Διαμόρφωση θερμοκρασιακών συνθηκών σε φωτοβολταϊκά συστήματα σε δώμα κτιρίου Καρτέρης Μαρίνος, Άγις Μ. Παπαδόπουλος Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Εργαστήριο Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, Θυρίδα 483, ΤΚ 541 24 Θεσσαλονίκη 1 Email: marinos@aix.meng.auth.gr, τηλ: 23199648, fax: 23199612 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το Ειδικό Πρόγραμμα Ανάπτυξης Φωτοβολταϊκών (ΦΒ) Συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις το οποίο καταρτίστηκε τον Ιούνιο του 29 (ΦΕΚ 179/29), δημιούργησε τις ιδανικές συνθήκες, τόσο οικονομικές όσο και γραφειοκρατικές, για την εγκατάσταση ΦΒ συστημάτων σε στέγες και δώματα κτιρίων. Δεδομένης της ραγδαίας ανάπτυξής τους λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία της Δημόσιας Επιχείρησης Ηλεκτρισμού (211), σύμφωνα με τα οποία οι υποβληθείσες αιτήσεις ξεπερνούν τις 79 και τα 68 MWp σε ηλεκτρική ισχύ, ενώ μέχρι τον Απρίλιο του 211 είχαν ήδη ενεργοποιηθεί στο δίκτυο 2.8 MW οικιακών ΦΒ συστημάτων, είναι σημαντικό να ελεγχθεί και να αξιολογηθεί η επίδραση των ΦΒ συστημάτων στην ενεργειακή συμπεριφορά των ελληνικών κτιρίων. Στο πλαίσιο αυτό, ειδικότερα, τοποθετήθηκαν όργανα καταγραφής δεδομένων μέτρησης θερμοκρασίας και υγρασίας αέρα και επιφανειακών θερμοκρασιών σε εγκατεστημένο ΦΒ σύστημα ονομαστικής ισχύος 9.6 kw σε δώμα διώροφου κτιρίου κατοικιών με χώρους γραφείων στο υπόγειο. Αντικειμενικός σκοπός των μετρήσεων είναι η άντληση ασφαλών συμπερασμάτων για την επίδραση των ΦΒ πλαισίων αφενός στην εξωτερική επιφανειακή θερμοκρασία του δώματος ως διατάξεις σκίασης, κυρίως τους θερινούς μήνες, και αφετέρου στο μικροκλίμα του δώματος του κτιρίου ως διατάξεις που εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία και πιθανότατα να επιδρούν τοπικά στη θερμοκρασία αέρα κατά τη διάρκεια ολόκληρου του έτους. Συμπερασματικά, οι μετρήσεις δείχνουν σημαντική μείωση της επιφανειακής θερμοκρασίας του δώματος σε σκιασμένα τμήματα του δώματος κάτω από τα ΦΒ πλαίσια σε σύγκριση με τα εκτεθειμένα τμήματα στην ηλιακή ακτινοβολία κατά τις ώρες ηλιοφάνειας, μείωση της εκπομπής θερμικής από το κτίριο προς το περιβάλλον κατά τη διάρκεια της νύχτας λόγω των ΦΒ πλαισίων, που λειτουργούν σαν διατάξεις κάλυψης του δώματος, καθώς και τοπική αύξηση της θερμοκρασίας αέρα πίσω από τα ΦΒ πλαίσια σε σχέση με τη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το Ειδικό Πρόγραμμα Ανάπτυξης Φωτοβολταϊκών (ΦΒ) Συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις το οποίο καταρτίστηκε τον Ιούνιο του 29 (ΦΕΚ 179/29), δημιούργησε τις ιδανικές συνθήκες, τόσο οικονομικές όσο και γραφειοκρατικές, για την εγκατάσταση ΦΒ συστημάτων σε στέγες και δώματα κτιρίων. Δεδομένης της ραγδαίας ανάπτυξής τους λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία της Δημόσιας Επιχείρησης Ηλεκτρισμού (211), σύμφωνα με τα οποία οι υποβληθείσες αιτήσεις ξεπερνούν τις 79 και τα 68 MWp σε ηλεκτρική ισχύ, ενώ μέχρι τον Απρίλιο του 211 είχαν ήδη ενεργοποιηθεί στο δίκτυο 2.8 MW οικιακών ΦΒ συστημάτων, είναι σημαντικό να ελεγχθεί και να αξιολογηθεί η επίδραση των ΦΒ συστημάτων στην ενεργειακή συμπεριφορά των ελληνικών κτιρίων. Στο πλαίσιο αυτό τοποθετήθηκαν όργανα καταγραφής δεδομένων μέτρησης θερμοκρασίας και υγρασίας αέρα και επιφανειακών θερμοκρασιών, σε εγκατεστημένο ΦΒ σύστημα ονομαστικής ισχύος 9.6 kw σε δώμα διώροφου κτιρίου κατοικιών με χώρους γραφείων στο