ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ Σεμινάριο: Τεχνικές Βελτίωσης Ενεργειακής Συμπεριφοράς Υφιστάμενων Κτιρίων 14-18 Σεπτεμβρίου 2009 Υπολογισμός ψυκτικών φορτίων Μείωση των ψυκτικών φορτίων κατά το σχεδιασμό των κτιρίων Δρ. Αριστοτέλης Αυγελής Εργαστήριο Μετάδοσης και Περιβαλλοντικής Μηχανικής Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Πολυτεχνική Σχολή Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης
Βασικές αρχές ενεργειακού σχεδιασμού Η καλύτερη πολιτική επιβάλλει τη μείωση της ζήτησης ενέργειας Η αμέσως επόμενη βέλτιστη λύση είναι η ικανοποίηση της εναπομένουσας ζήτησης με τον αποδοτικότερο τρόπο Μάλιστα, αν είναι δυνατό η εναπομένουσα ζήτηση να καλυφθεί από ΑΠΕ
Ταξινόμηση δυνατοτήτων εξοικονόμησης ενέργειας ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΙΩΣΗ ΦΟΡΤΙΩΝ ΑΥΞΗΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣΗΣ Η/Μ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΧΡΗΣΗ ΑΠΕ ΚΕΛΥΦΟΣ ΔΡΟΣΙΣΜΟΣ - ΑΕΡΙΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΙΚΡΟΚΛΙΜΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΩΝ - ΖΕΣΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΒΙΟΜΑΖΑ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΣ
Μείωση ψυκτικών φορτίων: Μικροκλίμα Συγκέντρωση πληθυσμού σε πόλεις και μεγα-πόλεις Οι πόλεις αυξάνουν συνεχώς τα όρια και τον πληθυσμό τους. Η βιομηχανοποίηση και αστικοποίηση έχει αυξήσει δραματικά τον αριθμό των αστικών κτιρίων καθώς και την ενεργειακή τους κατανάλωση. Διαμόρφωση ενός νέου, ανθρωπογενούς περιβάλλοντος Ατμοσφαιρική ρύπανση, αλλαγές στο μικροκλίμα, κτλ. Σήμερα 170 τουλάχιστον πόλεις έχουν πληθυσμό που ξεπερνά το 1 εκ. κατοίκους
Οι πόλεις στον 21ο αιώνα Αστικοποίηση - Συγκέντρωση πληθυσμού σε πόλεις Σε παγκόσμιο επίπεδο: 14% το 1900 30% το 1950 πάνω από 50% το 2000 80% το 2100 (εκτίμηση)
Αστικοποίηση και ενέργεια Αναντίστοιχη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας Η αύξηση του ΑΕΠ κατά 1%, εν γένει, αυξάνει ισόποσα την ενεργειακή κατανάλωση, η αύξηση του αστικού πληθυσμού κατά 1% αυξάνει την ενεργειακή κατανάλωση κατά 2,2%, δηλαδή υπερδιπλασιάζεται. Ποιοτική μεταβολή στη ζήτηση ενέργειας Η αύξηση των απαιτήσεων σε ηλεκτρισμό, την ακριβότερη και δυσκολότερα παραγόμενη μορφή ενέργειας, είναι διπλάσια στον ευρωπαϊκό νότο από τον ευρωπαϊκό μέσο όρο. Η αύξηση αυτή εντοπίζεται στα αστικά κέντρα.
Η αμφίδρομη σχέση που γίνεται φαύλος κύκλος Το φαινόμενο της αστικής νησίδας θερμότητας Όσο μεγαλώνουν οι πόλεις, τόσο γίνονται πιο θερμές. Κατά συνέπεια τα κτίρια, ο «φυσικός» χώρος ζωής του ανθρώπου, χρειάζονται εντονότερο κλιματισμό [ ο C] Θερμοκρασιακό προφίλ της αστικής νησίδας θερμότητας Θερμοκρασία απογευματινών ωρών 33 32 31 30 29 Αγροτική Εμπορική περιοχή περιοχή Ημιαστική περιοχή (κατοικίες) Κέντρο πόλης Αστική περιοχή (κατοικίες) Άλσος (πάρκο) Ημιαστική περιοχή (κατοικίες)
Η αμφίδρομη σχέση που γίνεται φαύλος κύκλος Η προσφυγή στον κλιματισμό Όσο περισσότερο χρησιμοποιούμε τον κλιματισμό, τόσο αυξάνονται: Η απορριπτόμενη θερμότητα στο χαμηλότερο ατμοσφαιρικό στρώμα (ΜΕΣΑ στην πόλη) Η εκπομπή ρύπων, είτε τοπικά στην πόλη, είτε στις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής [ ο C] Θερμοκρασιακό προφίλ της αστικής νησίδας θερμότητας Θερμοκρασία απογευματινών ωρών 33 32 31 30 29 Αγροτική Εμπορική περιοχή περιοχή Ημιαστική περιοχή (κατοικίες) Κέντρο πόλης Αστική περιοχή (κατοικίες) Άλσος (πάρκο) Ημιαστική περιοχή (κατοικίες)
Η αμφίδρομη σχέση που γίνεται φαύλος κύκλος Ο φαύλος κύκλος λειτουργίας των κλιματιστικών συσκευών σε αστικές περιοχές
Το πρόβλημα δεν είναι θεωρητικό Διαφορές θερμοκρασίας προαστίων κέντρων ένα καλοκαιρινό απομεσήμερο Θεσσαλονίκη: 8 ο C (Πηγή: Α.Παπαδόπουλος, 2003)
