Εφαρµογές της Ενεργειακής Προσοµοίωσης Κτιρίων στο Σχεδιασµό Κελύφους - Εσωτερικών Εγκαταστάσεων ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ολυµπία Ζώγου, Τάσος Σταµατέλλος Εργαστήριο Θερµοδυναµικής & Θερµικών Μηχανών Τµήµα Μηχανολόγων, Πολυτεχνική Σχολή Πανεπιστηµίου Θεσσαλίας Η µείωση της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίων, αποτελεί σηµαντικό άξονα της ενεργειακής πολιτικής της Ευρωπαϊκής Ενωσης, µε στόχο την αντιµετώπιση της αύξησης της τιµής του πετρελαίου, αλλά και τη µείωση των εκποµπών CO 2. Σηµαντική εξέλιξη στην κατεύθυνση αυτή υπήρξε η ψήφιση της Κοινοτικής Οδηγίας 2002/91/ΕC, σύµφωνα µε την οποία τα κράτη µέλη καλούνται να θεσµοθετήσουν µεθοδολογίες υπολογισµού της ολοκληρωµένης ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων, καθώς και πρακτικές ενεργειακής πιστοποίησης µε θέσπιση ανώτατων ορίων ενεργειακής κατανάλωσης ανά κατηγορία κτιρίων, και των σχετικών πιστοποιητικών που θα είναι απαραίτητα σε κάθε αγοραπωλησία ή ενοικίαση. Η επικύρωση της Οδηγίας από το Ελληνικό Κοινοβούλιο, αναβαθµίζει de facto και στη Χώρα µας τον ρόλο του Μηχανολόγου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού στον τοµέα της Οικοδοµής. Ο ρόλος της ενεργειακής προσοµοίωσης στην υποστήριξη σχεδιασµού του κελύφους και των εσωτερικών εγκαταστάσεων γίνεται πιο κατανοητός µε ένα παράδειγµα µελέτης ενός τετραώροφου κτιρίου γραφείων, µε χρήση του λογισµικού TRNSYS. Παρουσιάζονται τα δεδοµένα εισόδου που απαιτούνται, καθώς και αποτελέσµατα ενεργειακών προσοµοιώσεων για τη µελέτη της επίδρασης βασικών παραµέτρων σχεδιασµού του κελύφους του κτιρίου στην ετήσια κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση ψύξη.. ABSTRACT The reduction of energy consumption in buildings is of central importance in the European Union s energy policy. It helps suppressing oil price increases and reducing CO 2 emissions levels. A significant development in this frame was the adoption of the Directive 2002/91/ΕC. According to the directive, Member States shall apply a methodology, at national or regional level, of calculation of the energy performance of buildings. Also, they shall apply minimum requirements on the energy performance of new buildings and large existing buildings that are subject to major renovation. Energy certification of buildings shall be based on the above as well as the regular inspection of boilers and air-conditioning systems. When buildings are constructed, sold or rented out, an energy performance certificate will be made available to the owner or by the owner to the prospective buyer or tenant. The above requirements are expected to enhance the involvement of the Mechanical and Electrical Engineers in the building construction, maintenance, refurbishing and certification sector. The role of building energy simulation in supporting the design optimization of the building envelope and energy subsystems is demonstrated in this paper by studying an office building with the aid of the TRNSYS simulation suite. Input data to the code are presented and discussed and sensitivity analysis of the effect of certain design parameters on the yearly energy consumption of the building is carried out by means of multiple building energy simulation runs. 1 H Κοινοτική Οδηγία 2002/91/EC: Αναβάθµιση του ρόλου των Μ-Η στον Κτιριακό Τοµέα Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει να επιδείξει ιδιαίτερη δραστηριότητα σε Νοµοθετικό επίπεδο όσον αφορά τη µείωση της κατανάλωσης των λεγόµενων ορυκτών καυσίµων (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, στερεά καύσιµα). Στην κατεύθυνση αυτή, σηµαντικό εργαλείο αποτελεί η διαχείριση της ενεργειακής ζήτησης, που επιτρέπει την ΕΕ να επηρεάζει την παγκόσµια αγορά ενέργειας ώστε να διασφαλίζει τον ενεργειακό εφοδιασµού των κρατών µελών, τα οποία εν γένει δεν διαθέτουν επαρκείς ποσότητες ορυκτών καυσίµων στο υπέδαφός τους.
Ο τοµέας της κατοικίας και ο τριτογενής τοµέας (µεγάλο µέρος του οποίου αφορά επίσης κτίρια), αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 40% της τελικής κατανάλωσης ενέργειας στην ΕΕ και πάνω από 30% των εκποµπών CO 2 [ 1,4 ], µε τάση παραπέρα αύξησης. Σύµφωνα µε πρόσφατες έρευνες, στα κτίρια κατοικιών η κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση χώρων αντιπροσωπεύει το 57%, ενώ για θέρµανση νερού το 25% της συνολικά καταναλισκόµενης ενέργειας. Τα αντίστοιχα ποσοστά για τον τριτογενή τοµέα είναι 52% και 5% αντίστοιχα [ 2 ]. Τόσο από τις εξειδικευµένες µελέτες αλλά και από την πρακτική εµπειρία, προκύπτει ότι στους τοµείς αυτούς υπάρχει µεγάλο δυναµικό εξοικονόµησης ενέργειας [ 3 ]. Γι αυτό και σήµερα όσο ποτέ άλλοτε είναι επίκαιρο το θέµα της µείωσης της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίων, ως πολιτική αντιµετώπισης της αύξησης της τιµής του πετρελαίου και λοιπών καυσίµων, αλλά και της µείωσης των εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα για την αντιµετώπιση των συνεπειών του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Σηµαντική εξέλιξη στην κατεύθυνση αυτή υπήρξε η ψήφιση της Κοινοτικής Οδηγίας 2002/91/ΕC [ 4 ] για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων. Σύµφωνα µε την Οδηγία αυτή, τα κράτη µέλη καλούνται να θεσπίσουν σύντοµα νοµοθεσίες για την καθιέρωση µεθοδολογιών υπολογισµού της ολοκληρωµένης ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων, όπως και για την ενεργειακή πιστοποίηση των κτιρίων, µε θέσπιση ανώτατων ορίων ενεργειακής κατανάλωσης ανά κατηγορία κτιρίων, που θα είναι απαραίτητη σε κάθε αγοραπωλησία ή ενοικίαση κτιρίου ή µέρους αυτού. Σύµφωνα µε την οδηγία 2002/91/EC, κάθε Χώρα της ΕΕ καλείται να αναπτύξει ή να προσαρµόσει κατάλληλα στα δικά της δεδοµένα, µεθοδολογία υπολογισµού της ολοκληρωµένης ενεργειακής απόδοσης κτιρίων, που θα πρέπει τουλάχιστον να λαµβάνει υπόψη τα παρακάτω: α) θερµικά χαρακτηριστικά του κτιρίου (κέλυφος, εσωτερικά χωρίσµατα, κλπ), αεροστεγανότητα, β) εγκατάσταση θέρµανσης και τροφοδοσία θερµού νερού, συµπεριλαµβανοµένων των χαρακτηριστικών των µονώσεων τους, γ) εγκατάσταση κλιµατισµού, δ) αερισµό, ε) ενσωµατωµένη εγκατάσταση φωτισµού (κυρίως στον τριτογενή τοµέα, δεν αφορά την κατοικία), στ) θέση και προσανατολισµό των κτιρίων, συµπεριλαµβανοµένων των εξωτερικών κλιµατολογικών συνθηκών, ζ) παθητικά ηλιακά συστήµατα και ηλιακή προστασία, η) φυσικό αερισµό, θ) συνθήκες εσωτερικού χώρου στις οποίες περιλαµβάνονται και οι επιδιωκόµενες συνθήκες θερµικής και περιβαλλοντικής άνεσης. Η µεθοδολογία υπολογισµού θα πρέπει να συνεκτιµά κατά περίπτωση, την θετική επίδραση ενεργητικών ηλιακών συστηµάτων και άλλων συστηµάτων που βασίζονται σε ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, την ηλεκτρική ενέργεια που πιθανώς να παράγεται από συµπαραγωγή, τα συστήµατα τηλεθέρµανσης και ψύξης σε διάφορες κλίµακες και τον φυσικό φωτισµό. Οι υπολογισµοί θα πρέπει να εξειδικεύονται στις παρακάτω βασικές κατηγορίες κτιρίων: µονοκατοικίες διαφόρων τύπων, συγκροτήµατα διαµερισµάτων, γραφεία, εκπαιδευτικά κτίρια, νοσοκοµεία, ξενοδοχεία και εστιατόρια, αθλητικές εγκαταστάσεις, κτίρια υπηρεσιών χονδρικού και λιανικού εµπορίου. Εφόσον βάσει της παραπάνω µεθοδολογίας γίνεται εφικτός ο υπολογισµός της ολοκληρωµένης ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων, η Οδηγία προχωρεί σε παραπέρα συστάσεις για την εφαρµογή ελαχίστων απαιτήσεων για την ενεργειακή απόδοση των νέων κτιρίων, καθώς και για την ενεργειακή απόδοση µεγάλων υφιστάµενων κτιρίων στα οποία γίνεται µεγάλης κλίµακας ανακαίνιση [ 4 ]. Επίσης, θεσµοθετείται η ενεργειακή πιστοποίηση των κτιρίων. Γίνεται αντιληπτό ότι πρόκειται για ιδιαίτερα φιλόδοξο βήµα της Ευρωπαϊκής Νοµοθεσίας στην κατεύθυνση του βέλτιστου ενεργειακού σχεδιασµού κτιρίων, (δεδοµένου ότι υστερούµε σηµαντικά ως προς την Β. Αµερική). Η ανάγκη ταχείας υλοποίησης των απαιτήσεων της Οδηγίας κατέδειξε σηµαντική υστέρηση στην έκδοση των σχετικών Τεχνικών Οδηγιών, πράγµα που οδηγεί σε ταχεία ταυτόχρονη δραστηριοποίηση αρκετών υποεπιτροπών του CEN, σε µία συντονισµένη προσπάθεια που αναβαθµίζει την Ευρωπαϊκή τυποποίηση στον τοµέα των υπολογισµών ενεργειακής απόδοσης του Κτιρίου [ 5 ]. Η επικύρωση της Οδηγίας από το Ελληνικό Κοινοβούλιο, αναβαθµίζει de facto και στη Χώρα µας τον ρόλο του Μηχανολόγου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού στον τοµέα της Οικοδοµής, αφού τα περισσότερα από τα παραπάνω αντικείµενα αφορούν ειδικότητες του Μηχανολόγου Ηλεκτρολόγου. Παραδοσιακά στην Ελλάδα, µελέτες ενεργειακής προσοµοίωσης γινόταν κυρίως από Πανεπιστηµιακά Εργαστήρια, σε απλοποιηµένες γεωµετρίες και χαρακτηριστικά λειτουργίας Κτιρίων, µε ενδεικτικά αποτελέσµατα που δίνουν κάποιες γενικές κατευθύνσεις για τον Μελετητή 2
[ 6, 7, 8 ]. Αντίθετα, στο εξωτερικό, πολλά Πανεπιστηµιακά Εργαστήρια µελετούν περίπλοκες γεωµετρίες και συστήµατα [ 9, 10 ], αλλά και αρκετά αξιόλογα µελετητικά γραφεία εκπονούν πλήρεις ενεργειακές µελέτες [ 11 ]. Οι σηµαντικές απαιτήσεις σε ανθρωποώρες εισαγωγής δεδοµένων, preprocessing και υπολογιστικής εργασίας, αλλά κυρίως η έλλειψη κοινά αποδεκτής τυποποίησης των υπολογισµών, εµπόδιζε στη Χώρα µας την ένταξη αυτού του είδους των µελετών στη δέσµη µελετών ακόµη και των µεγάλων δηµόσιων κτιριακών έργων. Στις καλύτερες περιπτώσεις διεξάγονταν ενδεικτικές προσοµοιώσεις χωρίς την άρτια τεκµηρίωση και λειτουργικότητα που απαιτείται στις υπόλοιπες συµβατικές Ηλεκτροµηχανολογικές Μελέτες. Οσον αφορά τις απαιτήσεις πολυπλοκότητας των υπολογισµών, σύµφωνα µε την Οδηγία, για τα µικρότερα κτίρια προβλέπεται απλοποιηµένη διαδικασία steady state υπολογισµού της κατανάλωσης ενέργειας, που εκτιµά την κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση σε µηνιαία βάση. Οµως για τα κτίρια άνω των 1000 m 2 απαιτείται πλέον λεπτοµερής υπολογισµός της µεταβατικής θερµικής συµπεριφοράς του κτιρίου σε ωριαία βάση, που µπορεί να γίνει µε κάποιο από τα εν χρήσει πιστοποιηµένα προγράµµατα ενεργειακής προσοµοίωσης, όπως είναι το TRNSYS, το DOE-2, το ENERGYPLUS κτλ [ 12 ]. Ο υπολογισµός σε ωριαία βάση επιτρέπει επαρκή ακρίβεια στον υπολογισµό των θερµικών κερδών από τον ηλιασµό, τα οποία κατά κανόνα συνεισφέρουν σηµαντικά στην καταναλισκόµενη ενέργεια για ψύξη, αλλά επηρεάζουν και τη θέρµανση. Επίσης, ο υπολογισµός σε ωριαία βάση είναι κατά κανόνα απαραίτητος για τη βελτιστοποίηση του συστήµατος ελέγχου των εσωτερικών εγκαταστάσεων του κτιρίου. 