υπόγειο, στην περιοχή του Δήμου Πυλαίας στο Νομό Θεσσαλονίκης. Το κτίριο είναι κατασκευής μετά από το 198, οπότε έχει εφαρμοστεί ο Κανονισμός Θερμομόνωσης Κτιρίων. Αντικειμενικός σκοπός των μετρήσεων είναι η άντληση ασφαλών συμπερασμάτων για την επίδραση των ΦΒ πλαισίων αφενός στην εξωτερική επιφανειακή θερμοκρασία του δώματος ως διατάξεις σκίασης, κυρίως τους θερινούς μήνες, και αφετέρου στο μικροκλίμα του δώματος του κτιρίου ως διατάξεις που εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία και πιθανότατα να επιδρούν τοπικά στη θερμοκρασία αέρα κατά τη διάρκεια ολόκληρου του έτους. Γενικότερα, οι μετρήσεις, που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκαν σε ένα ευρύτερο πλαίσιο έρευνας πάνω στην ενεργειακή απόδοση των ΦΒ πλαισίων τόσο σε δώματα όσο και σε κεκλιμένες στέγες και στην επίδρασή τους στο ενεργειακό ισοζύγιο διαφόρων τυπολογιών κτιρίων κατοικιών στην Ελλάδα, που δεν έχει ακόμα ολοκληρωθεί. Ειδικότερα, η έρευνα περιλαμβάνει, πέρα από τις επιτόπιες μετρήσεις, την εφαρμογή δυναμικού μοντέλου ενεργειακής προσομοίωσης των κτιρίων, με κύριο σκοπό την εκτίμηση των καταναλώσεων θέρμανσης, ψύξης και ηλεκτρισμού με και χωρίς τα ΦΒ πλαίσια, αλλά και την εκτίμηση των συνθηκών θερμικής άνεσης σε υποκείμενους ορόφους των ΦΒ συστημάτων. Επιπρόσθετα, επιμέρους στόχους αποτελούν η ανάλυση των εξωτερικών επιφανειακών θερμοκρασιών καθώς και των εσωτερικών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται σε επιφάνειες πάνω στις οποίες εγκαθίστανται τα ΦΒ και, επιπλέον, της απόδοσης και των θερμοκρασιών λειτουργίας των ΦΒ πλαισίων, ανάλογα με τον τρόπο ενσωμάτωσης στο κτιριακό κέλυφος. Εξάλλου, η τάση στη διεθνή αγορά προς την ολοένα και πιο εκτεταμένη εγκατάσταση αποκεντρωμένων μικρής κλίμακας ΦΒ συστημάτων στα κτίρια έχει δημιουργήσει, όπως είναι φυσικό, την ανάγκη για περαιτέρω έρευνα γύρω από την επίδραση των ΦΒ στην ενεργειακή συμπεριφορά των κτιρίων. Πιο συγκεκριμένα, ολοκληρωμένες έρευνες όπως αυτή του Bigot et al. (29) αναφέρουν ότι τα ΦΒ πλαίσια παρουσιάζουν εξίσου καλά θερμομονωτικά χαρακτηριστικά με τα συμβατικά υλικά της αγοράς, ενώ η εσωτερική θερμοκρασία των κτιρίων είναι δυνατό να μειωθεί μέχρι και 6 ο C κατά τη διάρκεια του θέρους στην περίπτωση ΦΒ τοποθετημένων σε κεκλιμένες στέγες με αεριζόμενο κενό στην πίσω πλευρά τους. Μάλιστα στην περίπτωση αυτή οι θερμομονωτικές ιδιότητες των ΦΒ είναι ίδιες με αυτές του υαλοβάμβακα πάχους 1 cm, γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι τα ΦΒ αποτελούν μία πολύ καλή θερμομονωτική λύση. Παρομοίως, ο Tian et al. (27) αναφέρει ότι η θερμοκρασία κεκλιμένων επιφανειών πάνω στις οποίες τοποθετούνται ΦΒ πλαίσια, μειώνεται λόγω της σκίασης τους αλλά και ψύξης τους μέσω συναγωγής που προκαλεί η ύπαρξη του αεριζόμενου κενού πίσω από τα ΦΒ πλαίσια. Άλλωστε σημειώνει ότι η ροή αισθητής θερμότητας ελαττώνεται, καθώς στις επιφάνειες με εγκατεστημένα ΦΒ παρατηρείται μεγάλη χρονική καθυστέρηση με αποτέλεσμα τη μείωση της μεταβλητότητας της εσωτερικής θερμοκρασίας των κτιρίων κατά τη διάρκεια των θερινών μηνών, γεγονός βέβαια που βελτιώνει σε μεγάλο βαθμό τις εσωτερικές συνθήκες θερμικής άνεσης του κτιρίου κατά την περίοδο ψύξης. Επιπρόσθετα, όσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση των ΦΒ, τόσο μικρότερες είναι οι επιφανειακές
