ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΣΤΟΝ ΑΣΤΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ Δ. Μαμάης Φ. Σαργέντης Ακαδημαϊκό έτος 2002-2003
ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΠΟΡΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Καναδάς ΗΠΑ Ινδία Εκπομπές CO 2 15,2 19,5 4,2 (tn/έτος) Αγοραστική 19320 22130 1150 ικανότητα ($) Οχήματα ανά 46 57 0,2 100 άτομα Ενέργεια από 250 287 5 ορυκτά καύσιμα, GJ/έτος Κατανάλωση 1688 1868 612 γλυκού νερού Οικολογικό 4,3 5,1 0,4 βήμα* (εκτάρια/άτομο) * Οικολογικό βήμα είναι η έκταση γης που απαιτείται για την συντήρηση των επιπέδων κατανάλωσης πόρων και διάθεσης αποβλήτων ενός συγκεκριμένου πληθυσμού Ανισότητες στην παγκόσμια κατανάλωση Στις αναπτυγμένες χώρες (24% του συνολικού πληθυσμού της γης) αναλογεί το: 75% της συνολικά καταναλισκόμενης ενέργειας 70% εκπομπής CO 2 86% της κατανάλωσης χαλκού και αλουμινίου 80% της κατανάλωσης σιδήρου και χάλυβα 81% κατανάλωσης χαρτιού 92% των αυτοκινήτων
ΣΗΜΑΣΙΑ ΑΕΙΦΟΡΟΥ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΤΩΝ ΠΟΡΩΝ Είδος πόρου Υλικοί (Υ) Άυλοι (Α) Αναλώσιμοι ΑΝ Μη αναλώσιμοι ΜΑ Υποβαθμίσιμοι ΥΠ Ανανεώσιμοι (Α) Μη ανανεώσιμοι (Μ) Φυσικοί πόροι Χώρος Υ ΜΑ + ΥΠ Μ Υδατικοί πόροι Υ ΑΝ + ΥΠ Α Ατμόσφαιρα Υ ΜΑ + ΥΠ Α Ορυκτός πλούτος Υ ΑΝ Μ Αιολική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Υ Υ Υ ΑΝ ΑΝ ΑΝ Κλίμα Υ+Α ΜΑ + ΥΠ Α Ανθρωπογενείς πόροι Πολιτισμική κληρονομιά Α Α Α Υ + Α ΜΑ + ΥΠ Μ Υποδομές Υ ΜΑ + ΥΠ Α Οικισμοί Υ ΜΑ + ΥΠ Α Αειφόρος ανάπτυξη έχει ως στόχο την κάλυψη των αναγκών του παρόντος με τρόπο ώστε να μην υπονομεύεται η κάλυψη των αναγκών των μελλοντικών γενεών. Διαχείριση των πόρων χωρίς την εξάντλησή τους με στόχο την εξυπηρέτηση του σημερινού ανθρώπου και την διατήρησή τους για τις επόμενες γενεές. Εξοικονόμιση αναλώσιμων πόρων και εξασφάλιση της δυνατότητας αναπλήρωσης των ανανεώσιμων πόρων Ανάπτυξη νέων τεχνολογιών ώστε η χρήση των πόρων να είναι πιο αποτελεσματική Προστασία του χώρου από υπερβολική αστικοποίηση και δόμηση
Τάσεις εξάπλωσης Πρώτες ύλες Ενέργεια, νερό ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΟΛΗΣ (Η Αθήνα αποτελεί τυπικό παράδειγμα γραμμικής ανάπτυξης πόλης) Επεξ. προϊόντα Υπηρεσίες Αγροτικά προϊόντα Απόβλητα Τάσεις εξάπλωσης ΚΥΚΛΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΟΛΗΣ (εφαρμογή αρχών αειφόρου ανάπτυξης) Πρώτες ύλες Επεξ. προϊόντα Ενέργεια, νερό Ανακύκλωση Τάσεις ανάπλασης Διαχείριση Πόρων Υπηρεσίες Απόβλητα Αγροτικά προϊόντα
