Eco Building Conference-Κτίρια Μηδενικής Κατανάλωσης Σάββατο 11 Δεκεμβρίου 2010 Κτίρια Μηδενικής Κατανάλωσης Διεθνής Εμπειρία και μελέτες περίπτωσης Δρ. Δ. Κολοκοτσά Επίκουρη Καθηγήτρια
ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΟΔΗΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΤΙΡΙΩΝ 2002/91/ΕΚ ΚΤΙΡΙΑ ΜΗΔΕΝΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ (net Zero Energy Buildings NZEB) Εκτεταμένη εφαρμογή Σε όλα τα κτίρια
ΝΕΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΗ ΑΠΌ ΤΟ 2009 Τα κτίρια ευθύνονται για το 40% της κατανάλωσης υψηλότεροι στόχοι Κτίρια Μηδενικής Ενεργειακής Κατανάλωσης Απρίλιος 2009: E. Κοινοβούλιο : Απαίτηση για επιπλέον Παράρτημα στο EPBD: Όλα τα νέα κτίρια θα πρέπει να είναι Μηδενικής Κατανάλωσης από το 2018! 18.11.2009: Το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο και Συμβούλιο αποφάσισε ότι όλα τα νέα κτίρια μετά το 2020 θα πρέπει να είναι μηδενικής κατανάλωσης μετά το 2020 και κάποια από το 2018.
ΟΡΙΣΜΟΣ «NZEB» οδηγία 2010/31 «Κτίριο με σχεδόν μηδενική κατανάλωση ενέργειας»: κτίριο με πολύ υψηλή ενεργειακή απόδοση, προσδιοριζόμενη σύμφωνα με το παράρτημα Ι. Η σχεδόν μηδενική ή πολύ χαμηλή ποσότητα ενέργειας που απαιτείται θα πρέπει να συνίσταται σε πολύ μεγάλο βαθμό σε ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές, περιλαμβανομένης της παραγομένης επιτόπου ή πλησίον του κτιρίου. Παράρτημα I: Η μεθοδολογία καθορίζεται λαμβανομένων υπόψη τουλάχιστον των ακόλουθων παραγόντων: Α)τα ακόλουθα πραγματικά θερμικά χαρακτηριστικά του κτιρίου (συμπεριλαμβανομένων των εσωτερικών χωρισμάτων του: i) θερμοχωρητικότητα, ii) μόνωση, iii) παθητική θέρμανση, iv) στοιχεία ψύξης και v) θερμικές γέφυρες Β)εγκατάσταση θέρμανσης και παροχή ζεστού νερού, συμπεριλαμβανομένων των χαρακτηριστικών των μονώσεών τους Γ)εγκαταστάσεις κλιματισμού Δ)φυσικό και μηχανικό αερισμό, που μπορεί να περιλαμβάνει και την αεροστεγανότητα Ε) ενσωματωμένη εγκατάσταση φωτισμού (κυρίως στον τομέα που δεν αφορά την κατοικία) ΣΤ) σχεδιασμό, θέση και προσανατολισμό του κτιρίου, περιλαμβανομένων των εξωτερικών κλιματικών συνθηκών Ζ) παθητικά ηλιακά συστήματα και ηλιακή προστασία Η) κλιματικές συνθήκες εσωτερικού χώρου στις οποίες περιλαμβάνονται οι επιδιωκόμενες συνθήκες εσωτερικού κλίματος Θ) εσωτερικά φορτία