θερμοκρασίες που αναπτύσσονται. Στο ίδιο πλαίσιο συμπερασμάτων κινείται και η έρευνα του Yataka et al, (23), στην οποία αναφέρεται ότι το ψυκτικό φορτίο μπορεί να μειωθεί κατά 1% λόγω σκίασης του δώματος ή στέγης των κτιρίων από τα ΦΒ πλαίσια, ενώ ο Wang et al. (26a) επισημαίνει ότι τα ΦΒ πλαίσια παρουσιάζουν παρόμοια θερμικά κέρδη με επιφάνειες που επικαλύπτονται με ψυχρά υλικά με συντελεστή απορροφητικότητας ίσο με.4. Στην ίδια έρευνα συμπεραίνεται ότι τα ΦΒ συστήματα με αεριζόμενο κενό σε επικλινείς στέγες είναι ιδανικά για τους θερινούς μήνες σε αντίθεση με τα αντίστοιχα συστήματα χωρίς αεριζόμενο κενό που είναι πιο κατάλληλα κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών. Τέλος, τονίζεται η μείωση της εκπομπής θερμικής από τις οροφές προς το εξωτερικό περιβάλλον, λόγω της τοποθέτησης των ΦΒ πλαισίων ως στοιχείο επικάλυψης πάνω από αυτές. Σημαντικά, επίσης, είναι και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από έρευνες γύρω από την αλληλεπίδραση των ΦΒ πλαισίων με το μικροκλίμα των αστικών κέντρων. Ο Tian et al. (27) ειδικότερα αναφέρει ότι όσο μεγαλώνει η απόδοση των ΦΒ πλαισίων, τόσο μειώνεται ο συντελεστής εκπομπής θερμικής, γεγονός που συμβάλλει, σε μικρό βαθμό ωστόσο, στη μείωση της θερμοκρασίας στο αστικό μικροκλίμα σε σχέση με τη μη ύπαρξη ΦΒ συστημάτων στις οροφές των κτιρίων. O Wang et al. (26b), άλλωστε, σημειώνει τη θετική επίδραση των ΦΒ συστημάτων στο φαινόμενο της θερμικής αστικής νησίδας, δεδομένου ότι μειώνεται η ανακλαστικότητα της ηλιακής των δωμάτων και στεγών (χαμηλότερος συντελεστής albedo), αλλά τονίζει ότι αφενός η ατμοσφαιρική ρύπανση και αφετέρου η υψηλότερη θερμοκρασία στα αστικά κέντρα, σε σχέση με τις περιοχές των προαστίων, δύνανται να μειώσουν την απόδοση των ΦΒ πλαισίων μέχρι και 13 %. 2. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας τοποθετήθηκαν τρία (3) βαθμονομημένα όργανα καταγραφής δεδομένων μέτρησης, τύπου HOBO, σε επιλεγμένα αντιπροσωπευτικά σημεία του δώματος του υπό εξέταση κτιρίου και σε δύο (2) ΦΒ πλαίσια. Τα όργανα, πέρα από την καταγραφή της θερμοκρασίας και της υγρασίας αέρα, περιλάμβαναν και τέσσερις (4) αισθητήρες καταγραφής επιφανειακών θερμοκρασιών. Σε ότι αφορά το υπό εξέταση ΦΒ σύστημα, αυτό έχει διασυνδεθεί στο δίκτυο ηλεκτροδότησης από το 29, οπότε και αποτελεί τυπική οικιακή εγκατάσταση, όπως προβλέπεται και από το Πρόγραμμα Ανάπτυξης (Φωτογραφία 1). Πιο συγκεκριμένα, είναι ονομαστικής ισχύος 9.6 kw και αποτελείται από 48 πολυκρυσταλλικά ΦΒ πλαίσια κινέζικης προέλευσης και κατασκευής, τύπου Suntech, ισχύος 2 Watt το καθένα. Φωτογραφία 1. Πανοραμική φωτογραφία ΦΒ συστήματος Σχετικά με τη θέση των αισθητήρων των επιφανειακών θερμοκρασιών του δώματος, αυτοί επικολλήθηκαν σε επιλεγμένα σημεία, ώστε τα αποτελέσματα που θα προκύψουν να είναι αντιπροσωπευτικά για όλο το υπό εξέταση δώμα. Πιο συγκεκριμένα ένας αισθητήρας τοποθετήθηκε σε σημείο του δώματος, το οποίο είναι εκτεθειμένο στην ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια
ολόκληρης της μέρας. Αντίστοιχα, τοποθετήθηκε ένας αισθητήρας μέτρησης της επιφανειακής θερμοκρασίας σε σημείο του δώματος κάτω από τα ΦΒ πλαίσια, το οποίο, όπως ήταν φυσικό, είναι προστατευμένο από την ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια όλης της μέρας (Φωτογραφία 2). Φωτογραφία 2. Αισθητήρες μέτρησης επιφανειακής θερμοκρασίας τμήματος του δώματος που είναι εκτεθειμένο στην ηλιακή ακτινοβολία (αριστερά) και σκιασμένου τμήματος (δεξιά) Στη συνέχεια επικολλήθηκαν δύο αισθητήρες μέτρησης