2 Παράµετροι σχεδιασµού του κτιρίου που επηρεάζουν την κατανάλωση ενέργειας Παρακάτω συνοψίζονται κάποιες βασικές παράµετροι σχεδιασµού ενός κτιρίου που επηρεάζουν σηµαντικά την κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση ψύξη, φωτισµό και λοιπές λειτουργίες. 2.1 Χαρακτηριστικά της Πάγιας Υποδοµής του Κτιρίου Στον Πίνακα 1 συνοψίζονται ορισµένα χαρακτηριστικά της πάγιας υποδοµής του κτιρίου που επηρεάζουν σηµαντικά την κατανάλωση ενέργειας. Τα χαρακτηριστικά αυτά έχουν οµαδοποιηθεί σε τρείς κατηγορίες:(i) Στα γεωµετρικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του κελύφους - σκελετού, συµπεριλαµβανοµένου και του προσανατολισµού, (ii) στα κύρια χαρακτηριστικά των εγκαταστάσεων θέρµανσης ψύξης εξαερισµού και (iii) στα κύρια χαρακτηριστικά των φωτιστικών σωµάτων και του κινητού εξοπλισµού του κτιρίου. Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά σχεδιασµού της πάγιας υποδοµής του κτιρίου που επηρεάζουν σηµαντικά την ενεργειακή κατανάλωση ΚΕΛΥΦΟΣ ΘΕΣΗ- ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΚΤΙΡΙΟΥ Σχετική θέση του κτιρίου ως προς τον ήλιο. Γειτονικά κτίρια. Υλικά κατασκευής του κτιρίου: τοιχοποιία, σκελετός, ανοίγµατα Θερµοµόνωση κελύφους ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ / ΨΥΞΗΣ/ ΕΞΑΕΡΙΣΜΟΥ Σχεδιασµός και σύστηµα ελέγχου της θέρµανσης, ψύξης, εξαερισµού Επιµέρους βαθµοί απόδοσης εξοπλισµού- εγκατάστασεων θέρµανσης ψύξης - εξαερισµού Ανάκτηση ενέργειας Αξιοποίηση ηλιακής ενέργειας ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΓΡΑΦΕΙΟΥ /ΦΩΤΙΣΜΟΣ Ενταση φωτισµού ανά θέση εργασίας, εκµετάλλευση ηλιακού φωτός Τεχνολογία φωτιστικών σωµάτων, χαρακτηριστικά ενεργειακής απόδοσης Επιµέρους βαθµοί απόδοσης εξοπλισµού 2.2 Χαρακτηριστικά του Συστήµατος Ελέγχου του Κτιρίου Ιδιαίτερα σηµαντική εξοικονόµηση ενέργειας στα σύγχρονα κτίρια, µπορεί να γίνει µε κατάλληλες παρεµβάσεις στα συστήµατα και πρακτικές αυτόµατου ή χειροκίνητου ελέγχου των διαφόρων 3
λειτουργιών του κτιρίου. Για παράδειγµα, στον Πίνακα 2 συνοψίζονται ορισµένες χαρακτηριστικές παράµετροι ελέγχου της λειτουργίας των υποσυστηµάτων του κτιρίου που επηρεάζουν σηµαντικά την κατανάλωση ενέργειας. Εδώ µπορούµε να διακρίνουµε τρία επίπεδα ελέγχου: Το πρώτο επίπεδο υλοποιείται µε κατάλληλο προγραµµατισµό των ηλεκτρονικών συστηµάτων ελέγχου. Το δεύτερο επίπεδο υλοποιείται µε κατάλληλη εκπαίδευση του προσωπικού ασφαλείας /καθαρισµού του κτιρίου, και το τρίτο επίπεδο υλοποιείται από τους ίδιους τους εργαζοµένους, και πάλι µε κατάλληλη εκπαίδευση ώστε να καλλιεργηθεί κουλτούρα εξοικονόµησης ενέργειας µεταξύ τους. Πίνακας 2: Χαρακτηριστικές παράµετροι ελέγχου ορισµένων υποσυστηµάτων του κτιρίου που επηρεάζουν σηµαντικά την ενεργειακή κατανάλωση στη διάρκεια του έτους. ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΤΙΡΟΥ Κατάλληλη ρύθµιση παραµέτρων ελέγχου θέρµανσης -ψύξης -εξαερισµού Βελτιστοποίηση των τεχνικών χαρακτηριστικών του εξοπλισµού -χρονοδιακόπτες. ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΚΑΘΑΡΙΣΜΌΥ Κλείσιµο των φώτων Κλείσιµο πορτών παραθύρων Κλείσιµο κλιµατισµού επιµέρους χώρων Κλείσιµο των µηχανισµών σκίασης ΕΡΓΑΖΟΜΕΝΟΙ Κλείσιµο εξοπλισµού και φώτων κατά την αποχώρηση από το γραφείο ιατήρηση της θερµοκρασίας χώρου στους 20 o C ή χαµηλότερα το χειµώνα, 26 o C ή υψηλότερα το καλοκαίρι Χρήση των µέσων σκίασης Καλός αερισµός των χώρων για µικρά χρονικά διαστήµατα, όχι ανοικτά παράθυρα όλη µέρα. 3 Μελέτη περίπτωσης για Κτίριο Γραφείων Ο ρόλος της ενεργειακής προσοµοίωσης στην υποστήριξη σχεδιασµού του κελύφους και των εσωτερικών εγκαταστάσεων θα γίνει πιο κατανοητός µε το παράδειγµα που ακολουθεί. Το κτίριο αναφοράς για το παράδειγµά µας, είναι το κτίριο γραφείων του Σχήµατος 1, που λειτουργεί σε όλη τη διάρκεια του έτους. Το κτίριο έχει κάλυψη 1340 m 2, αποτελείται από Ισόγειο, 4 ορόφους και υπόγειο πάρκινγκ, συνορεύει δε στη ανατολική πλευρά του µε άλλο κτίριο. Ο κάθε όροφος αποτελείται από τρεις ζώνες γραφείων (Για παράδειγµα, οι ζώνες 1,2 και 3 του Σχήµατος 1, αφορούν τον 4 ο όροφο). Οι Ζώνες 1 και 3 του 4 ου ορόφου (και οι αντίστοιχες των υπόλοιπων ορόφων), περιλαµβάνουν από 8 ανεξάρτητα γραφεία η κάθε µια, ενώ η ζώνη 2 του 4 ου ορόφου (και οι αντίστοιχες των άλλων ορόφων), αποτελείται από 14 γραφεία. Στον κάθε όροφο υπάρχουν 2 κλιµακοστάσια και 2 WC. Όλα τα WC του κτιρίου έχουν οµαδοποιηθεί σε µια ζώνη, καθώς και όλα τα κλιµακοστάσια σε µία άλλη. Επιπλέον, το υπόγειο parking αντιµετωπίζεται ως µία επιπλέον ζώνη. Εποµένως συνολικά υπάρχουν 18 ζώνες. Για την ενεργειακή προσοµοίωση του κτιρίου χρησιµοποιήθηκε το λογισµικό TRNSYS 15.3 [ 13 ], που είναι ένα από τα δοκιµασµένα στην πράξη προγράµµατα ενεργειακής προσοµοίωσης. Στο Σχήµα 2 παρουσιάζεται το διάγραµµα µοντελοποίησης του κτιρίου στο περιβάλλον TRNSYS/ IISiBat. Σχετικά µε τα διαθέσιµα υπολογιστικά εργαλεία ενεργειακής προσοµοίωσης, τα οποία εξελίσσονται συνεχώς την τελευταία δεκαετία, βλ. και [ 14 ]. Στο κεφάλαιο αυτό συνοψίζονται οι τιµές των βασικών παραµέτρων σχεδιασµού και ελέγχου που εισήχθησαν στο ΤRNSYS για την ενεργειακή προσοµοίωση. 