1. ΣΥΜΒΟΛΗ ΑΣΤΙΚΩΝ ΥΠΑΙΘΡΙΩΝ ΧΩΡΩΝ Το πράσινο και γενικότερα οι υπαίθριοι χώροι αποτελούν σημαντικό πόρο σε μια πόλη. Πληθυσμιακή εξέλιξη Αθήνας 1833 12,000 κατ. 1853 36,000 κατ. 1900 300,000 κατ. 1940 1,000,000 κατ. 1991 3,500,000 κατ. 2001 4,000,000 κατ. Στην Αθήνα συγκεντρώνεται το 40% περίπου του Ελληνικού πληθυσμού σε μια έκταση περίπου 3,800,000 στρεμμάτων, ίση με το 3% της έκτασης της Ελλάδος. Το 1985 θεσμοθετήθηκε ολοκληρωμένο ρυθμιστικό σχέδιο για την οικιστική ανάπτυξη της Αθήνας και ιδρύθηκε ο Οργανισμός της Αθήνας για τον συντονισμό και υλοποίηση του ρυθμιστικού σχεδίου της Αθήνας. Ένα από τα αρνητικά αποτελέσματα της ανεξέλεγκτης ανάπτυξης της Αθήνας ο περιορισμός των αστικών υπαίθριων χώρων. m 2 πρασίνου/ κάτοικο Αθήνα 2.6 Λονδίνο 9 Παρίσι 8.5 Ρώμη 9 Ουάσιγκτον 50 Βαρσοβία 18
Η συμβολή του πρασίνου στην πόλη: 1. Παραγωγή οξυγόνου και κατανάλωση CO 2 : Από μια επιφάνεια πρασίνου 10,000 m2 αποδίδονται 600 kg O2 σε 12 ώρες και καταναλώνονται 900 kg CO 2 2. Συγκράτηση εδαφών: Τα δένδρα και οι θάμνοι με τις ρίζες τους έχουν την ικανότητα να συγκρατούν τα εδάφη με αποτέλεσμα να αποφεύγονται οι κατολισθήσεις, οι διαβρώσεις και αποσαθρώσεις των εδαφών. 3. Συγκράτηση των επιφανειακών απορροών και εμπλουτισμός του υπόγειου υδροφορέα μέσω του ριζικού συστήματος των φυτών. 4. Προστασία από τον άνεμο και καταπολέμηση της σκόνης Απορρόφηση σημαντικών ποσοτήτων αιωρούμενων στερεών που περιέχουν τοξικές ουσίες (βαρέα μέταλλα, αιθάλη, κλπ) και παθογόνους μικροοργανισμούς 6. Η άμεση σχέση των ελεύθερων χώρων με τις πλημμύρες Ρεματιές, χείμαρροι αποτελούν φυσικές διέξοδοι των νερών της βροχής προς τη θάλασσα και σκόπιμο είναι να μην καλύπτονται και να μετατρέπονται σε ζώνες δόμησης. Επίσης οι ρεματιές αποτελούν και δίοδο για την κυκλοφορία του αέρα και συμβάλουν στην μείωση της θερμοκρασίας.
7. Επιρροή στις συνθήκες μικροκλίματος Η εξατμισοδιαπνοή των δένδρων συμβάλλει σημαντικά στην εξισορρόπηση των σημαντικών αλλαγών στη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας, γεγονός ευεργετικό τόσο κατά την περίοδο παγετών όσο και κατά την περίοδο καύσωνα. Περίπου ένα δένδρο διοχετεύει στην ατμόσφαιρα 400 λίτρα νερό την ημέρα με εξάτμιση γεγονός που προκαλεί ψύξη ισοδύναμη με την χρήση 5 κλιματιστικών μηχανημάτων.