Το πρόβλημα δεν είναι θεωρητικό Διαφορές θερμοκρασίας προαστίων κέντρων ένα καλοκαιρινό απομεσήμερο Αθήνα: 11 ο C (Πηγή: Μ. Σανταμούρης,2002) Αλλά, για κάθε 1 βαθμό αύξησης απαιτείται 4% περισσότερη ενέργεια για να κλιματιστεί ένα κτίριο. Μέγιστο ηλεκτρικό φορτίο (KW)
Υπάρχουν λύσεις; Η βελτίωση του μικροκλίματος στις πόλεις μπορεί να επιτευχθεί με: Τη χωροταξική διάταξη των κτιρίων Την αύξηση του πρασίνου Υδάτινες επιφάνειες Τη χρήση κατάλληλων υλικών ώστε να εξισορροπηθούν οι αίτιες της αύξησης της θερμοκρασίας
Υπάρχουν λύσεις; Salt Lake City - July 21st - 12:34 Κτίρια 71 C Βλάστηση 36 C Νερό 29 C
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων Οι αστικές χαράδρες χαρακτηρίζονται από τρεις παραμέτρους: H, το μέσο ύψος των κτιρίων W, το πλάτος της δρόμου L, το μήκος του δρόμου L H W Οι τρεις αυτές παράμετροι καθορίζουν τη γεωμετρία της χαράδρας που χαρακτηρίζεται από τρία μεγέθη: Ο λόγος H/W Ο λόγος L/H, Η πυκνότητα κτιρίων j = Ar/A1, όπου Ar η επιφάνεια της οροφής του μέσου κτιρίου και Α1 η συνολική επιφάνεια εδάφους που καταλαμβάνεται από κάθε κτίριο
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων Το ροϊκό πεδίο εντός της αστικής χαράδρας διαμορφώνεται κύρια από τρεις παράγοντες: Τη γεωμετρία του δρόμου Τα χαρακτηριστικά του ανέμου (ταχύτητα και διεύθυνση) πάνω από το δρόμο Το θερμοκρασιακό πεδίο μέσα στο δρόμο, ειδικά στις περιπτώσεις πολύ χαμηλής ταχύτητας ανέμου L W H
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων Ποιότητα αέρα Εξέλιξη των προβλημάτων ρύπανσης της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα στις πόλεις ανάλογα με το επίπεδο ανάπτυξής τους Συγκέντρωση αέριας ρύπανσης _ Αρχή της βιομηχανικής ανάπτυξης Εισαγωγή μέτρων ελέγχου των εκπομπών Σταθεροποίηση της ποιότητας αέρα Βελτίωση της ποιότητας αέρα Εφαρμογή υψηλής τεχνολογίας Οδηγία του ΠΟΥ ή εθνικός κανονισμός Χαμηλό Επίπεδο ανάπτυξης Υψηλό
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων: Ποιότητα αέρα Η αστική χαράδρα σχηματίζεται σε ένα δρόμο μεταξύ δύο σειρών υψηλών κτιρίων. Στις αστικές χαράδρες η συγκέντρωση ρύπων, όπως τα μικροσωματίδια και τα νανοσωματίδια, είναι αυξημένη, διότι οι ρύποι παγιδεύονται και μειώνεται η διάχυσή τους λόγω της μειωμένης ροής αέρα. Σκαρίφημα της ροής σε μία αστική χαράδρα (Britter, 2003)
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων: Ποιότητα αέρα Η επίδραση των κτιρίων είναι ικανή να μεταβάλει τοπικά τις συγκεντρώσεις ρύπων περισσότερο από μία τάξη μεγέθους Όταν ο λόγος Π/Υ=1/2, έχουμε δηλαδή μία βαθιά αστική χαράδρα, τότε η κύρια δίνη αέρα καλύπτει τα 2/3 της περιοχής της χαράδρας και δημιουργείται μία σχεδόν ακίνητη περιοχή κοντά στο έδαφος Αυτό το γεγονός είναι ικανό να αυξήσει τη συγκέντρωση των ρύπων στην περιοχή όπου παρατηρούνται σταθερές συνθήκες Όσο πιο βαθιά είναι η αστική χαράδρα τόσο πιο μεγάλη συγκέντρωση παρατηρείται κατά μήκος της χαράδρας Η αλληλεπίδραση μεταξύ της ροής του αέρα μέσα στη χαράδρα και έξω από αυτή εξασθενίζει όσο πιο μικρός είναι ο λόγος Π/Υ Τα παραπάνω πορίσματα υπογραμμίζουν το γεγονός της αύξησης των επιπέδων ρύπανσης στις αστικές χαράδρες, οι οποίες αποτελούν τη συνήθη διάταξη των κτιρίων στην Ευρώπη
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων: Ποιότητα αέρα Η σχέση ποιότητας αέρα και κατανάλωσης ενέργειας και ο βέλτιστος ρυθμός αερισμού Συγκέντρωση ρύπου Κατανάλωση ενέργειας Συγκέντρωση ρύπου Βέλτιστος ρυθμός αερισμού Συγκέντρωση ρύπου για την αποφυγή προβλημάτων ποιότητας αέρα Κατανάλωση ενέργειας Ρυθμός αερισμού
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων: Ποιότητα αέρα Επιλέχθηκαν δύο επίπεδα συγκέντρωσης CO 2 στον εσωτερικό αέρα: α) 1000 ppm και β) 800 ppm Όσον αφορά στα επίπεδα του CO 2 διαμορφώθηκαν τέσσερα σενάρια: του αέρα του περιβάλλοντος, α) 350 ppm, β) 400 ppm, γ) 450 ppm και δ) 500 ppm.
