παράγοντες αυτούς έχει ξεχωριστή συνεισφορά στον τρόπο που το σώµα ανταλάσσει θερµότητα Με διάφορα τεχνητά συστήµατα, µπορούµε να επιτύχουµε - 19 -
συνδυασµούς των παραπάνω µεταβλητών και να δηµιουργήσουµε σε ένα περιβάλλον συνθήκες θερµικής άνεσης (Moore, 1993). Eκτενής εξέταση των παραπάνω παραγόντων είναι απαραίτητη, δεδοµένου ότι οι συνθήκες θερµικής άνεσης που θα δηµιουργηθούν πρέπει να αποσκοπούν στη χαµηλότερη κατανάλωση ενέργειας. Παρακάτω εξετάζονται κάποιοι από τους προαναφερθέντες παράγοντες: Περιβαλλοντικές συνθήκες: Η θερµοκρασία του αέρα επηρεάζει µόνο τη µετάδοση θερµότητας από ή προς το σώµα µε µεταφορά και είναι πιο σηµαντική όταν η θερµοκρασιακή διαφορά του περιβάλλοντος µε το σώµα είναι αξιόλογη. Η υγρασία επηρεάζει µόνο τις σωµατικές θερµικές απώλειες µε εξάτµιση και είναι πιο σηµαντική σε υψηλότερες θερµοκρασίες του αέρα και των επιφανειών, όπου η επίδραση της ακτινοβολίας και της µεταφοράς είναι µειωµένη. Θερµοκρασία επιφανειών: Η θερµοκρασία ακτινοβολίας των γύρω επιφανειών επηρεάζει την ικανότητα του σώµατος να ανταλλάξει θερµότητα µε ακτινοβολία. Επειδή η απώλεια θερµότητας µε ακτινοβολία αυξάνει όσο αυξάνει και η θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ του δέρµατος και των γύρω επιφανειών, είναι πιο σηµαντική σε χαµηλές θερµοκρασίες (χειµώνας). Στα περισσότερα κτίρια, οι θερµοκρασίες ακτινοβολίας των επιφανειών είναι περίπου ίσες µε τη θερµοκρασία του αέρα. Ταχύτητα του αέρα: Η απώλεια θερµότητας µε µεταφορά αυξάνεται όσο αυξάνεται η ταχύτητα του αέρα, γιατί αυξάνεται ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητας µεταξύ αέρα περιβάλλοντος και δέρµατος. Η απώλεια θερµότητας µε µεταφορά είναι σηµαντικότερη όσο µεγαλύτερη είναι η θερµοκρασιακή διαφορά αέρα δέρµατος (κατά τη διάρκεια των ψυχρότερων εποχών). ραστηριότητα ατόµων ( Ρυθµός µεταβολισµού ): Ο ρυθµός µεταβολισµού ενός ατόµου, δηλαδή η ποσότητα θερµότητας που παράγεται µέσα στο σώµα ανά µονάδα χρόνου, εξαρτάται από τη δραστηριότητά του, που εκτείνεται από την ηρεµία έως τη βαριά εργασία. Τα ενδύµατα: Όσο κι αν είναι τέλειο και αποτελεσµατικό το θερµορυθµιστικό σύστηµα του ανθρωπίνου σώµατος, εν τούτοις δεν επιτρέπει στον άνθρωπο να παραµένει γυµνός κάτω από τις διάφορες κλιµατολογικές συνθήκες. Για το λόγο αυτό χρησιµοποιούνται τα ενδύµατα, που αποτελούν ουσιαστικό µέρος του θερµορυθµιστικού συστήµατος του σώµατος, γιατί µε το κατάλληλο ντύσιµο ρυθµίζεται και ελέγχεται η θερµική ισορροπία του σώµατος σε µεγάλο βαθµό. - 20 -