Κτίρια Μηδενικής Ενεργειακής Κατανάλωσης: Ορισμοί Το επίπεδο θα καθοριστεί από το κάθε κράτος μέλος Αναδιατύπωση EPBD: Οδηγία 2010/31/ΕΕ : Κτίρια με σχεδόν μηδενική κατανάλωση ενέργειας Εξοικονόμηση ενέργειας Παθητικά κτίρια Παραγωγή ΑΠΕ on site Φ/Β, ανεμογεννήτριες NZEB Απλός ορισμός : η Καθαρή Καταναλισκόμενη Ενέργεια είναι μηδενική, κατά την διάρκεια ενός τυπικού έτους. ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΝΑ ΓΙΝΟΥΝ ΚΜΕΙ Χαμηλή κατανάλωση Μικρή παραγωγή ΑΠΕ Κτίριο υψηλής ενεργειακής απόδοσης Κτίριο μέσης ενεργειακής απόδοσης Υψηλότερη κατανάλωση Μεγαλύτερη παραγωγή ΑΠΕ
Τάσεις Παράδειγμα από ΗΠΑ Department of Energy s Στόχοι 2025: Εμπορικά κτίρια διαθέσιμα σε ανταγωνιστικές τιμές Ορόσημα Σημείο εκκίνησης 30% Εξοικονόμηση 50% Εξοικονόμηση 100% Εργαλεία Ενεργειακοί κανονισμοί ASHRAE Standards Προχωρημ ένες οδηγίες Εμπορικές Συμφωνίες και Συνέργιες Βάση δεδομένων κτιρίων υψηλής απόδοσης Net-Zero Energy Projects Πηγή: CEEE, University of Maryland
Διαδρομή για ΚΜΕΙ στην Ελλάδα Πηγή:Mark Heffron for the Kubala Washatko Architects Εργαλεία ΚΕΝΑΚ Εθνικά Προγράμματα ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΚΑΤ ΟΙΚΟΝ ΧΤΙΖΟΝΤΑΣ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΠΡΑΣΙΝΕΣ ΓΕΙΤΟΝΙΕΣ Μεμονωμένα Έργα Πόσα θα είναι άραγε τα νέα κτίρια στην Ελλάδα του 2018?
Δείκτες αποδοτικότητας ΝΖΕΒ Καθαρή Καταναλισκόμενη Ενέργεια (ΚΚΕ). Καθαρή Παραγόμενη Ενέργεια (ΚΠΕ). Καθαρό αναμενόμενο όφελος Net Expected Benefit (NEB) Δείκτης εκπομπών CO 2 Για Life Cycle Analysis (Hernandez et, al, 2010) Net Energy Ratio (NER): Για Δυναμικά Συστήματα : Δείκτης εναρμόνισης παραγωγής-κατανάλωσης (Kolokotsa et, al, 2010) ΔΕΠΚ(Generation Consumption Effectiveness Index), που καθορίζεται ως εξής (εφαρμόζεται σε προβλεπτικά μοντέλα διαχείρισης κτιρίων): NEB NEB DS NO CONTROL GCEI DS = NEB OPTIMAL NEB NO CONTROL
Διεθνείς εφαρμογές NZEB http://iea40.buildinggreen.com/index.cfm
Aldo Leopold Legacy Center Μεταφραστικό κέντρο Κτίρια Γραφείων 1100 m 2, Baraboo, Wisconsin 2007 Κατασκευάστηκε με στόχο NZEB Περιβάλλων χώρος: Θρυμματισμένο χαλίκι και επιλογή φυτών με μειωμένες ανάγκες σε νερό. Μείωση των αναγκών σε νερό κατά 65%. Χρήση υλικών από την γύρω περιοχή. Πηγή:Mark Heffron for the Kubala Washatko Architects Κόστος $3.943.418
Αυξημένη μόνωση και καινοτόμα υλικά Εκμετάλλευση φυσικού φωτισμού και μείωση αναγκών για ηλεκτρισμό κατά τη διάρκεια της μέρας. Αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται για θέρμανση και ψύξη. Υπεδάφιοι σωλήνες παρέχουν αερισμό. Η κατανάλωση είναι κατά 75% μικρότερη από μια συμβατική εφαρμογή. Ενεργειακά στοιχεία εφαρμογής Φ/Β στην οροφή υπερκαλύπτουν κατά 10% τις ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου για Πηγή: Courtesy of the Aldo Leopold Foundation www.aldoleopold.org ηλεκτρισμό.