επιφανειακών θερμοκρασιών στην πλάτη του υλικού, δύο ΦΒ πλαισίων, πάνω στην οποία επικολλούνται οι ΦΒ κυψέλες, όπως απεικονίζονται και στη Φωτογραφία 3. Τα σημεία όπου επικολλήθηκαν οι αισθητήρες αυτοί επιλέχθηκαν να βρίσκονται στο κέντρο κάθε ΦΒ πλαισίου, δεδομένου ότι εμφανίζονται ανομοιογένειες στην επιφανειακή θερμοκρασία των ΦΒ πλαισίων, με δεδομένο ότι η μέγιστη (και αντιπροσωπευτική) θερμοκρασία αναπτύσσεται στο κέντρο κάθε πλαισίου, ενώ η ελάχιστη εμφανίζεται περιμετρικά και κοντά στο προστατευτικό πλαίσιο αλουμινίου (Φραγκιαδάκης, 26). Στην περίπτωση των μετρήσεων που περιγράφονται, λόγω χρήσης θερμομέτρου επαφής δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή ώστε να επιτυγχάνεται καλή θερμική επαφή του αισθητηρίου με το υλικό πλάτης των ΦΒ πλαισίων. Φωτογραφία 3. Αισθητήρες μέτρησης επιφανειακών θερμοκρασιών ΦΒ πλαισίων Όλα τα όργανα μέτρησης προγραμματίστηκαν να καταγράφουν και αποθηκεύουν δεδομένα ανά 15 λεπτά της ώρας, ώστε να συνδυαστούν με διαθέσιμα κλιματολογικά δεδομένα που καταγράφονται από μετεωρολογικό σταθμό, εγκατεστημένο στην Πολυτεχνική Σχολή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, όπου μετράται ημερησίως η ένταση της ηλιακής
, η θερμοκρασία και υγρασία αέρα και η διεύθυνση και η ένταση του ανέμου στην περιοχή. Τέλος οι μετρήσεις στο υπό εξέταση ΦΒ σύστημα πραγματοποιήθηκαν τα διαστήματα από τον Ιούλιο έως τον Οκτώβριο του 21 και από τον Ιανουάριο έως το Μάρτιο του 211, ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα εξίσου και για τους θερινούς και τους χειμερινούς μήνες αντίστοιχα. Ακολούθως, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα πιο σημαντικά δεδομένα μετρήσεων, όπως καταγράφηκαν για τη θερινή και χειμερινή περίοδο. 2.1. Αποτελέσματα μετρήσεων τη θερινή περίοδο Για τη θερινή περίοδο, αρχικά, τα δεδομένα των μετρήσεων των επιφανειακών θερμοκρασιών τμημάτων του δώματος του κτιρίου που είναι εκτεθειμένα στην ηλιακή ακτινοβολία και τμημάτων που είναι σκιασμένα λόγω των ΦΒ πλαισίων, φανερώνουν τη σημαντική μείωση της επιφανειακής θερμοκρασίας στη δεύτερη περίπτωση, ειδικότερα κατά τη διάρκεια των μεσημβρινών ωρών. Το γεγονός αυτό συμβάλλει μερικώς στη μείωση της ροής θερμότητας από το δώμα προς το εσωτερικό του κτιρίου, συνεπώς, σε μικρό ποσοστό, και του ψυκτικού φορτίου του κτιρίου και ειδικότερα των κλιματιζόμενων χώρων του τελευταίου ορόφου, πάνω από τον οποίο είναι εγκατεστημένο το ΦΒ σύστημα. 8. 1 7. 6. 5. 4. 9 8 7 6 5 σκιασμένου δώματος εκτεθειμένου δώματος στην ηλιακή ακτινοβολία 3. 2. 4 3 2 Ένταση ηλιακής 1. 1. Σχήμα 1. Διάγραμμα των επιφανειακών θερμοκρασιών του δώματος, της θερμοκρασίας και της έντασης της ηλιακής για τυπικό χρονικό διάστημα των θερινών μετρήσεων Όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1, για τυπικό χρονικό διάστημα της θερινής περιόδου των μετρήσεων, η επιφανειακή θερμοκρασία του εκτεθειμένου δώματος ανήλθε μέχρι και τους 74 ο C κατά τις μεσημβρινές ώρες, ενώ η θερμοκρασία του σκιασμένου δώματος αντίθετα δε ξεπέρασε τους 42 ο C. Η μέγιστη διαφορά θερμοκρασίας που καταγράφηκε για το ίδιο χρονικό διάστημα ανήλθε στους 32 ο C, ενώ η μέση τιμή της θερμοκρασίας του εκτεθειμένου δώματος κυμάνθηκε στους 35.9 ο C και στο σκιασμένο τμήμα του δώματος κυμάνθηκε αντίστοιχα στους 31.9 ο C. Η επιφανειακή θερμοκρασία του δώματος, όπως φαίνεται, δεν επηρεάζεται από την θερμοκρασία, αλλά σχεδόν αποκλειστικά από την ένταση της ηλιακής.