1.2.4. Μελέτες για τη θερµική άνεση στα κτίρια Μέχρι σήµερα έχουν γίνει διάφορες µελέτες όσον αφορά στη θερµική άνεση στο εσωτερικό των κτιρίων. Στην παρούσα εργασία αναφέρονται δηµοσιεύσεις που έχουν γίνει από το έτος 1970 έως το 2003. Οι αναφερόµενες εργασίες κατηγοριοποιούνται σε εκείνες που σχετίζονται µε τον παθητικό δροσισµό των κτιρίων, που µελετούν την ενεργειακή συµπεριφορά των κτιρίων, που δίνουν έµφαση στην προσαρµογή των κατοίκων στις συνθήκες του κτιρίου, που προσεγγίζουν τη θερµική άνεση µέσω της ψύξης του ταβανιού και του εξαερισµού του χώρου και τέλος σε εκείνες που αναφέρονται στα τρέχοντα πρότυπα για τη θερµική άνεση. Το 1970, οι Humphreys και Nicol µελέτησαν τις συνθήκες θερµικής άνεσης για τους εργαζοµένους, επιστήµονες και υπαλλήλους. Πρότειναν ένα νέο τρόπο για την αξιολόγηση της θερµικής άνεσης, που στηρίζεται στον καθορισµό των διακυµάνσεων της θερµοκρασίας, οι οποίες δεν προκαλούν δυσανεξία. Το 1970, επίσης, η Miura ανέπτυξε τη θεωρία της σχετικά µε τις ιδανικές συνθήκες θερµικής άνεσης των εργαζοµένων. Οι συνθήκες αυτές εξαρτώνται από το ρυθµό της δουλειάς, τη φυλή, το φύλο, την ηλικία, την ένδυση, τις κλιµατικές συνθήκες και άλλα, και καθορίζονται βάσει της υποκειµενικής, της παραγωγικής και της φυσιολογικής ιδανικής θερµοκρασίας. Το 1978, οι Shaviv και Shaviv ανέπτυξαν ένα µαθηµατικό µοντέλο για την πρόβλεψη της θερµικής απόδοσης των κτιρίων σε σχέση µε το αρχιτεκτονικό τους σχέδιο. Το µοντέλο εφαρµόστηκε σε ένα κτίριο µε σκοπό την επίτευξη της θερµικής άνεσης το καλοκαίρι, µε τη µικρότερη δυνατή ενεργειακή κατανάλωση. Το 1980, ο Wray δηµοσίευσε µια απλή διαδικασία για την εκτίµηση των επιπέδων θερµικής άνεσης σε παθητικά ηλιακά θερµαινόµενα κτίρια. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στην εξίσωση Fanger για τη θερµική άνεση. Για την αναγωγή των επιπέδων άνεσης από µεταβλητές σε αµετάβλητες και οµοιόµορφες συνθήκες προτείνεται ένας νέος δείκτης, εκείνος της «ισοδύναµης οµοιόµορφης θερµοκρασίας» (equivalent uniform temperature). Το 1982, οι Fishman και Pimbert µελέτησαν το θερµικό περιβάλλον στα κτίρια γραφείων. Απέδειξαν ότι η προτιµόµενη από τους ενοίκους θερµοκρασία χώρου είναι 22 ο C. Σύγκριναν, επίσης, τις αντιδράσεις το καλοκαίρι και το χειµώνα, το πρωί και το απόγευµα, τόσο στο αντρικό όσο και στο γυναικείο φύλο. - 21 -
Το 1996, οι Baker και Standeven παρουσίασαν την ανάγκη εδραίωσης του παθητικού δροσισµού στα κτίρια, λόγω της αυξηµένης ζήτησης για κλιµατιζόµενα κτίρια και κατ επέκταση για ηλεκτρική ενέργεια. H έρευνά τους στηρίχθηκε στο πρόγραµµα PASCOOL, το οποίο χρηµατοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Σκοπός ήταν η ανάπτυξη κριτηρίων άνεσης για τα µη-κλιµατιζόµενα (free-running) κτίρια, όπου οι περιβαλλοντικές συνθήκες ποικίλουν σε σχέση µε τα µηχανικά ελεγχόµενα κτίρια. Το 1997, οι Papakostas και Sotiropoulos παρουσίασαν την επίδραση της ενεργειακής συµπεριφοράς του κτιρίου στην αύξηση ή τη µείωση των θερµικών κερδών στην κατοικία