To Προεδρικό Μέγαρο Κύπρου Λευκωσία της Κύπρου. Πρόκειται για ένα κτίριο δύο ορόφων, το οποίο χρησιμοποιείται από το 1979 ως γραφείο και κατοικία του Προέδρου της Κυπριακής Δημοκρατίας. Το ισόγειο του κτιρίου αποτελείται από γραφειακούς χώρους και αίθουσες συνεδριάσεων και εκδηλώσεων, ενώ στον 1 ο όροφο βρίσκεται η κατοικία του Προέδρου. Το κτίριο είναι σχεδιασμένο κατά τον άξονα Β Ν Συνολική επιφάνεια είναι 2240 m 2, με εμβαδόν θερμαινόμενων χώρων 1864 m 2 και χώρων που ψύχονται 1864 m 2. Πηγή: A. Σπανού, Μ. Σανταμούρης ΕΚΠΑ, Λ. Καλησπέρης Ινστιτούτο Κύπρου
To Προεδρικό Μέγαρο Κύπρου Κέλυφος Τοιχοποιία Χαρακτηριστικά Η εξωτερική τοιχοποιία αποτελείται από πέτρα πάχους 50 cm Εξωτερική U: 2.77 Watt/m²ºK Οροφή Υαλοπίνακες Εσωτερική : U=2.75 Watt/m²ºK Μόνωση Μονοί U= 5.8 W/m²ºK Κάποιοι διπλοί: U= 2.7 W/m² Συστήματα Η/Μ Θέρμανση Ψύξη Κεντρική θέρμανση πετρέλαιο Ηλεκτρισμός
Πηγή: A. Σπανού, Μ. Σανταμούρης ΕΚΠΑ, Λ. Καλησπέρης Ινστιτούτο Κύπρου
Προτεινόμενες Λύσεις Περιγραφή Μεταβολή (%) από την υπάρχουσα κατάσταση Θέρμανση δροσισμό Υπάρχουσα Κατάσταση - - Σ1 Ελεγχόμενος αερισμός σε όλες τις ζώνες του κτιρίου σύμφωνα με το -57% -32% Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 15251:2006 Σ2 Χρήση σκίασης - -36% Σ3 Νυχτερινός αερισμός - -12% Σ4 Διπλά Υαλοστάσια χαμηλής εκπομπής (Low e) -14% -11% Σ5 Χρήση θερμομόνωσης -16% - Σ6 Χρήση ανεμιστήρων οροφής - -32% Σ7 Χρήση εναλλακτών εδάφους αέρα -23% -35% Σ8 Σ9 Ρύθμιση της θερμοκρασίας με βάση τις συνιστώμενες τιμές σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 15251:2006. Εγκατάσταση αντλίας θερμότητας για θέρμανση/ψύξη και εφεδρική χρήση ηλιακών συλλεκτών για θέρμανση -31% - -30% -7%
Ενσωμάτωση συστήματος διαχείρισης και ελέγχου
POSITIVE-ENERGY BUILDINGS THRU BETTER CONTROL DECISIONS PEBBLE FP7-ICT-2009.6.3: ICT for Energy Efficiency B. ICT support to Energy-Positive Buildings and Neighborhood http://www.pebble-fp7.eu Η ομάδα PEBBLE: Δ. Ρόβας, H. Κοσματόπουλος, Κ. Αμπουντώλας, Ν. Εξιζίδου, Κ. Κατσιγαράκης, Γ. Γιαννάκης, Α. Κουτουλάκη, Σ. Παπαντωνίου, Β. Μπακιρτζόγλου, Δ. Κολοκοτσά, Κ. Καλαϊτζάκης
Τα κτίρια PEBBLE
Η αρχιτεκτονική του PEBBLE Kolokotsa, D., Rovas, D., Kosmatopoulos, E., & Kalaitzakis, K. (2010). A roadmap towards intelligent net zero- and positive-energy buildings. Solar Energy.
Περιοχή κάτω από την καμπύλη κατανάλωσης: Απαιτούμενη ενέργεια για την χρήση του κτιρίου Περιοχή κάτω από την καμπύλη παραγωγής ενέργειας: Ενέργεια που παράγεται από εγκατεστημένα ανανεώσιμα συστήματα ενέργειας. Κόκκινη περιοχή: Περισσευούμενη ενέργεια. Μπλε περιοχή: Ενέργεια που αγοράζεται από το δίκτυο. Παρούσα κατάσταση: Στατική Μέλλουσα κατάσταση: Δυναμική Επιλογή μίας σχετικής παραμέτρου απόδοσης, Καθαρό αναμενόμενο όφελος [the Net Expected Benefit (NEB) (e.g. the net energy produced over a certain period)]. Μεγιστοποίηση NEB: Έξυπνα διαμορφωμένη καμπύλη ζήτησης ώστε να έχουμε συσχέτιση παραγωγής κατανάλωσης. Παράγοντες περιορισμού: (θερμική άνεση χρηστών, ελάχιστη απαίτηση ενέργειας, μειωμένη ζήτηση για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα). Kolokotsa, D., Rovas, D., Kosmatopoulos, E., & Kalaitzakis, K. (2010). A roadmap towards intelligent net zero- and positive-energy buildings. Solar Energy.