3.1 Γεωµετρικά δεδοµένα Υλικά κατασκευής του κτιρίου Η εισαγωγή των γεωµετρικών δεδοµένων του κελύφους έγινε µε τη βοήθεια του λογισµικού SIMCAD 1.3 [ 15 ], το οποίο έχει τη δυνατότητα να αξιοποιεί αρχεία από σχεδιαστικά προγράµµατα όπως το AutoCAD. Αφού εισαχθεί έτσι η βασική γεωµετρία του κτιρίου, εισάγονται στο SIMCAD τα υλικά κατασκευής και το πρόγραµµα υλοποιεί το αναγκαίο pre-processing για τη δηµιουργία του αρχείου εισόδου για το πρόγραµµα PREBID. Στη συνέχεια εισάγονται στο PREBID οι χαρακτηριστικές παράµετροι λειτουργίας του κτιρίου (βλ. 3.3). Το πρόγραµµα PREBID παράγει µε τη σειρά του ως αρχεία εξόδου, τα αναγκαία αρχεία εισόδου για την υπορουτίνα type 56 του TRNSYS (multi-zone building), βλ. Σχήµα 2. 4
3.2 Χαρακτηριστικά κελύφους σκελετού του κτιρίου Τα κύρια χαρακτηριστικά του κελύφους σκελετού του κτιρίου συνοψίζονται στον Πίνακα 3: Πίνακας 3 Ενδεικτικά κύρια χαρακτηριστικά κελύφους κτιρίου Είδος Στρώµατα Πάχος σε m άπεδο γραφείων άπεδο κοινόχρηστων χώρων οκάρια Τοίχοι εξωτερικοί και διαχωρισµού ζωνών Τοίχοι εσωτερικά στις ζώνες ώµα Πλακίδια Linoleum Γαρµπιλοµωσαικό Οπλισµένο σκυρόδεµα Μάρµαρο Ασβεστοκονίαµα Οπλισµένο σκυρόδεµα Ασβεστοκονίαµα Ασβεστοκονίαµα Οπλισµένο σκυρόδεµα Πολυστερίνη Ασβεστοκονίαµα Ασβεστοκονίαµα Τούβλο Πολυστερίνη Τούβλο Ασβεστοκονίαµα Γυψοσανίδα Υαλοβάµβακας Γυψοσανίδα Ασβεστοκονίαµα Οπλισµένο σκυρόδεµα Στεγάνωση Γεωύφασµα Πολυστερίνη Ταρατσόπλακες 0.003 0.025 0.200 0.020 0.020 0.200 0.020 0.020 0.200 0.060 0.020 0.020 0.090 0.060 0.090 0.020 0.012 0.050 0.012 0.020 0.200 0.002 0.002 0.060 0.020 3.2.1 Παράθυρα Όπως είναι γνωστό, η εφαρµογή υαλοπινάκων σύγχρονης τεχνολογίας µε ειδικές επιλεκτικές επιστρώσεις, (coatings), µπορεί να επηρεάσει σηµαντικά την κατανάλωση ενέργειας ενός κτιρίου για θέρµανση ψύξη. Βέβαια, η προαξιολόγηση της χρήσης παραθύρων µε τέτοιου είδους υαλοπίνακες σε ένα υπό µελέτη κτίριο, απαιτεί ενεργειακή προσοµοίωση του κτιρίου σε ωριαία βάση. Στο κτίριο αναφοράς του παραδείγµατος, οι εξωτερικοί υαλοπίνακες, πάχους 6 mm, έχουν ειδική επικάλυψη ηλιοπροστασίας στην εσωτερική πλευρά τους, ενώ οι εσωτερικοί υαλοπίνακες, πάχους 4 mm είναι χωρίς επικάλυψη (χαρακτηριστικά στον Πίνακα 4). Για την µοντελοποίηση της θερµικής και οπτικής συµπεριφοράς των υαλοπινάκων καθώς και ολόκληρων των ανοιγµάτων έχει χρησιµοποιηθεί το λογισµικό ανάλυσης θερµικής και οπτικής συµπεριφοράς παραθύρων WINDOW 5.2 [ 16 ], το οποίο συνοδεύεται από εκτεταµένη βάση δεδοµένων κατασκευαστών. Πίνακας 4 Ιδιότητες τυπικών υαλοπινάκων του κτιρίου Manufacturer/ Type Pilkington / Solar E Pilkington / Optifloat Clear Πάχος (mm) T sol R sol1 R sol2 T vis1 R vis1 R vis2 T ir ε 1 ε 2 λ 6 0.456 0.074 0.113 0.607 0.074 0.097 0.00 0.840 0.161 1.0 4 0.814 0.074 0.074 0.893 0.082 0.082 0.00 0.840 0.840 1.0 Επεξηγήσεις Πίνακα 4: 5
T sol :Συντελεστής διάδοσης ηλιακής ακτινοβολίας µέσα από τον υαλοπίνακα R sol1 / R sol2 : Συντελεστής ανάκλασης υαλοπίνακα, εξωτερική/ εσωτερική πλευρά. T vis :Συντελεστής διάδοσης ορατού φάσµατος ακτινοβολίας µέσα από τον υαλοπίνακα. R vis1 / R vis2 :Συντελεστές ανάκλασης ορατού φάσµατος ακτινοβολίας, εξωτερική/ εσωτερική πλευρά υαλοπίνακα. T ir :Συντελεστής διάδοσης ηλιακής ακτινοβολίας µεγάλου µήκους κύµατος (θερµική υπέρυθρη). ε 1 / ε 2 : Συντελεστές εκποµπής εξωτερικής/ εσωτερικής επιφάνειας υαλοπίνακα στο υπέρυθρο φάσµα (longwave). λ: Συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας γυαλιού (W/m-K). Στον Πίνακα 5 φαίνονται τα κύρια χαρακτηριστικά θερµοπερατότητας λόγω αγωγής-συναγωγής και ακτινοβολίας των παραθύρων, συµπεριλαµβανοµένου και του πλαισίου από αλουµίνιο. Πίνακας 5 Χαρακτηριστικά παραθύρων περιλαµβανοµένου και του πλαισίου (αλουµίνιο) Tύπος Παραθύρου Πρότυπο παράθυρο Κοινό διπλό παράθυρο SOLARE6.LOF 12 mm αέρας CLEAR4.LOF CLEAR4.LOF 12 mm αέρας CLEAR4.LOF U* (W/m 2 K) U** (W/m 2 K) g T sol R f-sol T vis 1.9 3.17 0.463 0.380 0.092 0.547 2.71 3.85 0.705 0.365 0.091 0.803 Επεξηγήσεις Πίνακα 5: U*: συντελεστής θερµοπερατότητας στην κεντρική περιοχή του παραθύρου, U**: συνολικός συντελεστής θερµοπερατότητας, g: παράγων ηλιακού κέρδους σε γωνία 0 o, R f-sol : συντελεστής ανάκλασης στο ηλιακό φάσµα σε γωνία πρόσπτωσης 0 o, T sol : συντελεστής µετάδοσης στο ηλιακό φάσµα σε γωνία πρόσπτωσης 0 o, T vis : συντελεστής µετάδοσης στο ορατό φάσµα σε γωνία πρόσπτωσης 0 o. 3.3 Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας του κτιρίου Οι ώρες λειτουργίας αναφοράς του κτιρίου που δεχόµαστε για τους συγκεκριµένους υπολογισµούς, είναι 07:30 19:30 από ευτέρα έως Παρασκευή και 09:00-14:30 το Σάββατο. Ο Πίνακας 6 περιέχει τα set points του συστήµατος θέρµανσης ψύξης στους χώρους εργασίας, τόσο για την χειµερινή όσο και για την θερινή περίοδο. Σηµειώνεται ότι εδώ πρόκειται για το προκαταρκτικό στάδιο της προσοµοίωσης, (προµελέτη), όπου θεωρείται ότι το σύστηµα θέρµανσης - ψύξης µπορεί να δώσει ανά πάσα στιγµή την απαιτούµενη ισχύ για την αντιµετώπιση των στιγµιαίων φορτίων. Στο στάδιο αυτό υποτίθεται ιδανικό σύστηµα ελέγχου της θέρµανσης ψύξης χωρίς υστερήσεις. Η προσοµοίωση του συστήµατος ελέγχου, θα γίνει σε επόµενο στάδιο, (οριστική µελέτη), όπου µοντελοποιείται ο συγκεκριµένος εξοπλισµός εγκαταστάσεις. Πίνακας 6 Συνθήκες ρύθµισης του κλιµατισµού / θέρµανσης Χώρος Θερµοκρασία ρύθµισης Σχετική υγρασία Αερισµός Θέρµανση Ψύξη Θέρµανση Ψύξη Εναλλαγές/ώρα Ώρες λειτουργίας του συστήµατος θέρµανσης ή ψύξης µόνο κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κτιρίου Parking - - - - 1* Ζώνες 1-15 21 o C 26 o C 20%-30% 50%-60% 1,2 ή 4 (Γραφεία) Κλιµακοστάσιο 20 o C 26 o C - - 1* WC 20 o C 26 o C - - 1* 3.3.1 Φωτισµός Η κατανάλωση ενέργειας για φωτισµό εκτιµάται σε 17 W/m 2 για τους χώρους των γραφείων, καθώς και σε 5 W/m 2 για τους χώρους εξυπηρέτησης (κλιµακοστάσια, WC, χώρους στάθµευσης). 6