Χωροταξική διάταξη των κτιρίων: Ποιότητα αέρα ΗβελτίωσητηςΠΕΑαπό1000 ppm σε 800 ppm CO 2 αύξηση της συνολικής απαιτ. ενέργειας για τον αερισμό κατά: 10 kwh/m 2 ετησίως ή 38,2%, αν CO 2 του εξ. περιβ. είναι 350 ppm 20,3 kwh/m2 ετησίως ή 59,2%, αν CO 2 του εξ. περιβ. είναι 500 ppm Ενέργεια (kwh/m 2 /έτος) 60 50 40 30 20 10. Περίοδος θέρμανσης Περίοδος δροσισμού Η αύξηση του CO 2 του αέρα του εξ. περιβ. κατά 150 ppm αύξηση της συνολικής απαιτ. ενέργειας για τον αερισμό κατά 7kWh/m 2 ανά έτος ή 25,8% 0 350 1 400 2 450 3 500 4 3505 400 6 450 7 500 8 Εξωτερικά CO 2 (ppm) 1000 800 Εσωτερικά CO 2 (ppm)
Βλάστηση Ηλιοπροστασία στα κτίρια Επιρροή της βλάστησης και των δέντρων στο μικροκλίμα (τοπικό περιβάλλον) Μείωση της ταχύτητας του αέρα (ανεμοπροστασία) Μείωση της θερμοκρασίας του τοπικού περιβάλλοντος (μέσω εξατμισοδιαπνοής) Φιλτράρισμα του αέρα από ρύπους Απορρόφηση ήχου και θορύβου Παρεμπόδιση της διάβρωσης που προκαλείται από τις βροχοπτώσεις
Βλάστηση: Ηλιοπροστασία στα κτίρια Σκίαση από ένα φυλλοβόλο δέντρο στο διάστημα μιας τυπικής θερινής και χειμερινής ημέρας
Βλάστηση: Ηλιοπροστασία στα κτίρια Η σκίαση, η οποία παρέχεται από ένα δέντρο, είναι καλύτερη από οποιοδήποτε σκίαση μπορούν να προσφέρουν τεχνητές διατάξεις σκιασμού Παράλληλα με την αποφυγή υπερθέρμανσης των σκιασμένων επιφανειών, πραγματοποιείται και μεταβολή των ιδιοτήτων του αέρα γύρω από το δέντρο. Ο αέρας υπό τη σκιασμένη περιοχή ενός δέντρου, είναι τουλάχιστον κατά 4,5 C δροσερότερος σε σχέση με τον αέρα στη μη σκιασμένη περιοχή Άλλη μια διαφοροποίηση σε σχέση με τις τεχνητές κατασκευές, απορρέει από το γεγονός ότι η ακτινοβολία, η οποία ανακλάται στις γύρω επιφάνειες, στην περίπτωση των φυτών είναι ελάχιστη (<20%), ενώ η θερμοκρασιακή άνοδος στη μάζα του φυτού είναι πολύ μικρότερη από οποιοδήποτε τεχνητό υλικό, λόγω των βιολογικών τους διεργασιών
Βλάστηση: Ηλιοπροστασία στα κτίρια Ένα δέντρο φυτεμένο σε κατάλληλη θέση κοντά στον συμπυκνωτή μιας κλιματιστικής μονάδας δύναται να αυξήσει αποφασιστικά το συντελεστή λειτουργίας (COP) του κλιματιστικού μέσω της εξατμισοδιαπνοής και της σκίασης (η μείωση της εξωτερικής θερμοκρασίας πλησίον του συμπυκνωτή έχει ως αποτέλεσμα την ευκολότερη απόρριψη της απαγόμενης από το εσωτερικό του κτιρίου θερμότητας στο περιβάλλον) Γενικά, η παρουσία ενός πλήρως ανεπτυγμένου δέντρου σε μια μονοκατοικία, μπορεί να μειώσει το ψυκτικό φορτίο της κατοικίας κατά 12 24%, ενώ η ύπαρξη τριών όμοιων δέντρων μπορεί να μειώσει τις ανάγκες κλιματισμού από 17 57% Η σκίαση που προκαλείται από τα δέντρα συνεισφέρει κατά 10 35% στη μείωση ενώ το υπόλοιπο ποσοστό οφείλεται στην εξατμισοδιαπνοή
Βλάστηση: Ηλιοπροστασία στα κτίρια Εκτός από τη χρήση δέντρων για το σκιασμό των όψεων ενός κτιρίου, η χρήση αναρριχητικών φυτών μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματική λύση για το σκιασμό και τη μείωση των απωλειών από την πρόσπτωση του ψυχρού ανέμου στην όψη τον χειμώνα Τα αναρριχητικά φυτά, δημιουργούν ένα πρόσθετο κέλυφος, το οποίο προστατεύει τις εξωτερικές επιφάνειες από τις καιρικές επιδράσεις Η συγκεκριμένη λύση παρουσιάζει αυξημένες απαιτήσεις κατά την κατασκευή, προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα υγρασίας Παράδειγμα προστασίας όψης κτιρίου από την παρουσία επιφάνειας πυκνής φύτευσης με αναρριχητικά φυτά