µιας µέσης ελληνικής οικογένειας. Η παραγωγή θερµότητας από τους κατοίκους, τα φώτα και τις συσκευές καλύπτει ένα µέρος των θερµικών απαιτήσεων του κτιρίου κατά τη χειµερινή περίοδο. Οι απαραίτητες πληροφορίες είναι δυνατό να αποκτηθούν από στατιστικές έρευνες, παρατηρήσεις, συνεντεύξεις και άµεσες (επιτόπιες) µετρήσεις. Το 1998, οι Brager και Dear αναφέρουν ότι η θερµική προσαρµογή στις πραγµατικές συνθήκες επηρεάζεται από τη δοµή των κτιρίων, καθώς και από το τεχνολογικό και πολιτιστικό επίπεδο των ενοίκων. Το άτοµο δεν είναι παθητικός παράγοντας στο θερµικό του περιβάλλον, αλλά ενεργητικός παράγοντας που αλληλεπιδρά µε αυτό. Η θερµική προσαρµογή µπορεί να χωριστεί στην προσαρµογή της συµπεριφοράς, τον φυσιολογικό εγκλιµατισµό και τον ανθρώπινο εθισµό στις διάφορες συνθήκες. Παρατηρήθηκε διαφορά στην αντίδραση των ατόµων µεταξύ κτιρίων όπου χρησιµοποιούνται κλιµατιστικά και κτιρίων τα οποία είναι φυσικά αεριζόµενα. Την ίδια χρονιά (1998), οι Hodder et al παρουσίασαν κάποιες από τις διαπιστώσεις τους για τον καθορισµό των συνθηκών θερµικής άνεσης σε περιβάλλοντα όπου εφαρµόζεται ταυτόχρονα η µέθοδος της ψύξης του ταβανιού και ο εξαερισµός του χώρου. Τα πειράµατα διεξήχθησαν σε ένα ειδικά διαµορφωµένο εργασιακό χώρο και έδειξαν ότι όσο η ανταλλαγή θερµότητας µε ακτινοβολία µεταξύ του ψυχόµενου ταβανιού και του πατώµατος αυξάνεται, αυξάνεται και η αίσθηση της ευχαρίστησης των ατόµων εντός του χώρου. Το 2002, οι de Dear και Brager δηµοσίευσαν την έρευνά τους σχετικά µε τη θερµική άνεση σε φυσικώς αεριζόµενα κτίρια, ενώ ταυτόχρονα παρουσίασαν µια αναθεωρηµένη έκδοση του προτύπου ASHRAE 55. Η επανεξέταση του προτύπου αυτού περιλαµβάνει ένα νέο προσαρµοστικό πρότυπο θερµικής άνεσης (Adaptive Comfort Standard, ACS). Προτείνεται το ACS πρότυπο να χρησιµοποιηθεί στο σχεδιασµό και τη λειτουργία των κτιρίων, καθώς και σε ερευνητικές εφαρµογές. Τέλος, χρησιµοποιούνται τεχνικές γεωγραφικών συστηµάτων - 22 -
πληροφοριών (GIS) για την εξέταση των δυνατοτήτων της εφαρµογής του προτύπου ACS για εξοικονόµηση ενέργειας. Τον ίδιο χρόνο (2002), οι Νicol και Humphreys έκαναν αναφορά στην προέλευση και την ανάπτυξη της προσαρµοστικής προσέγγισης όσον αφορά στη θερµική άνεση. Προτάσεις για την εφαρµογή της προσαρµοστικής προσέγγισης στη θερµική άνεση συστήνονται για την επίτευξη της κατάλληλης θερµοκρασίας και του άνετου θερµικού περιβάλλοντος. Τέλος, αναφορά γίνεται και στην εφαρµογή των κριτηρίων της αειφορίας στη θερµική άνεση των κτιρίων. Το 2003, οι Nikolopoulou και Steemers µελέτησαν τη συσχέτιση θερµικής άνεσης και ψυχολογικής προσαρµογής και παρουσίασαν τη δυνατότητα χρησιµοποίησης της παραπάνω συσχέτισης σαν οδηγό για το σχεδιασµό αστικών χώρων. Παρατήρησαν ότι αν και οι παράµετροι οι