Επιπρόσθετα, στο Σχήμα 2, για το προαναφερόμενο χρονικό διάστημα, απεικονίζεται η μεγάλη θερμοκρασιακή διαφορά των τμημάτων του εκτεθειμένου δώματος στην ηλιακή ακτινοβολία και των σκιασμένων τμημάτων, δεδομένου ότι καταγράφηκε έως και 32 ο C διαφορά θερμοκρασίας κατά τις μεσημβρινές ώρες, ενώ αντίθετα τις νυχτερινές ώρες η θερμοκρασία του δώματος κάτω από τα ΦΒ πλαίσια διατηρείται σε υψηλότερα επίπεδα σε σχέση με το υπόλοιπο εκτεθειμένο δώμα (μέγιστη τιμή 5.1 ο C), δείχνοντας εν μέρει ότι τα ΦΒ πλαίσια, ως διατάξεις κάλυψης του δώματος, παρόλο που είναι εγκατεστημένα με κλίση 3 ο, μειώνουν σημαντικά την εκπομπή θερμικής από το δώμα προς το εξωτερικό περιβάλλον τις νυχτερινές ώρες. Τέλος, η μέση θερμοκρασιακή διαφορά για το χρονικό διάστημα που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1 και 2, ανήλθε στους 15.5 ο C για τις ώρες της μέρας και στους 3.5 ο C για τις νυχτερινές ώρες. 8. 1 7. 6. 5. 4. 3. 2. 9 8 7 6 5 4 3 Θερμοκρασιακή διαφορά εκτεθειμένου δώματος στην ηλιακή ακτινοβολία και σκιασμένου δώματος Ένταση ηλιακής 1. 2. 1 1. Σχήμα 2. Διάγραμμα των επιφανειακών θερμοκρασιών του δώματος και της θερμοκρασιακής διαφοράς του σκιασμένου δώματος και του εκτεθειμένου δώματος στην ηλιακή ακτινοβολία για τυπικό χρονικό διάστημα των θερινών μετρήσεων Να τονισθεί ότι το τυπικό χρονικό διάστημα (4 μέρες) της θερινής περιόδου των μετρήσεων επιλέχθηκε για περαιτέρω ανάλυση και παρουσίαση βάσει της θερμοκρασίας και της έντασης της ηλιακής που καταγράφηκε από το μετεωρολογικό σταθμό εκείνη την περίοδο. Αναλυτικότερα για αυτό το διάστημα (Σχήμα 1 και 2), η θερμοκρασία κυμάνθηκε μεταξύ 25.7 ο C και 38.3 ο C, ενώ η ένταση της ηλιακής ανήλθε μέχρι τα 87 W/m 2 κατά τις μεσημβρινές ώρες. Για το σύνολο των μετρήσεων κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου, η επιφανειακή θερμοκρασία του εκτεθειμένου δώματος ανήλθε μέχρι και τους 74 ο C κατά τις μεσημβρινές ώρες, ενώ η θερμοκρασία του σκιασμένου δώματος αντίθετα δεν ξεπέρασε τους 46 ο C. Η μέση τιμή της θερμοκρασίας του εκτεθειμένου δώματος για τη θερινή περίοδο κυμάνθηκε στους 32.2 ο C, ενώ στα σκιασμένα τμήματα του δώματος αντίστοιχα κυμάνθηκε στους 28.8 ο C. Η μέγιστη διαφορά που καταγράφηκε είναι 32 ο C τις μεσημβρινές ώρες για το εκτεθειμένο δώμα, ενώ το σκιασμένο δώμα παρουσίασε επιφανειακή θερμοκρασία τουλάχιστον κατά 5 ο C μεγαλύτερη τις νυχτερινές ώρες. Στη συνέχεια, στο Σχήμα 3 απεικονίζεται για το ίδιο χρονικό διάστημα, η θερμοκρασία του πλαισίου των ΦΒ. Στα δεδομένα των μετρήσεων προστέθηκαν 3 ο C, διότι σύμφωνα με Tawanda
(2), όταν η θερμοκρασία των ΦΒ μετράται με θερμόμετρο επαφής στο πίσω μέρος του πλαισίου, όπως και στην περίπτωση της παρούσας έρευνας, η πραγματική θερμοκρασία του είναι υψηλότερη κατά μέσο όρο 3 ο C σε σχέση με αυτή που καταγράφεται. Η μεγάλη ημερήσια διακύμανση της θερμοκρασίας (από 23 έως 62 ο C) των ΦΒ πλαισίων είναι φυσιολογική, αν λάβει υπόψη κανείς ότι η ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας (Nominal Operational Cell Temperature - NOCT) του συγκεκριμένου τύπου ΦΒ πλαισίου σύμφωνα με τον κατασκευαστή, για ηλιακή ακτινοβολία 8 W/m 2 και θερμοκρασία 2 ο C, είναι ίση με 45 ο C. Να επισημανθεί είναι ότι η μεταβολή της θερμοκρασίας των ΦΒ πλαισίων είναι ανάλογη της μεταβολής της έντασης της ηλιακής, ενώ τα επίπεδα στα οποία κυμαίνεται επηρεάζονται από τη θερμοκρασία κυρίως κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους τις ημερήσιες ώρες. Το γεγονός αυτό διακρίνεται την τέταρτη μέρα μετρήσεων, που απεικονίζονται στο Σχήμα 3, όπου η έντονη διακύμανση της έντασης της ηλιακής επηρεάζει αναλόγως και διατηρεί σε χαμηλά επίπεδα την ημερήσια θερμοκρασία των ΦΒ πλαισίων (μέση ημερήσια τιμή 37.6 ο C και μέγιστη ημερήσια τιμή 54.7 ο C). 