Περιγραφή κτιρίου Τεχνικής Υπηρεσίας Πολυτεχνείου Κρήτης Κατασκευάστηκε: 2006 Υψόμετρο: 146 m Προσανατολισμός: Βόρειος- Βορειοδυτικός Κτίριο 2 ορόφων με υπόγειο Συνολική επιφάνεια: 456 m 2 Μεγάλη επιφάνεια υαλοπινάκων Αίθριο οροφής: 17.6 m 2
Περιγραφή κτιρίου Μετρήσεις U-value Εξωτερικοί τοίχοι 0.02m βαφή, 0.35m σκυρόδεμα και 0.02m βαφή 3.8 W/m 2 K Εσωτερικοί τοίχοι (1) 0.2m σκυρόδεμα 5.65 W/m 2 K Εσωτερικοί τοίχοι (2) 0.1m γυψοσανίδα 4 W/m 2 K Οροφή 0.1m σκυρόδεμα,πυκνότητας 500kgr/m 3, διπλό ασφαλτωμένο 0.08m, Εξυλασμένη πολυστερίνη 0.04m, βότσαλο 0.2m 0.41 W/m 2 K Πάτωμα Λευκό μάρμαρο 0.03m and 0.3m σκυρόδεμα 4.44 W/m 2 K Εξωτερικά παράθυρα Εσωτερικά παράθυρα Διπλά τζάμια 6mm/13mm Air (αλουμινένιο πλαίσιο) Dbl Clr 6mm/13mm Air 2.7 W/m 2 K 2.7 W/m 2 K
Επιθεώρηση κτιρίου με θερμοκάμερα (1) Υψηλή θερμοκρασία και ύπαρξη υγρασίας στο κέλυφος του κτιρίου Πρόσοψη κτιρίου
Επιθεώρηση κτιρίου με θερμοκάμερα (2) Υψηλή θερμοκρασία και ύπαρξη υγρασίας στο κέλυφος του κτιρίου Υγρασία
Περιβάλλον προσομοίωσης κτιρίου Χρήση του Energy Plus : Ενεργειακή κατανάλωση κτιρίου Θερμική προσομοίωση φυσικά αεριζόμενων κτιρίων Μοντέλα υπολογιστικής ρευστομηχανικής Αναλύσεις φυσικού φωτισμού, συστήματα ελέγχου φωτισμού και εξοικονόμηση τεχνητού φωτισμού Απεικόνιση μοντέλου, αποτελεσμάτων και ηλιακής σκίασης
Αξιολόγηση μοντέλου (1) Μετρημένη και προσομοιωμένη εσωτερική θερμοκρασία στο γραφείο 10. Temperature (C) 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 measured simulated outside dry bulb temperature
Αξιολόγηση μοντέλου (2) Μετρημένη και προσομοιωμένη εσωτερική θερμοκρασία στο γραφείο 11. Temperature(C) 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 measured simulated outside dry bulb temperature
Φορτία θέρμανσης και δροσισμού Ετήσιο φορτίο θέρμανσης : 1,665 MWh (16,64%) Ετήσιο φορτίο ψύξης: 8,336 MWh (83,36%) Energy consumption (MWh) 9,000 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 Annual energy demands of the building (MWh) 8,336 2,000 1,665 1,000 0,000
Ενεργειακή κατανάλωση Μέση μηνιαία ενεργειακή κατανάλωση για το έτος 2009 (προσομοίωση) 1200 1000 800 600 400 General Lighting (kwh) Computer + Equipment (kwh) Chiller (kwh) 200 0
Ενεργειακή κατανάλωση Μηνιαίες απαιτήσεις θέρμανσης και ψύξης για το έτος 2009 (προσομοίωση) 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 Oil (kwh) Chiller (kwh) 4000 2000 0
Ετήσια ενεργειακή κατανάλωση 33% 16% 33% Heating Cooling Lighting Appliances 18%