2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣΗΣ Φυσικό οικοσύστημα Φυσικό οικοσύστημα Δομημένο περιβάλλον Δομημένο περιβάλλον Άνθρωπος Άνθρωπος Εικόνα: Συσχετισμός ανθρώπου και φυσικού οικοσυστήματος Τα κτίρια δημιουργούνται για να προστατεύσουν τον άνθρωπο από το εξωτερικό περιβάλλον και τις κλιματικές αλλαγές. Ο ρόλος του είναι να προστατεύει τον άνθρωπο από τις εναλλαγές και τις επιθέσεις του εξωτερικού περιβάλλοντος. Διαφορετικές εσωτερικές συνθήκες όπως η θέρμανση, ο φωτισμός, ο αερισμός και η ποιότητα αέρα καθορίζουν τις συνθήκες του εσωτερικού χώρου του κτιρίου. Το κτίριο και γενικά η κατασκευή χωρίζεται σε τρία βασικά στάδια: Κατασκευή Χρόνος ζωής του έργου Τέλος χρήσης του έργου Οι κύριες παράμετροι που πρέπει να ελέγχονται κατά την διάρκεια κατασκευής χρήσης και κατεδάφισης ενός κτιρίου είναι οι εξής: Κατανάλωση ενέργειας Κατανάλωση πρώτων υλών Παραγωγή αποβλήτων Τοξικότητα υλικών
Κατά την φάση της κατασκευής μπορεί να εκτιμηθούν τεχνικές λύσεις έτσι ώστε να επιλεγούν υλικά τα οποία να μην καταναλώνουν μεγάλη ενέργεια και να είναι κατά το δυνατόν εύκολα ανακυκλώσιμα. Επίσης και κατά την διάρκεια ζωής ενός κτιρίου, υπάρχει η απαίτηση να είναι μικρή η κατανάλωση της ενέργειάς που το ίδιο το κτίριο χρησιμοποιεί. Μεγάλο πρόβλημα που προκύπτει στην παραγωγή των υλικών είναι η σπατάλη της πρώτης ύλης. Ανάλογα με τη διαδικασία παραγωγής του κάθε υλικού υπάρχουν δραστηριότητες οι οποίες σπαταλούν μεγάλο μέρος των πρώτων υλών που εξορύσσονται. Έτσι, για κάθε 1Kg αλουμίνιο που θέλουμε να παρασκευάσουμε μέχρι να φτάσει στην οικοδομή χρησιμοποιούμε περίπου 1,7 Kg πρώτης ύλης ενώ για κάθε 1Kg ξύλο που θέλουμε να παρασκευάσουμε μέχρι να φτάσει στην οικοδομή, χρησιμοποιούμε περίπου 1,05 Kg πρώτης ύλης. Με την ολοκλήρωση της χρήσιμης διάρκειας ζωής του, το ίδιο το κτίριο, θεωρείται άχρηστο και κατατάσσεται στην κατηγορία των αποβλήτων. Στη Δυτική Ευρώπη παράγονται ετησίως 5 δισεκατομμύρια τόνοι στερεών αποβλήτων από τα οποία 5% είναι κατασκευαστικά απόβλητα. 2.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ Πρόγραμμα ΥΠΕΧΩΔΕ: ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2001 Η ενέργεια κοστίζει και ρυπαίνει -Κατανομή της κατανάλωσης ενέργειας στην Ελλάδα Κτίρια 30% Βιομηχανία 43% Μεταφορές 27% To 40% του παραγόμενου CO 2 παράγεται από την ενέργεια που καταναλώνουν τα κτίρια (σημαντική συμβολή στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και στην κλιματική μεταβολή)
Στόχοι Επεμβάσεις στο κέλυφος του κτιρίου και στις Η/Μ εγκαταστάσεις για βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων Υποχρεωτικά μέτρα ενεργειακής διαχείρισης και απόδοσης για όλα τα κτίρια του ευρύτερου δημοσίου τομέα Υποχρεωτικά ενεργειακός σχεδιασμός με εφαρμογή αρχών βιοκλιματικής για όλα τα νέα κτίρια και οικιστικά σύνολα. 1. Επιβάλλεται η αξιοποίηση της φυσικής ενέργειας και των τοπικών κλιματικών συνθηκών για την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών απαιτήσεων των νέων κτιρίων 2. Αξιοποίηση φυσικού φωτισμού και αερισμού 3. Εξασφάλιση ικανοποιητικής ποιότητας εσωτερικού αέρα 4. Τίθενται όρια κατανάλωσης ανά κατηγορία κτιρίου 5. Ορίζεται διαδικασία ενεργειακών επιθεωρήσεων και ενεργειακής πιστοποίησης όλων των νέων κτιρίων 6. Μελλοντικά και τα υφιστάμενα κτίρια αποκτούν δελτίο ενεργειακής ταυτότητας ώστε να είναι δυνατός ο έλεγχος της περιβαλλοντικής απόδοσης όλων των κτιρίων 7. Οικονομικά κίνητρα για την εξοικονόμιση ενέργειας. Ενεργειακός Σχεδιασμός Κτιρίων Βιοκλιματική αρχιτεκτονική Βιοκλιματική αρχιτεκτονική ονομάζεται η αρχιτεκτονική που προάγει σχεδιαστικές λύσεις που εκμεταλλεύονται τις περιβαλλοντικές συνθήκες και δημιουργούν κτίρια με θερμική άνεση χωρίς μηχανικές επεμβάσεις. Η βιοκλιματική