8. 12 7. 6. 11 1 9 φωτοβολταϊκ ών πλαισίων 5. 8 7 4. 6 3. 2. 5 4 3 Ένταση ηλιακής 1.. 2 1 Σχήμα 3. Διάγραμμα της θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων, της θερμοκρασίας και της έντασης της ηλιακής για τυπικό χρονικό διάστημα των θερινών μετρήσεων Για το σύνολο των μετρήσεων κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου, η θερμοκρασία των ΦΒ πλαισίων κυμάνθηκε ημερησίως από τους 15.1 έως 65.1 ο C, ενώ η μέση τιμή της θερμοκρασίας ανήλθε στους 35.1 ο C. Τέλος, αποτέλεσμα των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στα ΦΒ πλαίσια είναι η εκπομπή θερμικής κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, δεδομένου ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της ηλιακής που προσπίπτει σε αυτά δε μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια αλλά αποθηκεύεται σα θερμική. Στο Σχήμα 4 απεικονίζεται η διαφορά της τοπικής θερμοκρασίας αέρα πίσω από τα ΦΒ πλαίσια (σε απόσταση 1 cm) και της θερμοκρασίας, όπως καταγράφεται από τα όργανα μέτρησης κατά τη διάρκεια λειτουργίας των ΦΒ πλαισίων, η οποία ανέρχεται και στους 7 ο C, εάν αντίστοιχα είναι πολύ υψηλή η θερμοκρασία λειτουργίας των ΦΒ κατά τις μεσημβρινές ώρες. Αντίθετα τις νυχτερινές ώρες, η θερμοκρασία των
ΦΒ πλαισίων, της θερμοκρασίας του αέρα πίσω από τα ΦΒ και της θερμοκρασίας εξισώνονται σε μεγάλο βαθμό και παρουσιάζουν παρόμοια διακύμανση. 8. 12 7. 6. 11 1 9 αέρα πίσω από τα ΦΒ πλαίσια 5. 8 7 φωτοβολταϊκώ ν πλαισίων 4. 3. 2. 6 5 4 3 Ένταση ηλιακής 1.. 2 1 Σχήμα 4. Διάγραμμα της θερμοκρασίας αέρα πίσω από τα ΦΒ πλαίσια, της θερμοκρασίας των ΦΒ πλαισίων, της θερμοκρασίας και της έντασης της ηλιακής για τυπικό χρονικό διάστημα των θερινών μετρήσεων 2.2. Αποτελέσματα μετρήσεων τη χειμερινή περίοδο Σε ότι αφορά τις μετρήσεις κατά τη χειμερινή περίοδο, η επιφανειακή θερμοκρασία τμημάτων του δώματος του κτιρίου που είναι εκτεθειμένα στην ηλιακή ακτινοβολία και σκιασμένων τμημάτων λόγω των ΦΒ πλαισίων, φανερώνουν παρόμοια, αλλά ημερησίως μικρότερου εύρους, διακύμανση, καθώς και μικρότερη διαφορά μεταξύ τους, ιδιαίτερα τις μεσημβρινές ώρες, σε σχέση με τη θερινή περίοδο. Τα σκιασμένα τμήματα του δώματος, τα οποία παρουσιάζουν χαμηλότερη, όπως ήταν αναμενόμενο, επιφανειακή θερμοκρασία τις ώρες της ημέρας, αυξάνουν το θερμικό φορτίο του βάσει της πολύ μικρής διαφοράς επιφανειακών θερμοκρασιών που παρατηρείται. Παρόλα αυτά κατά τη διάρκεια της νύχτας τα ΦΒ πλαίσια, λειτουργώντας ως διατάξεις κάλυψης του δώματος, όπως ακριβώς και στη θερινή περίοδο, μειώνουν την εκπομπή θερμικής από το δώμα προς το περιβάλλον, γεγονός που διατηρεί τη επιφανειακή θερμοκρασία των σκιασμένων τμημάτων του δώματος σε υψηλότερα επίπεδα σε σχέση με τη θερμοκρασία του υπόλοιπου δώματος. Όπως απεικονίζεται λεπτομερώς στο Σχήμα 5, για τυπικό χρονικό διάστημα κατά τη χειμερινή περίοδο μετρήσεων η μέγιστη επιφανειακή θερμοκρασία του εκτεθειμένου δώματος ανήλθε μόνο μέχρι τους 17.8 ο C κατά τις μεσημβρινές ώρες, ενώ η θερμοκρασία του σκιασμένου δώματος δεν ξεπέρασε τους 14.8 ο C. Η μέγιστη διαφορά της επιφανειακής θερμοκρασίας, κατά τις ώρες της μέρας, ανάμεσα στα δύο υπό εξέταση τμήματα του δώματος έχει ελαττωθεί στους 7 ο C σε σύγκριση με τη θερινή περίοδο (32 ο C διαφορά), γεγονός που αποδεικνύεται και από το μικρότερο εύρος διακύμανσης της σχετικής καμπύλης στο Σχήμα 6 κατά τις μεσημβρινές ώρες.