σχετικοί µε το µικροκλίµα επηρεάζουν τη θερµική µας αίσθηση, ωστόσο δε δικαιολογούν τις διακυµάνσεις που παρατηρούνται µεταξύ υποκειµενικής και αντικειµενικής αξιολόγησης της θερµικής άνεσης. Το τρέχον παγκόσµιο πρότυπο για τη θερµική άνεση είναι το ISO 7730. Βασίζεται σε έρευνα που εκπονήθηκε τη δεκαετία του 1960 και παρουσιάστηκε µε προτάσεις για βελτίωση το έτος 2002 από τους Olesen και Parsons. Το πρότυπο ISO 7730 αµφισβητείται λόγω της έλλειψης θεωρητικής εγκυρότητας, δηλαδή λόγω της έλλειψης δεδοµένων για την κατάσταση του ανθρωπίνου σώµατος (θερµοκρασία δέρµατος, ρυθµός εφίδρωσης, υγρασία δέρµατος). Για να επιτευχθεί αύξηση του επιπέδου αποδοχής των συνθηκών της θερµικής άνεσης, επιδιώκεται ένας συνδυασµός ελέγχου τόσο του θερµικού περιβάλλοντος όσο και της προσωπικής προσαρµογής κάθε ανθρώπου στο περιβάλλον αυτό. Λαµβάνοντας υπόψη τις παραπάνω µελέτες γίνεται αντιληπτό το γεγονός ότι η θερµική άνεση αποτελεί σηµαντική ενεργειακή παράµετρο για τη βελτίωση των συνθηκών διαβίωσης των ανθρώπων στα κτίρια. Τα τελευταία τριάντα περίπου χρόνια έχουν γίνει σηµαντικά βήµατα ως προς τη συσχέτιση της ενεργειακής συµπεριφοράς του κτιρίου και της προσαρµογής των ατόµων σε αυτή και έχουν συσταθεί πρότυπα, αποσκοπώντας στην ενσωµάτωση του θέµατος της θερµικής άνεσης στον αρχιτεκτονικό σχεδιασµό. - 23 -
1.3. ΑΕΡΙΣΜΟΣ Αερισµός είναι η διαδικασία παροχής ή αφαίρεσης αέρα προς και από οποιοδήποτε χώρο. Ο επαρκής αερισµός είναι απαραίτητη προϋπόθεση για µια ικανοποιητική ποιότητα αέρα για την υγεία των χρηστών. Για κάθε είδος χώρου καθορίζεται µια συγκεκριµένη τιµή που προσδιορίζει τον απαιτούµενο αερισµό και µετράται σε ac/h (air changes/hour). Η µονάδα αυτή δείχνει πόσες φορές (ή σε τι ποσοστό του όγκου του χώρου) αντικαθίσταται ο αέρας που περιέχεται στο χώρο από νωπό αέρα. Ο αερισµός επιτυγχάνεται µε φυσικά ή µηχανικά µέσα. Ο αερισµός είναι µια από τις αρχαιότερες µεθόδους δροσισµού. Σε κλίµατα όπου υπάρχει µεγάλη θερµοκρασιακή διακύµανση κατά τη διάρκεια της ηµέρας και ογκώδεις κατασκευές (π.χ. πέτρινες οικοδοµές), εφαρµόζεται κατά κόρον ο νυχτερινός αερισµός. Με τον τρόπο αυτό επιδιώκεται η εκµετάλλευση του ψυχρού νυχτερινού αέρα για την ψύξη του εσωτερικού χώρου και την αποφυγή των υψηλών θερµοκρασιών, λόγω των ιδιαίτερα θερµών συνθηκών που επικρατούν την ηµέρα (Moore, 1993). Με τον αερισµό ενός κτιρίου επιτυγχάνεται ανταλλαγή αέρα µεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού περιβάλλοντος µε διάφορους ρυθµούς (από 5 έως 500 ανταλλαγές ανά ώρα). Αυτή η αντικατάσταση του θερµότερου εσωτερικού αέρα µε ψυχρότερο εξωτερικό, που επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια του αερισµού, αποτελεί έναν από τους κυριότερους τρόπους ψύξης των κτιρίων. Ο