Σενάρια βελτίωσης ενεργειακής απόδοσης No. Σενάριο κόστος/ m2 (κόστος/αντ) Επιφάνεια (Αρ. Αντ) Συνολικό κόστος Εξοικ. ενέργειας για θέρμανση Εξοικ. ενέργειας για ψύξη 1 Εξωτερική μόνωση 35 400 14000-12.84% 2.63% 2 Τζάμια χαμηλής απορρόφησης 79 55 4345 2.79% -19.79 % S3 Φυτεμένη οροφή 90 156 14040-11.4% -2.1% S4 Λάμπες υψηλής απόδοσης 8 112 896 +1.88 % -1.5 % S5 Νυχτερινός αερισμός None None 0 0* -8.82% S6 Ψυχρά υλικά 19.6 156 3058 2.71-4.12 S7 Κεντρικό σύστημα κλιματισμού 60.000 1 60.000 30% 30% S8 Συστήματα ανάκτησης ενέργειας S7+ 10000 1 S7+10000 70%- 80%** 70%-80%** Συνδυασμός 79000-50.6% -58.6%
Σενάρια εξοικονόμησης ενέργειας για θέρμανση Annual Heating Load (kwh/m 2 ) Heating Load 1800,0 Reduction of heating load Heating Load (kwh/m 2 ) 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 92% 72% 52% 32% 400,0 200,0 12% 0,0 Base Case S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 TOTAL -8%
Σενάρια εξοικονόμησης ενέργειας για ψύξη Annual Cooling Load(kWh/m 2 ) 9000,0 Cooling Load Reduction of cooling load 95% Cooling Load (kwh/m 2 ) 8000,0 7000,0 6000,0 5000,0 4000,0 3000,0 85% 75% 65% 55% 45% 35% 25% 2000,0 15% 1000,0 5% 0,0-5% Base Case S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 TOTAL
Εγκατάσταση Φ/Β στη στέγη
Αρχιτεκτονική συστήματος Kolokotsa, D., Rovas, D., Kosmatopoulos, E., & Kalaitzakis, K. (2010). A roadmap towards intelligent net zero- and positive-energy buildings. Solar Energy.
ΝΖΕΒ: Βασικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Ενέργεια =0 Αιχμή=0 Εκπομπές=0 Λογαριασμοί =0 Παράπονα=0 Υγιεινό, παραγωγικό ευχάριστο περιβάλλον διαβίωσης Υψηλό κόστος της κατασκευής Υψηλό κόστος για την διερεύνηση των διακυμάνσεων του κτιριακού σχεδιασμού και των πιθανών επιλογών βελτίωσης της συμπεριφοράς του κτηρίου με ανακαίνιση. Μικρός αριθμός των ανακαινισμένων ΝΖΕΒ.
Τα κτίρια NZEB απαιτούν συσκευές χαμηλής κατανάλωσης Πανευρωπαϊκή έρευνα Promotion3e - 2009 Πηγή: Θ. Τσούτσος, Σ. Τουρνάκη. Πολυτεχνείο Κρήτης.
Συμπεράσματα Η τεχνογνωσία για την εφαρμογή και δημιουργία NZEB στην Ελλάδα υπάρχει. Θα πρέπει να διανύσουμε μεγάλη απόσταση σε σχέση με τις διεθνείς πρακτικές ώστε να επιτύχουμε σημαντικά αποτελέσματα για το κτιριακό μας απόθεμα. Θα είχε σημασία να αποφασίσουμε να κινηθούμε προς NZEB ανεξαρτήτως νέων ή υφιστάμενων κατασκευών. Απαιτείται ενημέρωση και ευαισθητοποίηση κοινωνικών ομάδων σε επίπεδο «γειτονιάς» για τη δημιουργία «έξυπνων συνοικιών». Tα κτίρια μηδενικής κατανάλωσης απαιτούν σαφή πολιτική και προσανατολισμό με βάση τις ελληνικές ιδιαιτερότητες.
Ευχαριστώ για την προσοχή σας