8. 6 7. 6. 5 σκιασμένου δώματος 5. 4. 3. 2. 4 3 εκτεθειμένου δώματος στην ηλιακή ακτινοβολία 1.. 2 1 Ένταση ηλιακής 1. 2. Σχήμα 5. Διάγραμμα των επιφανειακών θερμοκρασιών του δώματος, της θερμοκρασίας και της έντασης της ηλιακής για τυπικό χρονικό διάστημα των χειμερινών μετρήσεων 8. 6 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1.. 5 4 3 2 Θερμοκρασιακή διαφορά εκτεθειμένου δώματος στην ηλιακή ακτινοβολία και σκιασμένου δώματος Ένταση ηλιακής 1. 1 2. 3. Σχήμα 6. Διάγραμμα των επιφανειακών θερμοκρασιών του δώματος και της θερμοκρασιακής διαφοράς του σκιασμένου δώματος και του εκτεθειμένου δώματος στην ηλιακή ακτινοβολία για τυπικό χρονικό διάστημα των χειμερινών μετρήσεων
Ωστόσο, η μέση τιμή της θερμοκρασίας του εκτεθειμένου δώματος για το ίδιο χρονικό διάστημα κυμάνθηκε στους 3.45 o C, ενώ στα σκιασμένα τμήματα του δώματος αντίστοιχα κυμάνθηκε σε μεγαλύτερα επίπεδα (5.9 ο C), οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι, εξίσου με την ηλιακή ακτινοβολία, σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της επιφανειακής θερμοκρασίας διαδραματίζει και η ελεύθερη ή προστατευμένη θέση του δώματος κάτω από τα ΦΒ πλαίσια, καθώς και τα επίπεδα εκπομπής θερμικής του δώματος προς το περιβάλλον. Σε αυτό το πλαίσιο είναι αξιοσημείωτη η διαφορά της επιφανειακής θερμοκρασίας του δώματος κάτω από τις βάσεις των ΦΒ πλαισίων (μέχρι και 11 ο C) σε σύγκριση με το εκτεθειμένο δώμα κατά τη διάρκεια της νύχτας. Η ίδια διαφορά κατά τη θερινή περίοδο ανήλθε μόνο στους 5.1 ο C. Να τονισθεί ότι το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα για τη χειμερινή περίοδο επιλέχθηκε δεδομένης της τυπικής θερμοκρασίας αέρα που καταγράφηκε από το μετεωρολογικό σταθμό, αλλά σε συνδυασμό με την υψηλή ένταση της ηλιακής σε σύγκριση με τα συνήθη επίπεδα της εποχής. Ο συνδυασμός αυτός επιτρέπει να αντληθούν ασφαλή συμπεράσματα για την επίδραση αφενός της θερμοκρασίας και αφετέρου της έντασης της ηλιακής στις επιφανειακές θερμοκρασίες του δώματος και των ΦΒ πλαισίων κατά τη χειμερινή περίοδο. Στο χρονικό διάστημα που επιλέχθηκε για περαιτέρω ανάλυση και παρουσίαση, η θερμοκρασία κυμάνθηκε μεταξύ 3.3 ο C και 11.4 ο C, ενώ η ένταση της ηλιακής ανήλθε στα 53 W/m 2 κατά τις μεσημβρινές ώρες. Ωστόσο, για το σύνολο των μετρήσεων κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου, η επιφανειακή θερμοκρασία του εκτεθειμένου δώματος ανήλθε μέχρι και τους 24.75 ο C κατά τις μεσημβρινές ώρες και η θερμοκρασία του σκιασμένου δώματος ανήλθε εξίσου σε παρόμοια επίπεδα (24.22 ο C). Η μέση τιμή της θερμοκρασίας του εκτεθειμένου δώματος για τη χειμερινή περίοδο κυμάνθηκε στους 5.9 ο C, ενώ στα σκιασμένα τμήματα του δώματος αντίστοιχα κυμάνθηκε σε μεγαλύτερο επίπεδο (8.4 ο C). Η μέγιστη διαφορά που καταγράφηκε κατά τις ώρες της μέρας ανήλθε στους 6 ο C για το εκτεθειμένο δώμα στην ηλιακή ακτινοβολία, ενώ το σκιασμένο δώμα παρουσίασε επιφανειακή θερμοκρασία κατά 11 ο C υψηλότερη τις νυχτερινές ώρες. 8. 6 7. 6. 5 φωτοβολταϊκώ ν πλαισίων 5. 4. 3. 2. 4 3 2 Ένταση ηλιακής 1.. 1 1. Σχήμα 7. Διάγραμμα της θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων, της θερμοκρασίας και της έντασης της ηλιακής για τυπικό χρονικό διάστημα των χειμερινών μετρήσεων