ψυχρότερος αυτός αέρας αυξάνει, επίσης, την απώλεια θερµότητας από το ανθρώπινο σώµα µε µεταφορά, όσο αυξάνεται η θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ δέρµατος και δωµατίου. Παράλληλα, η κίνηση του αέρα που προκύπτει από τη διαδικασία του αερισµού αυξάνει την απώλεια θερµότητας του ανθρωπίνου σώµατος µε εξάτµιση και µεταφορά, αυτή τη φορά λόγω της συχνής εναλλαγής του θερµού στρώµατος αέρα που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια του δέρµατος (Moore, 1993). Σε συµβατικά κτίρια, αλλά ακόµη περισσότερο σε βιοκλιµατικά σχεδιασµένα κτίρια, όλες οι εφαρµοζόµενες στρατηγικές για τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας και την αναβάθµιση της ποιότητας του αέρα του εσωτερικού περιβάλλοντος, µπορεί να αναιρεθούν στην περίπτωση αυξηµένων θερµικών απωλειών, λόγω εκτεταµένου αερισµού (ventilation) ή διαφυγών αέρα από τους αρµούς των ανοιγµάτων (infiltration). Έτσι, θα πρέπει να δηµιουργηθεί ένα αεροστεγανό περίβληµα και γενικότερα να περιοριστεί και να ελεγχθεί ο αερισµός των χώρων, ανάλογα µε τη χρήση των κτιρίων, χωρίς να γίνεται υπέρβαση των ορίων εναλλαγών αέρα ανά ώρα, όπως αυτές καθορίζονται από διάφορους διεθνείς κανονισµούς που λαµβάνουν υπόψη τους την υγεία και την ευεξία. - 24 -
1.3.1. Παράµετροι που επηρεάζουν το φυσικό αερισµό Ο φυσικός αερισµός έχει άµεση επίδραση στην υγεία, τη θερµική άνεση και την ευεξία των ανθρώπων. Οι παράµετροι που επηρεάζουν τις συνθήκες του φυσικού αερισµού είναι οι εξωτερικές κλιµατικές συνθήκες και ο προσανατολισµός, η θέση και το µέγεθος των ανοιγµάτων. Η ροή του αέρα µέσα από το κέλυφος του κτιρίου προκαλείται µε δυο κυρίως τρόπους : Με τη διανοµή του ανέµου και τη διαφοροποίηση των πιέσεων, που δηµιουργούνται γύρω από το κτίριο. Οι πλευρές που είναι άµεσα αντιµέτωπες µε τον άνεµο παρουσιάζουν υψηλές πιέσεις, ενώ οι απάνεµες πλευρές βρίσκονται σε ζώνες χαµηλής πίεσης, δηµιουργώντας ένα «κενό αέρα» ή «σκιά ανέµου». Με τις ανωστικές δυνάµεις που αναπτύσσονται, λόγω της διαφοράς θερµοκρασίας ανάµεσα στον εσωτερικό χώρο και στο εξωτερικό περιβάλλον. Ο θερµότερος αέρας, λιγότερο πυκνός και πιο ελαφρύς, µεταφέρεται προς τα πάνω και το κενό που δηµιουργείται έρχεται να καλύψει βαρύτερος όγκος αέρα και πιο ψυχρός. Η φυσική αυτή ροή δηµιουργεί ρεύµα και φυσικό αερισµό. Οι εξωτερικές κλιµατικές συνθήκες καθορίζουν τις απαιτήσεις για φυσικό αερισµό στη διάρκεια του έτους. Στις εύκρατες περιοχές, όπου οι χειµωνιάτικοι µήνες είναι υγροί και σχετικά ψυχροί, το ποσοστό του αερισµού πρέπει να µειώνεται, ώστε να µην αυξάνονται οι θερµικές απώλειες. Αντίθετα, το καλοκαίρι ο φυσικός αερισµός είναι απαραίτητος για την εξασφάλιση συνθηκών θερµικής άνεσης. Οι δροσεροί άνεµοι-αύρες, συνήθως από νοτιοδυτική