3.3.2 Εξοπλισµός γραφείου Γίνεται η παραδοχή ότι σε κάθε γραφείο υπάρχουν 1 ή 2 Η/Υ οι οποίοι λειτουργούν ανάλογα µε τον αριθµό των ατόµων που βρίσκονται στο κάθε γραφείο, καθώς και ένας εκτυπωτής. Ο αριθµός των ατόµων υπολογίζεται σε 1 έως 2 άτοµα ανά γραφείο ανάλογα µε την ώρα της ηµέρας. 3.4 Κλιµατολογικά δεδοµένα Ενα βασικό αρχείο εισόδου που είναι απαραίτητο για την ενεργειακή προσοµοίωση σε ωριαία βάση, είναι το αρχείο τυπικών µετεωρολογικών δεδοµένων. Οπως είναι γνωστό, οι υπολογισµοί Ενεργειακής Προσοµοίωσης απαιτούν ειδική τυποποίηση µετεωρολογικών δεδοµένων, µε τη µορφή του «Τυπικού Μετεωρολογικού Έτους» (Typical Meteorological Year TΜΥ, περισσότερα στο [ 17 ]). Το ΤΜΥ που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα προσοµοίωση δεν είναι γνήσιο (δεν υπάρχουν τα απαιτούµενα λεπτοµερή µετεωρολογικά δεδοµένα εικοσαετίας): δηµιουργήθηκε τεχνητά από κατάλληλη υπορουτίνα του TRNSYS, µε βάση µέσα µηνιαία στοιχεία που µας παρείχε η ΕΜΥ για την πόλη του Βόλου (Σχήµα 3). Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιήθηκαν οι µέσες µηνιαίες θερµοκρασίες, οι µέσες µηνιαίες σχετικές υγρασίες και οι µέσες µηνιαίες ταχύτητες ανέµου των ετών 1956-1988, καθώς και η ολική µηνιαία ηλιακή ακτινοβολία των ετών 1996-2000. 4 Αποτελέσµατα Παραµετρικής Μελέτης - Συζήτηση Η ενεργειακή προσοµοίωση χρησιµοποιείται στο συγκεκριµένο παράδειγµα για την εκτίµηση της επίδρασης της µεταβολής των παρακάτω παραµέτρων στις ενεργειακές απαιτήσεις θέρµανσης και ψύξης του υπό µελέτη κτιρίου σε όλη τη διάρκεια του έτους: Επιφάνεια ανοιγµάτων Συντελεστής θερµοπερατότητας και τεχνολογία παραθύρων Στρατηγική Αερισµού (εναλλαγές/ώρα) Θερµοµόνωση κελύφους Θερµοχωρητικότητα κτιρίου Σηµειώνεται ότι, όπως φαίνεται και από το µοντέλο ενεργειακής προσοµοίωσης που χρησιµοποιήθηκε, (Σχήµα 2), περιοριζόµαστε στην εκτίµηση των ενεργειακών απαιτήσεων κάθε χώρου, µε βάση τα δεδοµένα της προµελέτης του κτιρίου. εν περιλαµβάνεται εδώ ο ακριβέστερος υπολογισµός µε βάση τις επιµέρους αποδόσεις και απώλειες του συγκεκριµένου εξοπλισµού που χρησιµοποιείται (λέβητες, ψύκτες, κυκλοφορητές, αεραγωγοί, φυσητήρες κτλ), ο οποίος είναι επίσης εφικτός µε το TRNSYS, αλλά απαιτεί πιό λεπτοµερή µοντελοποίηση, αφού πρώτα έχει επιλεγεί και διαστασιολογηθεί το σύστηµα και η εγκατάσταση θέρµανσης κλιµατισµού (εποµένως µπορεί να εφαρµοστεί µόνο στο στάδιο οριστικής µελέτης του κτιρίου). Πίνακας 7 Εύρος µεταβολής των διαφόρων παραµέτρων κατά την παραµετρική µελέτη Παράµετρος Τιµή αναφοράς Εύρος εξεταζόµενων τιµών Αποτελέσµατα Επιφάνεια ανοιγµάτων Παράθυρα ύψους 1.2m Παράθυρα ύψους 3m Σχήµα 4 K επιλεκτικότητα παραθύρων Παράθυρα ύψους 1.2m, Κ=3.17 W/m 2 K Παράθυρα ύψους 1.2m, Κ=3.85 W/m 2 -K Σχήµα 4 Στρατηγική Αερισµού 1 εναλλαγή /ώρα 1-4 εναλλαγές /ώρα Σχήµα 5 Θερµοµόνωση Πάχος µόνωσης 6 cm Πάχος µόνωσης 12cm Σχήµατα 6,7 Θερµοχωρητικότητα Κτιρίου Τιµές αναφοράς ελαφρής κατασκευής Εως διπλάσια της τιµής αναφοράς (βαρειά κατασκευή) Σχήµατα 8,9,10 Για καλύτερη εποπτεία των προσοµοιώσεων, συνοψίζονται στον Πίνακα 7 οι κύριες παράµετροι που µεταβλήθηκαν στη διάρκεια των ενεργειακών προσοµοιώσεων, µαζί µε τις περιοχές µεταβολής τους. Στη συνέχεια γίνεται σύντοµη συζήτηση και επεξήγηση των αποτελεσµάτων των υπολογισµών, ώστε να διασαφηνιστεί ο ρόλος της ενεργειακής προσοµοίωσης στη βελτιστοποίηση του ενεργειακού σχεδιασµού του κτιρίου. Στα αποτελέσµατα των προσοµοι- 7
ώσεων, τα ετήσια θερµικά και ψυκτικά φορτία εκφράζονται ανα m 2 θερµαινόµενης επιφάνειας (δηλαδή τα φορτία διαιρούνται µε τη συνολική επιφάνεια όλων των ζωνών πλην του parking). 4.1 Επίδραση επιφάνειας και θερµοπερατότητας/ επίστρωσης ανοιγµάτων Σύµφωνα µε τους υπολογισµούς, η αύξηση της επιφάνειας των ανοιγµάτων, (µεγαλύτερα παράθυρα), αναµένεται να επιβαρύνει τα συνολικά ετήσια ψυκτικά φορτία, µε παράλληλη µικρή µείωση των ετήσιων θερµικών φορτίων (Σχήµα 4): Η αύξηση που εξετάζεται εδώ, αφορά µόνο το ύψος των παραθύρων (από 1.2 m σε 3 m), ενώ το πλάτος παραµένει σταθερό. Η εκτιµώµενη µείωση των ετήσιων θερµικών φορτίων είναι 6% και η αντίστοιχη αύξηση των ετήσιων ψυκτικών φορτίων είναι 27%. Προφανώς, η αύξηση της επιφάνειας των ανοιγµάτων οδηγεί σε αύξηση των ηλιακών κερδών στο εσωτερικό του κτιρίου, µε αποτέλεσµα τη µείωση των θερµικών φορτίων το χειµώνα, αλλά και την αύξηση των ψυκτικών φορτίων το καλοκαίρι. Φυσικά από εκεί και πέρα υπάρχει η δυνατότητα χρήσης σκιάστρων ηλιοπροστασίας, η θέση και µέγεθος των οποίων επίσης βελτιστοποιείται µε χρήση της ενεργειακής προσοµοίωσης σε ωριαία βάση. Φυσικά, πέρα από τη θερµική συµπεριφορά, η θέση και το µέγεθος κάθε ανοίγµατος επηρεάζει και τη στάθµη του φυσικού φωτισµού που επιτυγχάνεται, πράγµα που θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη στους σχετικούς φωτοτεχνικούς υπολογισµούς [ 18 ]. Εκτός από την εκτίµηση της επίδρασης της επιφάνειας των ανοιγµάτων, στο Σχήµα 4 παρουσιάζεται και εκτίµηση της επίδρασης της χρήσης και στα εξωτερικά παράθυρα, των κοινών διπλών υαλοπινάκων, έναντι των πρότυπων υαλοπινάκων του Πίνακα 5: όπως αναµένεται, προκύπτει κάποια σηµαντική οικονοµία στα συνολικά ετήσια ψυκτικά φορτία µε τη χρήση των πρότυπων παραθύρων. Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι οι υπολογισµοί δεν βασίζονται απλά στο συντελεστή θερµοπερατότητας του παραθύρου, αλλά και στις διαφορετικές ιδιότητες των υαλοπινάκων των ανοιγµάτων όσον αφορά την ανάκλαση, διάδοση και εκποµπή ακτινοβολίας στα διάφορα µήκη κύµατος, που περιγράφονται από τις οικείες παραµέτρους στους πίνακες 4 και 5. Τα παράθυρα µε κοινούς διπλούς υαλοπίνακες έχουν, εκτός από τον αυξηµένο συντελεστή θερµοπερατότητας (3.85 W/m 2 K έναντι 3.17 W/m 2 K των πρότυπων παραθύρων), και απώλεια της επιλεκτικότητας βλ. Πίνακα 5. Γίνεται αντιληπτή η πολυπλοκότητα του προβλήµατος της αξιολόγησης της χρήσης παραθύρων υψηλής τεχνολογίας, που απαιτεί οπωσδήποτε τη χρήση ενεργειακής προσοµοίωσης του κτιρίου σε ωριαία βάση. 4.2 Επίδραση της στρατηγικής αερισµού Ο αερισµός των χώρων έχει ως στόχο να προσφέρει στους ενοίκους του κτιρίου αφενός συνθήκες άνεσης και αφετέρου να ελαχιστοποιήσει την αθροιστική επιβάρυνση της υγείας τους από κακή ποιότητα εσωτερικού αέρα. Οι προσπάθειες για αντικατάσταση των σχετικών επιµέρους εθνικών προτύπων από ένα ενιαίο Ευρωπαϊκό Πρότυπο, έχουν µέχρι στιγµής αποτύχει, επειδή προέκυψε ότι η εκτίµηση των αναγκαίων ποσοτήτων νωπού αέρα στις διάφορες κατηγορίες χώρων διαφέρει σηµαντικά από Χώρα σε Χώρα [ 19 ], κυρίως λόγω του υψηλού ενεργειακού κόστους του εξαερισµού στα ψυχρά κλίµατα. Βέβαια, κάθε κτίριο, εκτός από τον τεχνητό εξαερισµό, έχει και τον φυσικό εξαερισµό που εξαρτάται από τον αεροστεγανότητα των ανοιγµάτων του. Εδώ χρησιµοποιήθηκαν τυπικές τιµές αεροστεγανότητας παραθύρων σε όλα τα τρεξίµατα. Οσον αφορά τον επιπλέον αερισµό µε εισαγωγή νωπού αέρα από το σύστηµα κλιµατισµού, εξετάζονται τρείς εναλλακτικές στρατηγικές µε εφαρµογή, σε αυτό το στάδιο, 1, 2 ή 4 εναλλαγών ανά ώρα σε όλους τους κύριους χώρους (όλες οι ζώνες γραφείων δηλαδή 1 έως 15). Οι υπόλοιπες 3 ζώνες (κλιµακοστάσια, WC και parking), διατηρούν την ίδια στρατηγική αερισµού (1 εναλλαγή ανά ώρα Πίνακας 6). Σε όλες τις περιπτώσεις θεωρούµε ότι ο νωπός αέρας που εισέρχεται στο κτίριο έχει την θερµοκρασία και υγρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος. Όπως φαίνεται από τα συνολικά αποτελέσµατα στο Σχήµα 5, η αύξηση της ποσότητας νωπού αέρα που εισέρχεται στο κτίριο υπολογίζεται ότι έχει πολύ σηµαντικότερη επίπτωση στην επιβάρυνση των ετήσιων θερµικών φορτίων. Με βάση την τιµή αναφοράς (1 εναλλαγή ανά ώρα), προβλέπεται αύξηση κατά 70% και 200% αντίστοιχα για τις 2 και 4 εναλλαγές ανά ώρα, στα συνολικά ετήσια θερµικά φορτία. Προφανώς το κτίριο είναι επαρκώς θερµοµονωµένο ώστε να 8
προκύπτει σηµαντική ποσοστιαία αύξηση των συνολικών θερµικών φορτίων από τον αερισµό. Αντίθετα, στην ψύξη, η ποσοστιαία αύξηση των συνολικών ψυκτικών φορτίων µε αύξηση του αερισµού, δεν προκύπτει σηµαντική, λόγω µικρότερης µέσης διαφοράς εσωτερικής εξωτερικής θερµοκρασίας κατά την περίοδο ψύξης, που οφείλεται εν µέρει και στο το κλίµα της περιοχής. 4.3 Επίδραση θερµοµόνωσης κελύφους Ως θερµοµονωτικό υλικό τόσο στην εξωτερική τοιχοποιία όσο και στο δώµα καθώς και στο δάπεδο πάνω από το υπόγειο parking χρησιµοποιήθηκαν πλάκες εξηλασµένης πολυστερίνης πάχους 6 cm. Μελετήθηκε η επίδραση της αύξησης του µέσου πάχους της µόνωσης του κελύφους από 6cm (τιµή αναφοράς), σε 12cm. Αξίζει να τονιστεί εδώ ότι στην Β. Ευρώπη ήδη κατασκευάζονται κτίρια γραφείων µε πάχος θερµοµόνωσης που φτάνει ακόµη και στην τάξη των 30-40 cm [ 20 ]. Για να γίνει πιό κατανοητή η επίδραση της αύξησης της µόνωσης στην µεταβατική θερµική συµπεριφορά του κτιρίου, παρουσιάζεται στο Σχήµα 6 συγκριτικά η διακύµανση των θερµοκρασιών χώρου της ζώνης 3 (4 ος όροφος), µαζί µε την εξωτερική θερµοκρασία και τα συνολικά στιγµιαία θερµικά φορτία της ζώνης, στη διάρκεια 4 ηµερών (96 ωρών) κατά τη χειµερινή περίοδο, µε χαµηλές γενικά εξωτερικές θερµοκρασίες. Πρόκειται για απόσπασµα από τη συνολική προσοµοίωση για όλη τη διάρκεια του έτους (8760 ώρες), µε βάση την οποία προκύπτουν τα ετήσια θερµικά φορτία. Εάν εξετάσουµε τη διακύµανση των σχετικών µεγεθών στο Σχήµα 6, προκύπτει ότι η θερµοκρασία στο εσωτερικό της ζώνης 3 για το πρότυπο κτίριο, όταν δεν λειτουργεί το σύστηµα θέρµανσης, πέφτει αισθητά χαµηλότερα από ότι σε αυτό µε την διπλάσια θερµοµόνωση (σύγκριση κόκκινης µε πορτοκαλί καµπύλη). Αυτό επηρεάζει αντίστοιχα τα µέγιστα στιγµιαία θερµικά φορτία, που µειώνονται αισθητά µε τη διπλάσια µόνωση (σύγκριση πράσινης µε ανοιχτή πράσινη καµπύλη). Με βάση τα συνολικά αποτελέσµατα για τις συνολικά 8760 ώρες του έτους, (δεν παρουσιάζεται εδώ λόγω όγκου), προκύπτει ότι τα µέγιστα στιγµιαία θερµικά φορτία φτάνουν τα 354 kw µε τα 12cm µόνωση, έναντι 456 kw µε τα 6 cm µόνωση, δηλαδή η απαιτούµενη µέγιστη ισχύς του λέβητα µειώνεται κατά 22%. Αντίστοιχα, η απαιτούµενη µέγιστη ισχύς ψύξης µειώνεται από 527 kw σε 499 kw δηλαδή κατά 5% περίπου, λόγω της αύξησης του πάχους µόνωσης στα 12cm. Οπότε πέρα από την µείωση της κατανάλωσης ενέργειας που επιτυγχάνεται µε την διπλάσια θερµοµόνωση, έχουµε και σηµαντική µείωση του κόστους εξοπλισµού. Στο Σχήµα 7 βλέπουµε την αναµενόµενη µείωση στην ετήσια κατανάλωση ενέργειας τόσο για την θέρµανση όσο και για την ψύξη του κτιρίου. 