Βλάστηση: Ανεμοπροστασία Η επίδραση των δέντρων στη ροή του ανέμου εντός της πόλης, περιορίζεται τις περισσότερες φορές στη μείωση των στροβιλισμών. Μεγαλύτερη επίδραση μπορεί να έχει σε αραιοκατοικημένες περιοχές, οι οποίες προσβάλλονται από τον άνεμο. Κατά τη χειμερινή περίοδο, η κατάλληλη βλάστηση μπορεί να μειώσει την προσβολή του κτιρίου από τους ψυχρούς ανέμους, κυρίως όταν έχει τη μορφή ανεμοφράκτη. Η ίδια λύση βρίσκει εφαρμογή και κατά τη θερμή περίοδο, όταν απαιτείται προστασία του κτιρίου από τους θερμούς ανέμους. ΣΤΗΝ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ ΑΠΑΝΕΜΑ H 5H 10-15H Βασικά χαρακτηριστικά ροής ανέμου σε μια ζώνη προστασίας
Βλάστηση: Ανεμοπροστασία Ένας ανεμοφράκτης μπορεί να εξυπηρετεί ένα από τους παρακάτω στόχους: τη δημιουργία υπάνεμης περιοχής περιμετρικά της κατοικίας (προστασία ολόκληρης της κατοικίας), την προστασία των όψεων του κτιρίου, που προσβάλλονται άμεσα από την άνεμο (προστασία επιλεγμένων όψεων) Η αποδοτικότητα της πρώτης επιλογής εξαρτάται από το διαθέσιμο χώρο μεταξύ του ανεμοφράκτη και του κτιρίου, σε σχέση με το ύψος του ανεμοφράκτη και την πυκνότητα του φυλλώματος Η δεύτερη λύση είναι απλούστερη και για την υλοποίηση της μπορούν να χρησιμοποιηθούν και θάμνοι. Χρήση δέντρων ως ανεμοφράκτες για την προστασία του κτιρίου από τους ψυχρούς ανέμους
Βλάστηση: Ανεμοπροστασία Χωροθέτηση φυτών στο οικόπεδο φυτών για την προστασία από τους ψυχρούς/θερμούς ανέμους ορισμένης διεύθυνσης
Βλάστηση: Ανεμοπροστασία Πέρα από τη μείωση της επίδρασης του ανέμου στο κτίριο, η βλάστηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την καθοδήγηση των ασθενέστερων αέριων ρευμάτων κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να γίνεται η βέλτιστη δυνατή αξιοποίηση του φυσικού αερισμό των εσωτερικών χώρων Αυτό επιτυγχάνεται είτε με την τοποθέτηση των φυτών κατά τέτοιο τρόπο που να εκτρέπονται οι αέριες μάζες ώστε να εισέλθουν στο κτίριο, είτε με τη δημιουργία περιοχών υποπιέσεων, οι οποίες επιτυγχάνουν ανάλογα αποτελέσματα Αν μάλιστα τα φυτά τα οποία χρησιμοποιούνται ως ανεμοφράκτες παρουσιάζουν έντονη εξατμισοδιαπνοή, ο εισερχόμενος στο κτίριο αέρας, αναμένεται να είναι δροσερότερος του ατμοσφαιρικού, αφού θα ψύχεται διαπερνώντας τη μάζα των φυτών
Βλάστηση: Ανεμοπροστασία Χωροθέτηση φυτών στο οικόπεδο για την εκμετάλλευση των ασθενών αέριων ρευμάτων για το δροσισμό του κτιρίου
Βλάστηση: Εξατμισοδιαπνοή Τι είναι εξατμισοδιαπνοή: Ο μηχανισμός απώλειας νερού προς το περιβάλλον μέσω της αποβολής νερού από τα φύλλα των φυτών υπό μορφή υδρατμών Η λανθάνουσα θερμότητα εξατμισοδιαπνοής είναι περίπου ίση με 2324 kj/kg νερού και αντλείται από τον αέρα του περιβάλλοντος Η διεργασία αυτή μειώνει τη θερμοκρασία του φυλλώματος και συνεπώς τη θερμοκρασία του αέρα, με τον οποίο έρχεται σε επαφή Υπολογίζεται ότι η ποσότητα υδρατμών, που παρέχεται από οποιαδήποτε έκταση με βλάστηση, ισοδυναμεί με 50%-70% της ποσότητας που μπορεί να εξατμιστεί από ίδιου μεγέθους επιφάνεια νερού. Ένα φυτό μπορεί να εξατμίζει ποσότητα νερού ίση με 5 φορές το βάρος του.