αρχιτεκτονική παρεμβαίνει μόνο με το σχεδιασμό των αρχιτεκτονικών στοιχείων χωρίς να κάνει χρήση μηχανικών συστημάτων. Υπάρχουν δύο σημαντικές στρατηγικές για την εξοικονόμιση ενέργειας σε ένα κτίριο: Σε ψυχρό καιρό να μεγιστοποιούνται τα κέρδη θερμότητας και να εξασφαλίζεται η καλή διανομή τους και κατάλληλη αποθήκευσή τους Σε θερμό καιρό να ελαχιστοποιούνται τα κέρδη θερμότητας, να αποφεύγεται η υπερθέρμανση και να βελτιστοποιείται ο αερισμός με ψυχρό αέρα Θερμικές ανάγκες κτιρίου Το κτίριο θερμαίνεται και αποβάλλει θερμική ενέργεια στο περιβάλλον από την επιφάνεια του κελύφους του. Κέλυφος ονομάζεται το σύνολο των διαφανών και αδιαφανών στοιχείων τα οποία καθορίζουν το εξωτερικό περίγραμμα του κτιρίου. Ο τρόπος της κατασκευής του καθορίζει τη θερμική και κατ' επέκταση ενεργειακή συμπεριφορά του κτιρίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του κελύφους, τόσο περισσότερη θερμική ενέργεια χάνει το κτίριο. Η θερμική ενέργεια που χάνεται περιορίζεται με την χρήση θερμομονωτικών υλικών (υλικά που έχουν μεγάλη θερμική αντίσταση) και την χρήση διπλών υαλοπινάκων.
Εικόνα: Απώλειες θερμότητας Η εύκολη λύση στην συνήθη κατασκευές μας είναι η χρήση θερμομονωτικών υλικών, η οποία ελέγχει την θερμική συμπεριφορά του κτιρίου περιορίζοντας τις θερμικές απώλειες. Σημασία προσανατολισμού κτιρίου Ο ήλιος και η συμπεριφορά του κτιρίου απέναντι σε αυτόν είναι ίσως το σημαντικότερο βήμα στην βιοκλιματική λειτουργία ενός κτιρίου. Στην Ευρώπη όπως φαίνεται και στο κατωτέρω σχήμα η κίνηση του ήλιου γίνεται κυρίως στο νότιο τμήμα. Η ηλιακή ακτινοβολία το χειμώνα και το καλοκαίρι φθάνει με άλλη γωνία και κατά συνέπεια η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας είναι διαφορετική μεταξύ χειμώνα και καλοκαιριού. Αυτό το φαινόμενο μπορούμε να το εκμεταλλευθούμε κατά το σχεδιασμό ενός κτιρίου όπως φαίνεται στο κατωτέρω σχήμα.
Καλοκαίρι Χειμώνας 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-Δύση, έχει μεγαλύτερα οφέλη. Σημασία Σκίασης Κτιρίου Χειμώνας (Φυλλοβόλο δένδρο) Καλοκαίρι
Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος προστασίας ενός κτιρίου από την ηλιακή ακτινοβολία είναι να σκιάζονται τα παράθυρα και άλλα ανοίγματα από το ανεπιθύμητο άμεσο ηλιακό φως. Το καλοκαίρι όταν η ηλιακή δέσμη πέφτει στη νότια πλευρά του κτιρίου ο ήλιος είναι αρκετά υψηλά στον ουρανό με αποτέλεσμα να λαμβάνουν μικρή ποσότητα ακτινοβολίας τα νότια ανοίγματα ενός σπιτιού. Σημαντικό πρόβλημα είναι η σκίαση κυρίως των ανατολικών και δυτικών ανοιγμάτων καθώς ο ήλιος είναι χαμηλά στον ουρανό όταν είναι στην ανατολή ή στη δύση με αποτέλεσμα η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας στα δυτικά και ανατολικά ανοίγματα να ευνοεί την απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας. 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 Μια τυπική σχεδιαστική αξιοποίηση της θερμικής μάζας, είναι ο τοίχος Trombe. Εξωτερικά του τοίχου κατασκευάζεται γυάλινο πέτασμα το οποίο εγκλωβίζει την θερμική ενέργεια επάνω στον τοίχο, ενώ παράλληλα στον τοίχο υπάρχουν ανοίγματα από τα οποία κυκλοφορεί αέρας που διοχετεύει την θερμότητα που έχει απορροφηθεί ενέργεια μέσα στο κτίριο.