Στη συνέχεια, στο Σχήμα 7 απεικονίζεται ενδεικτικά η θερμοκρασία των ΦΒ πλαισίων για το ίδιο χρονικό διάστημα μετρήσεων που παρουσιάζεται και στο Σχήμα 5 και 6. Η μεγάλη ημερήσια διακύμανση της θερμοκρασίας (μέγιστη διακύμανση από έως 39 ο C) των ΦΒ πλαισίων είναι φυσιολογική, όπως καταγράφηκε και τη θερινή περίοδο. Παρομοίως, η μεταβολή της θερμοκρασίας των ΦΒ πλαισίων είναι ανάλογη της μεταβολής της έντασης της ηλιακής, ενώ το επίπεδο στο οποίο κυμαίνεται επηρεάζεται και από το επίπεδο της θερμοκρασίας. Συγκριτικά με τη θερινή περίοδο, η θερμοκρασία των ΦΒ πλαισίων έχει μειωθεί κατά 25 ο C, δεδομένου και της μείωσης της θερμοκρασίας καθώς και της έντασης της ηλιακής κατά τη διάρκεια της μέρας. Για το σύνολο των μετρήσεων κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου, η θερμοκρασία των ΦΒ πλαισίων κυμάνθηκε ημερησίως από τους -2 έως 45.4 ο C, ενώ η μέση τιμή της θερμοκρασίας δεν ξεπέρασε τους 12.8 ο C. Τέλος, όπως παρατηρήθηκε και στα δεδομένα των μετρήσεων της θερινής περιόδου, καταγράφηκε παρόμοια διακύμανση της τοπικής θερμοκρασίας αέρα πίσω από τα ΦΒ πλαίσια κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους, ωστόσο λόγω και της μικρότερης θερμοκρασίας των ΦΒ πλαισίων, η διαφορά με τη θερμοκρασία δεν είναι τόσο εμφανής (Σχήμα 8). Αντίθετα τις νυχτερινές ώρες, η θερμοκρασία των ΦΒ πλαισίων, της θερμοκρασίας του αέρα πίσω από τα ΦΒ και της θερμοκρασίας εξισώνονται σε μεγάλο βαθμό και παρουσιάζουν παρόμοια διακύμανση με τη θερινή περίοδο. 8. 6 7. 6. 5 αέρα πίσω από τα ΦΒ πλαίσια 5. 4 φωτοβολταϊκών πλαισίων 4. 3. 3 2. 1.. 2 1 Ένταση ηλιακής 1. Σχήμα 8. Διάγραμμα της θερμοκρασίας αέρα πίσω από τα ΦΒ πλαίσια και της θερμοκρασίας για τυπικό χρονικό διάστημα των χειμερινών μετρήσεων 3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συμπερασματικά, οι μετρήσεις δείχνουν σημαντική διαφορά της επιφανειακής θερμοκρασίας σε σκιασμένα τμήματα του δώματος κάτω από τα ΦΒ πλαίσια και σε τμήματα εκτεθειμένα στην ηλιακή
ακτινοβολία, μείωση του ποσοστού εκπομπής θερμικής από το κτίριο προς το περιβάλλον κατά τη διάρκεια της νύχτας, καθώς και μικρή αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα σε κοντινή απόσταση από το υλικό στήριξης πίσω από τα ΦΒ πλαίσια. Ωστόσο, είναι σημαντικό να ολοκληρωθούν μετρήσεις και σε τυπικές κεκλιμένες στέγες, ώστε να αντληθούν πιο ασφαλή συμπεράσματα για την επίδραση των ΦΒ συστημάτων στην ενεργειακή συμπεριφορά τυπικών ελληνικών κτιρίων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Bigot, D., Miranville, F., Fakra, A., & Boyer, H. (29). A nodal thermal model for photovoltaic systems: Impact on building temperature. Energy and Buildings, 41, 1117-1126. Tawanda, H. (2). A method for predicting long-term average performance of photovoltaic systems. Renewable Energy, 21, 27-229. Tian, W., Wanga, Y., Xieb, Y., Wub, D., Zhuc, L., & Rena, J. (27). Effect of building integrated photovoltaics on microclimate. Building and Environment, 42, 1891-191. Wang, T., Tian, W., Ren, J., Zhu, L., & Wang, Q. (26a). Influence of a building's integrated-photovoltaics on heating and cooling loads. Applied Energy, 83, 989-13. Wang, T., Tian, W., Zhu, L., Ren, J., Liu, Y., & Zhang, J. (26b). Interactions between building integrated photovoltaics and microclimate in urban environments. Journal of Solar Energy Engineering, 126, 168-172. Yataka, G., Masako, I., Yukitaka, O., Yukihiro, K., Hiroshi, T., & Atsushi, I. (23). Impacts of large-scale photovoltaic panel installation on the heat island effect in Tokyo. Fifth international conference on urban climate, (p. 4). Φραγκιαδάκης, I. E. (26). Φωτοβολταϊκά συστήματα (2η εκδ.). Θεσσαλονίκη, Ελλάδα: Ζήτη.