4.4 Επίδραση θερµοχωρητικότητας κελύφους Για τη µελέτη της επίδρασης της θερµοχωρητικότητας του κτιρίου στην ετήσια κατανάλωση ενέργειας, συγκρίναµε το βασικό κτίριο µε ένα άλλο κτίριο πανοµοιότυπης γεωµετρίας, αλλά µε βαρύτερη κατασκευή που καταλήγει σε διπλάσια θερµοχωρητικότητα. Όπως βλέπουµε από το Σχήµα 8, η ετήσια κατανάλωση ενέργειας για θέρµανσης εκτιµάται ότι αυξάνεται ελάχιστα, ενώ της ψύξης µειώνεται σε ένα ποσοστό της τάξης του 3%. Το σηµαντικότερο όµως φαίνεται από το Σχήµα 9 και Σχήµα 10, όπου παρουσιάζονται οι διακυµάνσεις των θερµορασιών και στιγµιαίων θερµικών φορτίων της ζώνης 3 (4ος όροφος), στη διάρκεια 4 ηµερών (96 ωρών) της χειµερινής περιόδου µε χαµηλές γενικά εξωτερικές θερµοκρασίες, και αντίστοιχα 4 ηµερών στη διάρκεια της θερινής περιόδου µε υψηλές γενικά εξωτερικές θερµοκρασίες: Τόσο κατά την περίοδο θέρµανσης όσο και κατά την περίοδο ψύξης, ανάλόγα µε τις συνθήκες του εξωτερικού περιβάλλοντος(θερµοκρασία, ηλιακή ακτινοβολία) εµφανίζεται σηµαντική διαφορά στα µέγιστα στιγµιαία θερµικά φορτία. Συνέπεια του γεγονότος αυτού είναι η µείωση της απαιτούµενης µέγιστης ισχύος του εξοπλισµού θέρµανσης (βλ. προηγούµενη παράγραφο) κατά 23% και του εξοπλισµού ψύξης κατά 7%, µε αποτέλεσµα την αποφυγή υπερδιαστασιολόγησης του συστή- µατος, µείωση κόστους επένδυσης εξοπλισµού, εξοικονόµηση όγκου εγκαταστάσεων (αεραγωγών, λεβήτων, ψυκτών), λειτουργία πλησιέστερα στο πλήρες φορτίο, λιγότερα έξοδα συντήρησης. 5 Συµπεράσµατα Προοπτικές Η επικύρωση της Οδηγίας 2002/91/EC από το Ελληνικό Κοινοβούλιο, ανοίγει το δρόµο για εφαρµογή από τον σύγχρονο Μηχανολόγο Ηλεκτρολόγο Μηχανικό, εξελιγµένων υπολογιστικών εργαλείων ενεργειακής προσοµοίωσης κτιρίων που αναβαθµίζουν το επίπεδο των Μελετών στον 9
τοµέα της Οικοδοµής. Ο ρόλος της ενεργειακής προσοµοίωσης στην υποστήριξη σχεδιασµού του κελύφους και των εσωτερικών εγκαταστάσεων επεξηγείται στο παράδειγµα υποστήριξης της προµελέτης ενός τετραώροφου κτιρίου γραφείων, µε χρήση του λογισµικού TRNSYS. Παρουσιάζονται και συζητούνται τυπικά αποτελέσµατα ενεργειακών προσοµοιώσεων για τη µελέτη της επίδρασης διαφορετικών επιλογών σχεδιασµού όσον αφορά την επιφάνεια ανοιγµάτων, την τεχνολογία των παραθύρων, τη στρατηγική αερισµού, τη θερµοµόνωση του κελύφους και την ελαφρά ή βαρύτερη κατασκευή του σκελετού τοιχοποιίας, στα συνολικά θερµικά και ψυκτικά φορτία του κτιρίου στη διάρκεια του έτους. Προφανώς, µε τα συγκεκριµένα υπολογιστικά εργαλεία µπορεί να µελετηθεί η επίδραση πολύ περισσότερων παραµέτρων σχετικών µε τη θέση, τον προσανατολισµό του κτιρίου, την ύπαρξη γειτονικών κτιρίων, το κλίµα της περιοχής, τα υλικά κατασκευής, τα ωράρια λειτουργίας του κτιρίου κτλ. Επίσης, οι σχετικοί υπολογισµοί µπορούν να επεκταθούν µε πιό λεπτοµερή τρόπο ώστε να υποστηρίξουν τη φάση της οριστικής µελέτης, όπου θα ληφθούν υπόψη οι λεπτοµέρειες σχεδιασµού των συστηµάτων θέρµανσης κλιµατισµού και οι επιµέρους βαθµοί απόδοσης του εξοπλισµού και των εγκαταστάσεων. Με βάση τα παραπάνω, η ενεργειακή προσοµοίωση αποτελεί ένα πολύτιµο εργαλείο στα χέρια του Μηχανολόγου - Ηλεκτρολόγου, που ανοίγει τους ορίζοντες στο κύκλωµα µελέτης κατασκευής των κτιρίων, καθώς επιτρέπει την οικονοµοτεχνική προαξιολόγηση διαφορετικών φιλοσοφιών σχεδιασµού, που αναµένεται να οδηγήσουν σε σηµαντική εξοικονόµηση ενέργειας στον κτιριακό τοµέα την ερχόµενη δεκαετία. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1 Dick van Dijk and Marleen Spiekman (eds.): Energy Performance of Buildings Outline for Harmonized EP Procedures, Final Report, June 29, 2004. ENPER-TEBUC Study, Task B6. http://www.enper.org/pub/html_b6/enper_b6_final.html 2 ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΚΟΙΝΟΤΗΤΩΝ: Πρόταση Οδηγίας του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συµβουλίου για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων. COM (2001) 226 τελικό 2001/0098 (COD). 3 ISIS - Rome: MURE II Database: Measures d Utilization Rationelle de l Energie. http://www.isis-it.com/mure/ 4 Οδηγία 2002/91/ΕC του Ευρωπαϊκου Κοινοβουλίου και του Συµβουλίου της 16ης εκεµβρίου 2002 5 CEN Draft Standards to Support the Energy Performance of Buildings Directive. Progress and Contact Details (September 2004). http://europa.eu.int/comm/energy/demand/legislation/doc/2004_09_cen_progress_report.pdf 6 G.A. Florides, S.A. Kalogirou, S.A. Tassou L.C. Wrobel: Modeling of the modern houses of Cyprus and energy consumption analysis. Energy 25 (2000) 915-937 7 A. Niachou, K. Papakonstantinou, M. Santamouris, A. Tsangrassoulis, G. Mihalakakou: Analysis of the Green Roof Thermal Properties and Investigation of its Energy Performance. Energy and Buildings 33 (2001) 719-729 8 G.A. Florides, S.A. Tassou, S.A. Kalogirou, L.C. Wrobel: Evolution of domestic dwellings in Cyprus and energy analysis. Renewable Energy 23 (2001) 219 234 9 Li Mei, David Infield, Ursula Eicker, Volker Fux: Thermal Modeling of a Building with an Integrated Ventilated PV façade. Energy and Buildings 35 (2003) 605-617. 10 C.K. Cheung, R.J. Fuller, M.B. Luther: Energy-efficient envelope design for high-rise apartments. Energy and Buildings 37 (2005) 37 48 11 Andreas Georg, Wolfgang Graf, Dietmar Schweiger, Volker Wittwer, Peter Nitz and Helen Rose Wilson:Switchable Glazing With A Large Dynamic Range In Total Solar Energy Transmittance (TSET). Solar Energy Vol. 62, No. 3, pp. 215 228, 1998. 12 J. Neymark, R. Judkoff, G. Knabe, H.-T. Le, M. Duerig, A. Glass, G. Zweifel: Applying the Building Energy Simulation Test (BESTEST) Diagnostic Method to Verification of Space Conditioning Equipment Models Used in Whole-Building Energy Simulation Programs. Energy and Buildings 34 (2002) 917 931 13 S.A. Klein et al.: TRNSYS 15 Manual. Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin - Madison, 1998. 14 Ζώγου Ολυµπία: Eνεργειακή Μελέτη: Προτάσεις για παραπέρα επεξεργασία - εξειδίκευση ενός βασικού άξονα του Σχεδίου ράσης του ΥΠΕΧΩ Ε: «ENEΡΓΕΙΑ 2001». Μέρος Α. ελτίο Πανελληνίου Συλλόγου ιπλ. Μηχανολόγων Ηλεκτρολόγων, Μάρτιος 1998 σελ. 64-67. Μέρος Β. ελτίο ΠΣ Μ Η, Απρίλιος 1998, σ.56-63. 15 Werner Keilholz and David Bradley: SIMCAD Manual, SIMCAD 1.3 Upgrade description. CSTB, December 2001 16 WINDOW 5.2 Software for Analyzing Window Thermal and Optical Performance. Building Technologies Department/ Building Technologies Program Lawrence Berkeley National Laboratory 17 Ζώγου Ολυµπία: Τυπικά Μετεωρολογικά εδοµένα για υποστήριξη Ενεργειακών Μελετών. Μέρος Α. ελτίο ΠΣ Μ-Η, εκέµβριος 1998, σελ. 60-65. Μέρος Β. ελτίο ΠΣ Μ-Η, Ιανουάριος 1999, σελ. 66-70. 18 T. R. Nielsen, K. Duer αnd S. Svendsen: Energy Performance of Glazings and Windows Solar Energy Vol. 69 (Suppl.), Nos. 1 6, pp. 137 143, 2000 19 CEN TC 156: Draft Standard prenv 1752, Ventιlation for buildings, Indoor environment 1997 (rejected and published as Technical Report CR 1752). 20 Jens Knissel: Energieeffiziente Bürogebäude mit reduzierten internen Wärmequellen und Wärmeschutz auf Passivhausniveau. PhD Thesis, TU Berlin, Fakultät III Prozesswissenschaften 2002 10
ΣΥΝΤΟΜΟ ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ Η Ολυµπία Ζώγου είναι ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός του ΑΠΘ. Είναι Μελετήτρια Μηχανικός (Β Τάξη Πτυχίου στις Κατηγορίες Ηλεκτροµηχανολογικών και Ενεργειακών) και συνεργάζεται την τελευταία πενταετία σε έργα έρευνας και ανάπτυξης µε το Εργαστήριο Θερµοδυναµικής & Θερµικών Μηχανών του Τµήµατος Μηχανολόγων του Πανεπιστηµίου Θεσσαλίας. Ο Τάσος Σταµατέλλος είναι ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ και ιδάκτωρ Μηχανολόγος Μηχανικός του ΑΠΘ. Είναι Αν. Καθηγητής και ιευθυντής του Εργαστηρίου Θερµοδυναµικής & Θερµικών Μηχανών του Τµήµατος Μηχανολόγων του Πανεπιστηµίου Θεσσαλίας. ιεύθυνση: Εργαστήριο Θερµοδυναµικής & Θερµικών Μηχανών, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιοµηχανίας, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας. Πεδίον Αρεως, 383 34 Βόλος. Τηλέφωνο: 24210 74013, 74097. Email: olyz@uth.gr http://www.mie.uth.gr/labs/ltte/grk/info/info.htm Σχήµα 1 Τυπική κάτοψη, όψη και τοµή τού κτιρίου του παραδείγµατος 11
Σχήµα 2 ιάγραµµα µοντελοποίησης του κτιρίου στο γραφικό περιβάλλον του TRNSYS/ IISiBat 12
Σχήµα 3 Βασικά κλιµατολογικά δεδοµένα της πόλης Βόλου 13
Σχήµα 4 Επίδραση µεγέθους και θερµοπερατότητας τεχνολογίας παραθύρων στην ετήσια κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση - ψύξη 14
Σχήµα 5 Επίδραση της ποσότητας νωπού αέρα στην ετήσια κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση ψύξη του κτιρίου 15
Σχήµα 6 ιακύµανση χαρακτηριστικών µεγεθών λειτουργίας του συστήµατος θέρµανσης στη ζώνη 3 (4 ος όροφος) στη διάρκεια 4 ηµερών (96 ωρών) κατά τη χειµερινή περίοδο, για κτίρια διαφορετικού µέσου πάχους θερµοµόνωσης 16
Σχήµα 7 Επίδραση του πάχους της µόνωσης στην ετήσια κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση ψύξη του κτιρίου 17
Σχήµα 8 Επίδραση της θερµοχωρητικότητας του κτιρίου στην ετήσια κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση ψύξη του κτιρίου 18
Σχήµα 9 ιακύµανση χαρακτηριστικών µεγεθών λειτουργίας του συστήµατος θέρµανσης στη ζώνη 3 (4 ος όροφος), στη διάρκεια 4 ηµερών (96 ωρών) κατά τη χειµερινή περίοδο, για κτίρια διαφορετικής θερµοχωρητικότητας (ελαφράς και βαρύτερης κατασκευής) 19
Σχήµα 10 ιακύµανση χαρακτηριστικών µεγεθών λειτουργίας του συστήµατος ψύξης στη ζώνη 3 (4 ος όροφος), στη διάρκεια 4 ηµερών (96 ωρών) κατά τη θερινή περίοδο, για κτίρια διαφορετικής θερµοχωρητικότητας (ελαφράς και βαρύτερης κατασκευής) 20