Θερμοκήπιο Άλλη σχεδιαστική αξιοποίηση του κτιριακού κελύφους, γίνεται με την τοποθέτηση ενός θερμοκηπίου στην νότια όψη της κατασκευής. Το θερμοκήπιο αποθηκεύει θερμική ενέργεια λόγω ακτινοβολίας και ζεσταίνεται, ενώ ο αέρας κυκλοφορεί μέσα στο σπίτι. Την νύχτα το θερμοκήπιο απομονώνεται από τον εσωτερικό χώρο.
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 την ψύξη αυτού.
2.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μικρή συνολική ενσωματωμένη ενέργεια υλικού (η ενέργεια που απαιτείται για να παραχθεί ένα προϊόν και να μεταφερθεί στη θέση κατασκευής του κτιρίου) Αυξημένη ικανότητα υλικού να ανακυκλώνεται Μη τοξικό υλικό Περιορισμένες εκπομπές αερίων ρύπων (CO 2, NO x ) κατά την διαδικασία παραγωγής του 12000 10000 8000 g/kg 6000 4000 2000 0 Συνθετικά ελλαστικά Γρανίτης Σκυρόδεμα Τούβλα από πηλό Γυαλί Αλουμίνιο (50% ανακυκλωμένο) Χάλυβας Ξύλο Μοριοσανίδες Εκπομπή αερίων ρύπων κατά την κατά την διαδικασία παραγωγής δομικών υλικών (Κορωναίος & Σαργέντης, 2002).
200 150 MJ/Kg 100 50 0 Ξυλεία (γενικά) Πλαστικά (γενικά) PVC Συνθετικά ελλαστικά Ακριλικά χρώματα Γρανίτες Γύψος Γυψοσανίδες Τσιμέντο Σκυρόδεμα Τούβλα από πηλό Γιαλί Αλουμίνιο Χαλκός Χάλυβας Ενσωματωμένη ενέργεια για συνήθη δομικά υλικά (Κορωναίος & Σαργέντης, 2002) 250 200 150 MJ/Kg 100 50 0 Πλαστικά (γενικά) Σκυρόδεμα Γιαλί Αλουμίνιο Χαλκός Χάλυβας Ενσωματωμένη ενέργεια πρωτογενούς παραγωγής Ενσωματωμένη ενέργεια λόγω ανακύκλωσης Ενσωματωμένη ενέργεια για την ανακύκλωση δομικών υλικών (Κορωναίος & Σαργέντης, 2002)
Τοξικά υλικά που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές κτιρίων Ουσία Χρήση Βλάβες Αμίαντος Παλαιά κτίρια, επιχρίσματα Ύποπτο καρκινογόνο Πετροχημικά Βαφές, ρητίνες Τοξικές και καρκινογόνες όσο είναι υγρές Χρώμιο, Ψευδάργυρος Χλωριομένοι υδρογονάνθρακες Πολυχλωριωμένα διαφαινύλια (PCB) Αντισκωριακή προστασία, βερνίκια ξύλου Διαλύτες σε βαφές Προσθετικά σε βερνίκια, κόλλες, προστασία υλικών από διάβρωση και οξείδωση Τοξικές κυρίως το κάδμιο προσβάλλει νεφρά, ήπαρ και θεωρείται και ύποπτο καρκινογόνο Καρκινογόνο και μεταλλαξιογόνο δράση Βιοσυσσωρεύσιμα Τοξικά Καρκινογόνα Μεταλλαξιογόνα Συνθετικές ίνες Μονώσεις Χρόνια τοξικότητα, Πιθανά καρκινογόνα Φορμαλδεΰδη Συγκολλητικό, βιοκτόνα για προστασία ξύλου Τοξικότητα