Βλάστηση: Εξατμισοδιαπνοή Ένα μικρό δέντρο ύψους 2m και κάτοψης κοντά στα 0.6m² εξατμίζει σε μια θερμή ημέρα περί τα 400g νερού, παρέχοντας ψύξη στον γύρω αέρα της τάξης των 125-250W (210-420W/m²) Τα μεγάλα δέντρα μπορούν να εξατμίσουν περί τα 455l νερού σε μια θερμή ημέρα, παρέχοντας το ίδιο αποτέλεσμα με 5 κλιματιστικές συσκευές σε εικοσάωρη λειτουργία Γενικά, τα μικρά φυτά με πυκνό φύλλωμα, μπορούν να εξατμίζουν μεγαλύτερες ποσότητες νερού από ότι τα δέντρα. Ακόμη στα χαμηλά φυτά, ο παρεχόμενος δροσισμός επηρεάζει κυρίως το έδαφος, το οποίο διατηρεί σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ στα δέντρα, η επιρροή ασκείται στον αέρα, ο οποίος διέρχεται από το φύλλωμα
Βλάστηση Συμπερασματικά, η βλάστηση συμμετέχει με πέντε τρόπους στην αποφυγή της υπερθέρμανσης κατά τη θερινή περίοδο: Με τη σκίαση, που διασφαλίζει το φύλλωμα και παρέχει στις υποκείμενες επιφάνειες, τις όψεις και στα ανοίγματα των κτιρίων Με τη μείωση της ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος, διευκολύνεται η αποβολή θερμότητας από τις θερμές όψεις του κτιρίου Με την εξάτμιση νερού και την παραγωγή δρόσου κατά τις βιολογικές διεργασίες Με την αποφυγή ανάκλασης της ακτινοβολίας σε παρακείμενες επιφάνειες, η οποία θα είχε ως αποτέλεσμα τη θερμική επιβάρυνσή τους Με τη δυνατότητα εκτροπής του ανέμου για μεγαλύτερη απαγωγή θερμικού φορτίου
Υδάτινες επιφάνειες (εξατμιστική ψύξη) Οι υδάτινες επιφάνειες τροποποιούν το μικροκλίμα της περιοχής τους με δύο τρόπους: η εξάτμιση απορροφά θερμότητα από τον αέρα και ο θερμός αέρας ψύχεται κατά την επαφή με την ψυχρότερη επιφάνεια του νερού ΘΕΡΜ. ΚΟΡΕΣΜΟΥ ( Ο C) 2 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Ξ.Β. ( Ο C) 1 (Μπαλαράς κα., 2009) ΑΝΑΛΟΓΙΑ ΥΓΡΑΣΙΑΣ W(g/kg ξ.α.) Δεξαμενές νερού και συντριβάνια μπορούν να χρησιμεύσουν ως πηγές δροσισμού που μειώνουν τη θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα καθώς και του εισερχόμενου στο κτίριο αέρα Καθώς οι υδάτινες επιφάνειες αυξάνουν την υγρασία του αέρα, είναι πολύ ευεργετικές σε ξηρά κλίματα, ωστόσο μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα στη θερμική άνεση σε υγρά κλίματα
Βλάστηση: Υδάτινες επιφάνειες (εξατμιστική ψύξη) Η ενέργεια που απορροφάται από τον αέρα που περνά πάνω από μία οριζόντια υδάτινη επιφάνεια είναι: 160 W/m 2 όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι 30 0 C και η ταχύτητα ανέμου 0 m/s και 640 W/m 2 όταν η θερμοκρασία του του αέρα είναι 30 0 C και η ταχύτητα ανέμου 3 m/s Δροσισμός του αέρα προσαγωγής από υδάτινη επιφάνεια
Εξατμιστική ψύξη Πύργος δροσισμού: ο ζεστός ατμοσφαιρικός αέρας εισέρχεται από το πάνω άκρο, ψεκάζεται με νερό και ψύχεται καθώς κατευθύνεται προς τα κάτω (Μπαλαράς κα., 2009)
Εξατμιστική ψύξη Πύργος δροσισμού: ο ζεστός ατμοσφαιρικός αέρας ψεκάζεται με νερό ή περνά μέσα από μία υγρή επιφάνεια. Ο αέρας ψύχεται λόγω της εξάτμισης του νερού Διεθνής έκθεση Σεβίλλης (EXPO 92): 12 ηλιακοί πύργοι ύψους 30m και συνολικής ψυκτικής ικανότητας 4MW (Μπαλαράς κα., 2009)
Εξατμιστική ψύξη: Έμμεσα συστήματα Ο αέρας δεν έρχεται σε επαφή με το νερό, αλλά η μετάδοση θερμότητας επιτυγχάνεται με έναν εναλλάκτη ΘΕΡΜ. ΚΟΡΕΣΜΟΥ ( Ο C) 2 1 ΑΝΑΛΟΓΙΑ ΥΓΡΑΣΙΑΣ W(g/kg ξ.α.) ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Ξ.Β. ( Ο C) (Μπαλαράς κα., 2009) Ψεκασμός της οροφής ενός κτιρίου: Ψεκασμός νερού που απορροφά θερμότητα από τα υλικά της οροφής και εξατμίζεται Κατανάλωση νερού: 3,2 l/m 2 Μείωση ψυκτικού φορτίου: έως 25% Μείωση θερμοκρασίας: 3-7 0 C (Μπαλαράς κα., 2009)