διεύθυνση, συµβάλλουν στο φυσικό δροσισµό και την ψύξη του κτιρίου. Ο προσανατολισµός, η θέση και το µέγεθος των ανοιγµάτων αποτελούν καθοριστικά κριτήρια για τη δηµιουργία συνθηκών επαρκούς φυσικού αερισµού. Τα ανοίγµατα εισόδου θα πρέπει να είναι αντιµέτωπα στον άνεµο, σε κάθετη διεύθυνση, γιατί οποιαδήποτε απόκλιση ελαττώνει την ταχύτητα ροής του αέρα στον εσωτερικό χώρο. Υπόψη πρέπει να λαµβάνεται πάντα το γεγονός ότι η διεύθυνση του ανέµου µπορεί να µεταβληθεί από τη διάταξη των εσωτερικών χωρισµάτων, τη χρήση βλάστησης, αλλά και από τις ίδιες τις αρχιτεκτονικές προεξοχές. - 25 -
1.3.2. Mελέτες για τον αερισµό στα κτίρια Η διαµόρφωση των κτιρίων, µε τα δωµάτια και ιδιαίτερα µε τα σηµεία όπου υπάρχουν ανοίγµατα, έχει σηµαντικό αντίκτυπο στα επίπεδα αερισµού τους. Αρκετές έρευνες έχουν γίνει προκειµένου να αναπτυχθούν στρατηγικές σχεδιασµού των κτιρίων για τον αποτελεσµατικό αερισµό τους. Παρακάτω αναφέρονται εργασίες και δηµοσιεύσεις που έχουν γίνει από το έτος 1977 έως το 2005 και αναφέρονται σε µελέτες για τον καθορισµό της συµπεριφοράς κτιρίων και γραφείων κάτω από ποικίλες συνθήκες αερισµού, σκίασης και χρώµατος περιβλήµατος, µελέτες για τον παθητικό δροσισµό κτιρίων, την ποιότητα του εντός των κτιρίων αέρα, την αλληλεπίδραση θερµικής αδράνειας και αερισµού, την εφαρµογή τεχνικών νυχτερινού δροσισµού σε κτίρια και σε αστικές νησίδες, την απόδοση των συστηµάτων Θέρµανσης, Αερισµού και Ψύξης, καθώς και τη σύγκριση των απαιτήσεων για αερισµό σε ευρωπαϊκές χώρες. To 1977, ο Milbank µελέτησε τη δυνατότητα εξοικονόµησης ενέργειας µε τη χρησιµοποίηση φυσικού αερισµού. Σκοπός είναι η µείωση των απαιτήσεων για κλιµατισµό και µηχανικό αερισµό. Συζητώνται, επίσης, τα χαρακτηριστικά πιθανών συστηµάτων ελέγχου της θερµοκρασίας του χώρου βάσει του φυσικού αερισµού. Το 1977/78, ο Sinden εξέθεσε τις απόψεις του σχετικά µε τις αλληλεπιδράσεις µεταξύ ανέµου, θερµοκρασίας και φυσικού αερισµού. Μελετήθηκε η συσχέτιση µεταξύ του ανέµου και του φαινοµένου µεταφοράς µεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού αέρα λόγω διαφοράς θερµοκρασίας, δηλαδή η συνδυασµένη ή ανεξάρτητη δράση ανέµου και θερµοκρασίας. Το 1979, οι Ogasawara et al µελέτησαν την επίδραση του ελεγχόµενου αερισµού στην ενεργειακή διατήρηση των κτιρίων. Για το σκοπό αυτό, εφαρµόζεται µέθοδος αριθµητικής προσοµοίωσης σε κτίριο, όπου ελέγχεται η αναλογία αερισµού σε σχέση µε τον αριθµό των ατόµων που υπάρχουν ανά τετραγωνικό µέτρο. Το 1986, ο Pitts αξιολόγησε κάποια συστήµατα αερισµού κτιρίων σε θερµά περιβάλλοντα. Αναλύθηκε µια µέθοδος για τον καθορισµό της αποδοτικότητας των συστηµάτων αυτών, η οποία ονοµάστηκε «θερµική αποτελεσµατικότητα» και η οποία βελτιώνει την άνεση των ενοίκων. Το 1989, ο Sherman έκανε µια ανάλυση των λαθών που σχετίζονται µε τεχνικές καθορισµού του παθητικού αερισµού. Με τις τεχνικές αυτές υπολογίζεται ο µέσος ρυθµός αερισµού, µέσω µαθηµατικών µοντέλων και κλιµατικών δεδοµένων. - 26 -
Το 1995, οι Santamouris et al διαπίστωσαν ότι η µεταφορά θερµότητας και µάζας διαµέσου µεγάλων ανοιγµάτων µε φυσικό τρόπο παίζει σηµαντικό ρόλο στη θερµική συµπεριφορά των κτιρίων, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για φυσικά αεριζόµενα κτίρια. Στην εργασία συνοψίζονται µοντέλα που περιγράφουν τα παραπάνω φαινόµενα από το έτος 1992, γίνεται σύγκρισή τους, καθώς και περαιτέρω έρευνα. Την ίδια χρονιά (1995), οι Dascalaki et al ανέλυσαν την απόδοση του µονόπλευρου φυσικού αερισµού σε κτίρια, κυρίως σε αστικά περιβάλλοντα. Αναλύθηκαν τα φαινόµενα µεταφοράς θερµότητας και µάζας και προτάθηκε ένα νέο µοντέλο για την πρόβλεψη της ροής του αέρα σε τέτοιου είδους κτίρια. Ανάλογη έρευνα δηµοσίευσαν οι παραπάνω συγγραφείς και την επόµενη χρονιά. Το 1996, οι Santamouris et al πρότειναν µια µέθοδο για τον υπολογισµό της συνεισφοράς των τεχνικών νυχτερινού αερισµού στο δροσισµό των κτιρίων. Στην εργασία γίνεται σύγκριση κτιρίων φυσικώς αεριζόµενων και κτιρίων µε κλιµατισµό. εδοµένα λαµβάνονται από το προσοµοιωτικό πρόγραµµα TRNSYS και αποδεικνύεται ότι η µέθοδος είναι δόκιµη και µπορεί να εφαρµοστεί από το σχεδιαστικό ακόµα στάδιο των κτιρίων. Το 1997, οι Khedari et al µελέτησαν την απόδοση ενός ηλιακού συλλέκτη στέγης (Roof Solar Collector, RSC) όσον αφορά στο φυσικό αερισµό των καινούριων κατοικιών. Ο RSC χρησιµοποιείται τόσο σα µόνωση στο κτίριο όσο και για να βελτιώσει τη θερµική άνεση, ενισχύοντας το φυσικό αερισµό του κτιρίου. Από τη µελέτη προκύπτει ότι το βέλτιστο µήκος του συλλέκτη είναι µικρότερο από 100 cm και η κλίση του 30 ο. Το 1998, ο Givoni παρουσίασε τα αποτελέσµατα της έρευνάς του όσον αφορά στη µελέτη διαφόρων κτιρίων κάτω από ποικίλες συνθήκες αερισµού και σκίασης. Αξιολογήθηκε η επίδραση των αερίων µαζών στη µείωση της µέγιστης εσωτερικής θερµοκρασίας (την ηµέρα), τόσο σε κλειστά όσο και σε νυχτερινά αεριζόµενα κτίρια. Ο νυχτερινός αερισµός είχε µικρή µόνο επιρροή στην εσωτερική θερµοκρασία σε ελαφριάς κατασκευής (low-mass) κτίρια, ενώ το αντίθετο συνέβη σε βαριάς κατασκευής (high-mass) κτίρια, µειώνοντας την εσωτερική θερµοκρασία πολύ περισσότερο από τη µέγιστη εξωτερική. Την επόµενη χρονιά (1999), η ίδια έρευνα συνεχίστηκε βάφοντας το περίβληµα του κτιρίου αρχικά µαύρο και κατόπιν άσπρο. Μελετήθηκε, επίσης, η θερµοκρασιακή συµπεριφορά του κτιρίου κάτω από συνθήκες φυσικού αερισµού µε ανοιχτά παράθυρα καθ όλη τη διάρκεια της ηµέρας. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, η παρατηρηθείσα πτώση της θερµοκρασίας ήταν αξιόλογη. - 27 -