Ηλιοπροστασία ενός κτιρίου Ηλιοπροστασία ενός κτιρίου 1 Εξωτερικό περιβάλλον 2 Δυνατότητες τοποθέτησης των σκιάστρων πάνω στο κέλυφος του κτιρίου 3 Χρήση εσωτερικών σκιάστρων Επιλογή τύπου σκιάστρων Αρχιτεκτονική του κτιρίου Πρακτικές παραμέτρους: λειτουργικά προβλήματα, συντήρηση/καθαρισμός, αντοχή και αισθητική
Ηλιοπροστασία ενός κτιρίου Οι τεχνικές που εφαρμόζονται για τη σκίαση είναι: εξωτερικές ενδιάμεσες εσωτερικές σταθερές προσαρμόσιμες συνδυασμός των παραπάνω Τα εξωτερικά σκίαστρα είναι περισσότερο αποτελεσματικά καθώς εμποδίζουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία πριν φθάσει στις επιφάνειες του κτιρίου και εισχωρήσει στο εσωτερικό του Τα σκίαστρα πρέπει να παρέχουν καλή ηλιοπροστασία το καλοκαίρι, αλλά δεν πρέπει να μειώνουν τα ηλιακά κέρδη το χειμώνα, να εμποδίζουν το φυσικό φως ή να περιορίζουν τη δυνατότητα φυσικού αερισμού
Ηλιοπροστασία ενός κτιρίου Διάφοροι τύποι σκίαστρων
Ηλιοπροστασία ενός κτιρίου Διάφοροι τύποι εξωτερικών σκίαστρων
Ηλιοπροστασία ενός κτιρίου Διάφοροι τύποι εσωτερικών σκίαστρων
Ηλιοπροστασία ενός κτιρίου Εφαρμογή σωστής σκίασης από σταθερούς προβόλους
Θερμική μάζα Η θερμική μάζα του κτιρίου απορροφά θερμότητα κατά την διάρκεια της ημέρας την οποία αποδίδει σταδιακά, μειώνοντας έτσι τα μέγιστα ψυκτικά φορτία. Η χρονική υστέρηση της μετάδοσης θερμότητας επιτρέπει, με τον συνδυασμό άλλων τεχνικών, όπως για παράδειγμα του νυχτερινού φυσικού αερισμού, την μεταφορά της θερμότητας από τους εσωτερικούς χώρους προς το εξωτερικό περιβάλλον, τις περιόδους που η εξωτερική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη. Θετικές επιπτώσεις και κατά την διάρκεια του χειμώνα, και αποτελεί ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των παθητικών ηλιακών συστημάτων. Η θερμική μάζα είναι πιο αποδοτική όταν βρίσκεται μέσα από την θερμομόνωση του τοίχου. Η εξοικονόμηση ενέργειας που προκύπτει από την μείωση των μέγιστων θερμικών και ψυκτικών φορτίων, μπορεί να φτάσει το 18-20%.
Θερμική μάζα
Θερμική μάζα
Θερμική μάζα και νυχτερινός αερισμός
Αερισμός Διακρίνονται τρεις διαφορετικές στρατηγικές (ανάλογα με την κινητήρια δύναμη) φυσικού αερισμού που απευθύνονται σε διαφορετικές εφαρμογές: Μη διαμπερής αερισμός: Wind variation-induced single-sided ventilation (εφαρμόζεται για τοπικές χρήσεις σε περιπτώσεις όπου αερισμός απαιτείται σε ξεχωριστά δωμάτια) Διαμπερής αερισμός: Wind pressure-driven cross ventilation (εφαρμόζεται σε έναν όροφο ενός κτιρίου και η αποδοτικότητα του εξαρτάται από το σχήμα του κτιρίου και το μικροκλίμα και περιβάλλον γύρω από αυτό)
Αερισμός Φαινόμενο «καμινάδας»: Buoyancy pressure-driven stack ventilation (εφαρμόζεται σε ολόκληρο το κτίριο και η αποδοτικότητα του εξαρτάται από το σχήμα του κτιρίου και την εσωτερική του διαμόρφωση) Συνδυασμός στρατηγικών
Ψυχρά υλικά Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των υλικών που χρησιμοποιούνται στα κτίρια καθορίζουν σε καθοριστικό βαθμό την ενεργειακή τους κατανάλωση και τη θερμική και οπτική άνεση Τέτοια χαρακτηριστικά αποτελούν και η ανακλαστικότητα των υλικών στην ηλιακή ακτινοβολία και ο συντελεστής εκπομπής τους στη μεγάλη μήκους κύματος (θερμική) ακτινοβολία Ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία (Solar reflectance) Η παράμετρος που προσδιορίζει την ικανότητα μιας επιφάνειας να εκτρέπει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Συντελεστής εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας (Infrared emittance) Η παράμετρος που προσδιορίζει την ικανότητα ενός υλικού να αποβάλλει ποσοστά θερμότητας υπό μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας Η χρήση υλικών μεγάλης ανακλαστικότητας στα κτίρια μπορεί να μειώσει την απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία διατηρώντας τις επιφάνειες πιο δροσερές
Ψυχρά υλικά Yλικάλευκάήέγχρωματαοποίαμπορούνναεφαρμοστούν: στο κέλυφος του κτιρίου, σε άλλες επιφάνειες του αστικού δομημένου περιβάλλοντος (π.χ. σε χώρους στάθμευσης, πεζοδρόμια) με στόχο τη μείωση της αναπτυσσόμενης επ αυτών θερμοκρασίας Ψυχρές στέγες: Μία γυαλιστερή λευκή στέγης θερμαίνεται ελάχιστα από τον ήλιο Ωστόσο μία ψυχρή στέγη μπορεί να είναι θερμότερη από μία στέγη με γυαλιστερό λευκό υλικό και να χαρακτηρίζεται αρκεί να είναι ψυχρότερη από μία στέγη από συμβατικό υλικό Πχ. Μία ειδικά σχεδιασμένη «ψυχρή» κόκκινη στέγη έχει θερμοκρασία υψηλότερη από αυτή με γυαλιστερό λευκό υλικό, αλλά χαμηλότερη από μία συμβατική κόκκινη στέγη Αντίθετα μία «ζεστή» στέγη αποτελείται από μία μαύρη συμβατική επιφάνεια, η οποία θερμαίνεται σημαντικά όταν προσπίπτει σε αυτή η ηλιακή ακτινοβολία
Ψυχρά υλικά Αδιαφανής επιφάνεια θερμοκρασίας Τ
Ψυχρά υλικά 95% της ηλιακής ακτινοβολίας προσπίσπτει στο ορατό ή στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα Πηγή: Lawrence Berkeley National Laboratory Ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία (Solar reflectance)= 5% * ανακλαστικότητα στην υπεριώδη + 43% * ανακλαστικότητα στην ορατή + 52%* ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρη
Ψυχρά υλικά Ψυχρή, ανοιχτόχρωμη επιφάνεια Υψηλή ανακλαστικότητα στην ορατή ακτινοβολία Υψηλή ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία Υψηλή ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία Η πιο ψυχρή επιφάνεια Ψυχρή, σκουρόχρωμη επιφάνεια Χαμηλή ανακλαστικότητα στην ορατή ακτινοβολία Υψηλή ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία Μέση ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία Πιο ψυχρή επιφάνεια από την θερμή και σκούρη Πιο θερμή επιφάνεια από την ψυχρή και ανποιχτόχρωμη Θερμή, σκουρόχρωμη επιφάνεια Χαμηλή ανακλαστικότητα στην ορατή ακτινοβολία Χαμηλή ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία Χαμηλή ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία Ο πιο θερμός τύπος επιφάνειας
Ψυχρά υλικά: Υλικά & χρώματα κτιρίων Τοίχοι Οροφές Χρώματα Υλικό / Επιφάνεια Ανακλαστικότητα Σκυρόδεμα 0,10 0,35 Τούβλο/Πέτρα 0,20 0,40 Λευκή πέτρα 0,80 Λευκό μάρμαρο 0,55 Λευκό τούβλο 0,30 0,50 Κόκκινο τούβλο 0,20 0,30 Σκουρόχρωμο τούβλο 0,20 Ασφαλτόπανα 0,07 Άσφαλτος 0,10 0,15 Πίσσα και Χαλίκια 0,08 0,18 Πλακάκια 0,10 0,35 Ειδική ανακλαστική οροφή 0,60 0,70 Λευκό 0,50 0,90 Κόκκινο, Καφέ, Πράσινο 0,20 0,35 Μαύρο 0,02 0,15
Ψυχρά υλικά Δημιουργία ψυχρύ υλικου Στρώσεις επικαλύψεων 1 2
Ψυχρά υλικά Υπόστρωμα υψηλής ανακλαστικότητας Χρήση χρωστικής ύλης με: Ασθενή απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας Υψηλή επανασκέδαση της υπέρυθρης ακτινοβολίας Καλά υλικά: Οξείδιο τιτανίου λευκό Νικέλιο-τιτάνιο κίτρινο Χρώιο-τιτάνιο κίτρινο Πάχος: 100μm Επικάλυψη υψηλής ανακλαστικότητας Χρήση χρωστικής ύλης με: Ασθενή απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας Υψηλή επανασκέδαση της υπέρυθρης ακτινοβολίας (μη προαιρετική) Υψηλή απορρόφηση της ορατής ακτινοβολίας και/ή επανασκέδαση Πάχος: 10μm
Ψυχρά υλικά Ένα συμβατικό σκούρο υλικό απορροφά περισότερη ηλιακή ακτινοβολία Η αύξηση της ανακλαστικότητας της ηλιακής ακτινοβολίας: Μειώνει τα ηλιακά θερμικά κέρδη Μειώνει τη θερμοικρασία της επιφάνειας Ηυψηλήεκπομπή(θερμική) της ηλιακής ακτινοβολίας: Διευκολύνει την ψύξη Βοηθά στη συγκράτηση της θερμοκρασίας χαμηλά Η μείωση της θερμοκρασίας της οροφής μπορεί να μειώσει: Τις ψυκτικές ανάγκες του χώρου και επομένως την ενέργεια για ψύξη και το κόστος Το μέγιστο φορτίο αιχμής Τη θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος
Ψυχρά υλικά Οφέλη: Αύξηση των επιπέδων θερμικής άνεσης Επιβράδυνση της δημιουργίας αιθαλομίχλης Μετριασμός του φαινομένου της «αστικής νησίδας θερμότητας» Μειωνεκτήματα: Μικρή αύξηση του θερμικού φορτίου και επομένως της ενέργειας Επιβάρυνση της ποιότητας αέρα στα αστικά κέντρα την περίοδο θέρμανσης
ΒΑΓΔΑΤΗ ΔΑΜΑΣΚΟΣ ΤΟΚΙΟ ΝΥ ΜΑΙΑΜΙ ΡΩΜΗ Ψυχρά υλικά 150 120 90 60 30 0 SR=0,2 SR=0,6 SR=0,85 60 50 40 30 20 10 0 A. Synnefa, M. Santamouris, H. Akbari, Estimating the effect of using cool coatings on energy loads and thermal comfort in residential buildings in various climatic conditions, Energy and Buildings 39 (2007) 1167 1174 ΒΑΓΔΑΤΗ ΔΑΜΑΣΚΟΣ ΤΟΚΙΟ ΝΥ ΜΑΙΑΜΙ SR=0,6 SR=0,85 ΡΩΜΗ ΑΘΗΝΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΧΑΝΙΑ ΒΑΡΚΕΛΩΝΗ ΑΘΗΝΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΧΑΝΙΑ ΒΑΡΚΕΛΩΝΗ ΨΥΚΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ (kwh/m 2 ) Μείωση ψυκτικού φορτίου (%)
Ψυχρά υλικά Στα ψυχρά κλίματα όπου οι ανάγκες για θέρμανση είναι αυξημένες επιλέγονται σκούρα χρώματα για τις προσόψεις των κτιρίων Στα θερμά κλίματα με μεγάλη ηλιοφάνεια θα πρέπει στην επιφάνεια των προσόψεων να χρησιμοποιούνται ανοιχτά χρώματα και υλικά με μικρό συντελεστή απορροφητικότητας και μεγάλη ανακλαστικότητα A. Synnefa, M. Santamouris, H. Akbari, Estimating the effect of using cool coatings on energy loads and thermal comfort in residential buildings in various climatic conditions, Energy and Buildings 39 (2007) 1167 1174
Ψυχρά υλικά Η επίδραση της ανακλαστικότητας στη θερμική άνεση (χρόνος υπέρβασης των 27 0 C) ΩΡΕΣ 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 SR=0,2 SR=0,6 SR=0,85 ΑΘΗΝΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΧΑΝΙΑ ΒΑΡΚΕΛΩΝΗ ΔΑΜΑΣΚΟΣ ΤΟΚΙΟ ΝΥ ΜΑΙΑΜΙ % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ΑΘΗΝΑ SR=0,6 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΧΑΝΙΑ SR=0,85 ΒΑΡΚΕΛΩΝΗ ΔΑΜΑΣΚΟΣ ΤΟΚΙΟ ΝΥ ΜΑΙΑΜΙ A. Synnefa, M. Santamouris, H. Akbari, Estimating the effect of using cool coatings on energy loads and thermal comfort in residential buildings in various climatic conditions, Energy and Buildings 39 (2007) 1167 1174
Ψυχρά υλικά Η επίδραση των ψυχρών υλικών στο περιβάλλον
Ψυχρά υλικά Αρχές σχεδιασμού Υψηλή ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία + υψηλή θερμική εκπομπή = επιφάνεια χαμηλής θερμοκρασίας Οι ανοιχτόχρωμες επιφάνειες με υψηλή ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία είναι οι πιο ψυχρές Οι σκουρόχρωμες επιφάνειες με χαμηλή ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολία είναι οι πιο θερμές Οι σκουρόχρωμες επιφάνειες με υψηλή ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία βρίσκονται κάπου ενδιάμεσα Συμπερασματικά Ημηχανική Μη μεταλλικές επιφάνειες έχουν υψηλήθερμικήεκπομπή Χρήση υποστρώματος με υψηλή ανακλαστικότητα στην εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία Χρήση χρωστικών υλών με χαμηλή απορρόφηση στην εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία και υψηλή επανασκέδαση της εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας Αποφυγή χρωστικών υλών με υψηλή απορρόφηση της εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας
ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ Σεμινάριο: Τεχνικές Βελτίωσης Ενεργειακής Συμπεριφοράς Υφιστάμενων Κτιρίων 14-18 Σεπτεμβρίου 2009 Υπολογισμός ψυκτικών φορτίων Μείωση των ψυκτικών φορτίων κατά το σχεδιασμό των κτιρίων Σας ευχαριστώ... Δρ. Αριστοτέλης Αυγελής Εργαστήριο Μετάδοσης και Περιβαλλοντικής Μηχανικής Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Πολυτεχνική Σχολή Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης