ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΚΤΙΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1

Η ακόλουθη μελέτη και εφαρμογή βασίζεται σε κτίριο πέντε ορόφων που χωροθετείται στην πόλη του Βόλου του νομού Μαγνησίας, στη διασταύρωση των οδών Κ.Καρτάλη και Τ.Οικονομάκη, καταλαμβάνοντας έκταση περίπου 265 τ.μ. [εικόνα 1, 2, 3, 4]. Η επιλογή του συγκεκριμένου κτιρίου είναι τυχαία, όσον αφορά την τοποθεσία, και έγινε με μόνο γνώμονα τη στήριξη της μελέτης σε μία υπάρχουσα κατασκευή σε πυκνοδομημένο αστικό περιβάλλον. Η αρχιτεκτονική και η δομή του κτιρίου, όπως και του γύρου περιβάλλοντος, δε βασίζονται αποκλειστικά στην πραγματικότητα, καθώς γίνονται ορισμένες παραδοχές σε κάποιες περιπτώσεις. Στο ισόγειο του κτιρίου, πέρα από τον κοινόχρηστο χώρο του κλιμακοστασίου, υπάρχουν τέσσερις χώροι που λειτουργούν ως καταστήματα-γραφεία, μέσης έκτασης 70 τ.μ. περίπου. Κάθε όροφος του κτιρίου περιλαμβάνει δύο διαμερίσματα, έκτασης περίπου 110 τ.μ. το καθένα. Έτσι, έχουμε συνολικά 10 διαμερίσματα, καθένα από τα οποία έχει τρία υπνοδωμάτια, δύο μπάνια, καθιστικό και κουζίνα. Το άθροισμα των εμβαδών των εσωτερικών χώρων της κατασκευής καταλαμβάνει έκταση 1.380 τ.μ. περίπου, στα οποία δεν περιλαμβάνεται ο κοινόχρηστος και μη θερμαινόμενος χώρος του κλιμακοστασίου. Υποθέτουμε, επίσης ότι, τόσο το κτίριο μελέτης, όσο και τα γύρω κτίρια, εκμεταλλεύονται πλήρως το μέγιστο επιτρεπτό ύψος δόμησης της συγκεκριμένης περιοχής που είναι τα 22 μέτρα. Τέλος, θεωρούμε ότι το συγκεκριμένο κτίριο είναι κατασκευασμένο τη δεκαετία του 1970, με σκελετό από οπλισμένο σκυρόδεμα, χωρίς μόνωση, η εξωτερική τοιχοποιία αποτελείται από διπλό τούβλο, ενώ τα ανοίγματα έχουν μεταλλικά κουφώματα και μονούς υαλοπίνακες.

ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΒΑΣΙΚΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ

Το 'ΒΑΣΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ' που εφαρμόζεται, με βάση το οποίο θα γίνουν στη συνέχεια οι συγκρίσεις, αποσκοπεί σε σημαντική βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης του κτιρίου. Έτσι, πραγματοποιούνται εξ αρχής ορισμένες βασικές αλλαγές στο κέλυφος της κατασκευής που αφορούν τη μόνωση της εξωτερικής τοιχοποιίας και του δώματος, καθώς και την αντικατάσταση των κουφωμάτων και των υαλοπινάκων. Για τα ανοίγματα επιλέγονται ξύλινα κουφώματα και διπλοί υαλοπίνακες με χαμηλό συντελεστή εκπομπής, 16 χιλιοστά διάκενο και αέριο argon, επιτυγχάνοντας u-value=1,5 W/m²K [1]. Στους εξωτερικούς τοίχους τοποθετείται, εξωτερικά, μόνωση εξηλασμένης πολυστερίνης 5 εκατοστών, με αποτέλεσμα να πετυχαίνουν πλέον u-value=0,5 W/m²K [εικόνα 1]. Tέλος, μονώνεται το δώμα με 10 εκατοστά διογκωμένης πολυστερίνης, επιτυγχάνοντας u-value=0,32 W/m²K [εικόνα 2].

ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΑ ΥΠΟΛΟΙΠΑ ΣΕΝΑΡΙΑ

Στη συνέχεια, με σκοπό την περαιτέρω αναβάθμιση της ενεργειακής απόδοσης της κατασκευής, θα υπολογιστούν εκ νέου οι ενεργειακές απαιτήσεις της, για θέρμανση, ψύξη και λειτουργία εξοπλισμού σε τέσσερα διαφορετικά σενάρια. Στα τρία από αυτά τα σενάρια θα πραγματοποιηθούν αλλαγές προς διαφορετική κατεύθυνση, ενώ το τέταρτο αποτελεί το 'ΙΔΑΝΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ', κατά το οποίο εφαρμόζονται ταυτόχρονα οι αλλαγές και των τριών προηγούμενων σεναρίων. Με αυτό τον τρόπο, γίνεται εύκολα αντιληπτή η επιρροή που έχει στην ενεργειακή κατανάλωση της κατασκευής, η εισαγωγή κάθε φορά διαφορετικών δεδομένων και παραμέτρων, καθώς επίσης και σε τη βαθμό τη διαμορφώνουν και τη μεταβάλλουν οι αλλαγές που πραγματοποιούνται κάθε φορά.

ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1

Παράλληλα με τον υπολογισμό των ενεργειακών απαιτήσεων του κτιρίου κατά τη διάρκεια ενός έτους, γίνεται και προσπάθεια κάλυψης μέρους αυτών των αναγκών μέσα από την εκμετάλλευση ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Στη συγκεκριμένη περίπτωση προωθείται η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο κέλυφος του κτιρίου, με την εγκατάσταση συστήματος φωτοβολταϊκών ηλιακών συλλεκτών σε επιλεγμένα σημεία του δώματος καθώς και των όψεων του. Τα σημεία επιλέγονται με βάση τη συνολική ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνουν ανά τετραγωνικό μέτρο, καθ’ όλη τη διάρκεια ενός έτους, με σκοπό την αύξηση της αποδοτικότητας του συστήματος. Επιπλέον, επιδιώκεται, η τοποθέτησή τους να γίνεται σε συγκεκριμένα σημεία, ώστε να μην επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη δομή και την αρχιτεκτονική του κτιρίου.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΔΩΜΑΤΟΣ

Στο μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του δώματος του κτιρίου, τοποθετούνται φωτοβολταϊκοί ηλιακοί συλλέκτες. Η συνολική έκταση που καταλαμβάνουν ανέρχεται σε 267 τ.μ. Στην έκταση αυτή τοποθετούνται σε οριζόντια διάταξη και σε ύψος 0,8 μέτρα από το επίπεδο της πλάκας του τελευταίου ορόφου 157 συλλέκτες, επιφάνειας 1,7 τ.μ. ο καθένας [1,7*1,0 μέτρα οι διαστάσεις του] και ονομαστικής ισχύος 240 Watt. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς ανέρχεται επομένως στα 37,68 kW [εικόνες 1, 2, 3]. Δεν λαμβάνουν, όμως, όλοι οι συλλέκτες την ίδια ποσότητα ηλιακής ενέργειας κατά τη διάρκεια του έτους, καθώς η ίδια επηρεάζεται από τη γεωμετρία και τη θέση τόσο του ίδιου του κτιρίου, όσο και των γειτονικών, όπως επίσης και από τον προσανατολισμό τους.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΣΤΗΝ ΟΨΗ ΤΗΣ ΟΔΟΥ Κ.ΚΑΡΤΑΛΗ

Θέλοντας να εκμεταλλευτούμε και την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στις όψεις του κτιρίου τοποθετούνται σε αυτές φωτοβολταϊκοί ηλιακοί συλλέκτες σε κατακόρυφη διάταξη. Η συνολική έκταση που καταλαμβάνουν στην όψη της οδού Κ.Καρτάλη ανέρχεται σε 108,8 τ.μ. Σε επιλεγμένα σημεία με ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία μεγαλύτερη από 660 kWh/τ.μ. τοποθετούνται 64 φωτοβολταϊκοί συλλέκτες, επιφάνειας 1,7 τ.μ. ο καθένας [διαστάσεων 1,7*1,0 μέτρα] και ονομαστικής ισχύος 240 Watt. Η συνολική εγκαταστημένη ισχύς ανέρχεται επομένως σε 15,36 kW [εικόνες 1, 2, 3]. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια του έτους, δε λαμβάνουν όλοι οι συλλέκτες την ίδια ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς αυτή επηρεάζεται από τον προσανατολισμό του κτιρίου, τη γεωμετρία και τη θέση τόσο του ίδιου του κτιρίου, όσο και των γειτονικών, καθώς και από τα στοιχεία του περιβάλλοντος χώρου.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΣΤΗΝ ΟΨΗ ΤΗΣ ΟΔΟΥ Τ.ΟΙΚΟΝΟΜΑΚΗ

Θέλοντας να εκμεταλλευτούμε την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στις όψεις του κτιρίου τοποθετούνται σε αυτές φωτοβολταϊκοί ηλιακοί συλλέκτες σε κατακόρυφη διάταξη. Η συνολική έκταση που καταλαμβάνουν στην όψη της οδού Τ.Οικονομάκη ανέρχεται σε 108,8 τ.μ.  Σε επιλεγμένα σημεία με ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία μεγαλύτερη από 580 kWh/τ.μ. τοποθετούνται 64 φωτοβολταϊκοί συλλέκτες, επιφάνειας 1,7 τ.μ. ο καθένας [με διαστάσεις 1,7*1,0 μέτρα] και ονομαστικής ισχύος 240 Watt. Η συνολική εγκαταστημένη ισχύς ανέρχεται επομένως σε 15,36 kW [εικόνες 1, 2, 3]. Ωστόσο, δε δέχονται όλοι οι συλλέκτες την ίδια ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια ενός έτους, καθώς η ίδια επηρεάζεται από τον προσανατολισμό του κτιρίου, τη γεωμετρία και τη θέση τόσο του ίδιου του κτιρίου, όσο και των γειτονικών, καθώς και από τα υπόλοιπα στοιχεία του γύρω περιβάλλοντος.

ΕΤΗΣΙΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1

Με το ετήσιο ισοζύγιο ενεργειακής κατανάλωσης, υπολογίζεται το ποσοστό των ενεργειακών αναγκών της κατασκευής που μπορεί να καλυφθεί από την εκμετάλλευση ανανεώσιμων μορφών ενέργειας κατά τη διάρκεια ενός έτους. Άρα, αφορά και την ποσότητα ενέργειας που υπολείπεται ώστε το ισοζύγιο να γίνει μηδενικό, καθώς και το πλεόνασμα ενέργειας, εφόσον υπάρχει. Έτσι, η συνολική κατανάλωση του κτιρίου αποτελεί το άθροισμα των επιμέρους καταναλώσεων για θέρμανση, ψύξη και λειτουργία του εξοπλισμού, ενώ η παραγωγή ενέργειας, αυτή που προσφέρει το σύστημα φωτοβολταϊκών ηλιακών συλλεκτών που έχει εγκατασταθεί. Στον πίνακα που ακολουθεί [εικόνα 1], παρουσιάζονται οι επιμέρους καταναλώσεις ενέργειας, καθώς και το ετήσιο ισοζύγιο για όλα τα σενάρια που μελετήθηκαν, ενώ στη συνέχεια ακολουθεί αναλυτική περιγραφή για καθένα από τα σενάρια ξεχωριστά.

ΕΤΗΣΙΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΠΡΩΤΟΓΕΝΟΥΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1

Εφόσον έχει ήδη υπολογιστεί τόσο η κατανάλωση όσο και η παραγωγή ενέργειας της κατασκευής, στη συνέχεια, είναι εύκολο να μετατραπεί σε πρωτογενή. Η εύρεση του ετήσιου ισοζυγίου πρωτογενούς ενέργειας μίας κατασκευής αποτελεί ένα αξιόπιστο και αποτελεσματικό τρόπο εντοπισμού της επιρροής του κτιρίου στο ενεργειακό σύστημα. Παρόλα αυτά, δε λαμβάνεται υπόψην η διαθεσιμότητα της κάθε μορφής ενέργειας καθώς και η μόλυνση που προκαλεί. Για τον υπολογισμό της πρωτογενούς ενέργειας που δαπανάται για τη λειτουργία του κτιρίου κατά τη διάρκεια ενός έτους, απαιτείται η χρήση του συντελεστή μετατροπής της καταναλισκόμενης ενέργειας σε πρωτογενή, καθώς και του συντελεστή απόδοσης της κάθε μορφής ενέργειας. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, οι συντελεστές που θα χρειαστούν είναι του φυσικού αερίου και της ηλεκτρικής ενέργειας. Ο συντελεστής μετατροπής του φυσικού αερίου σε πρωτογενή ενέργεια είναι 1,05, ενώ της ηλεκτρικής ενέργειας 2,9. Από την άλλη πλευρά, η απόδοση του λέβητα φυσικού αερίου που χρησιμοποιείται είναι 0,9 ενώ των κλιματιστικών μονάδων είναι 5 [COP]. Η ηλεκτρική ενέργεια, ωστόσο, που χρησιμοποιείται για τη λειτουργία του εξοπλισμού της κατασκευής, όπως και αυτή που παράγεται τελικώς από το σύστημα ανανεώσιμων πηγών δεν επηρεάζεται από κάποιο συντελεστή απόδοσης. Στη συνέχεια, γνωρίζοντας την ποσότητα ενέργειας που είναι σε θέση να παράξει το κτίριο το αντίστοιχο χρονικό διάστημα, μπορεί να υπολογιστεί το ετήσιο ισοζύγιο του, που στην προκειμένη περίπτωση θα αναφέρεται στην πρωτογενή ενέργεια. Συνεπώς, η πρωτογενής ενέργεια που καταναλώνεται διαμορφώνεται από τον παρακάτω τύπο:

ΕΤΗΣΙΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1

Το ετήσιου ισοζυγίου εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα μιας κατασκευής αποτελεί το αποτελεσματικότερο μοντέλο για πράσινη ανάπτυξη, καθώς εστιάζει στα αέρια του θερμοκηπίου που εκπέμπει στην ατμόσφαιρα και, συνεπώς, τη μόλυνση που προκαλεί. Για τον υπολογισμό των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα της κατασκευής στη διάρκεια ενός έτους, απαιτείται αρχικά ο υπολογισμός της ενεργειακής κατανάλωσης το αντίστοιχο χρονικό διάστημα, ο οποίος έχει ήδη πραγματοποιηθεί. Επιπλέον, είναι απαραίτητη η χρήση του συντελεστή απόδοσης της κάθε μορφής ενέργειας καθώς και της ποσότητας εκλυόμενων ρύπων ανά μονάδα ενέργειας [kgCO2/kWh]. Το σύστημα φυσικού αερίου έχει απόδοση 0,9 και εκπομπές 0,196 κιλά διοξειδίου του άνθρακα ανά κιλοβατώρα, ενώ το σύστημα κλιματισμού έχει απόδοση [COP] 5 και εκπομπές 0,989 kgCO2/kWh, διότι χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια. Επίσης, η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία του εξοπλισμού του όπως και αυτή που παράγεται από την εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας δεν επηρεάζονται από την απόδοση του συστήματος και επιβαρύνουν ή συνεισφέρουν αντίστοιχα κατά 0,989 κιλά διοξειδίου του άνθρακα ανά κιλοβατώρα στις εκπομπές. Συνεπώς, οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα υπολογίζονται από τον τύπο:

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1

Καταλήγοντας, παρατηρείται ότι στο μοναδικό σενάριο που επιτεύχθηκε μηδενικό ετήσιο ισοζύγιο, ήταν ισοζύγιο εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και μόνο στην περίπτωση του ΊΔΑΝΙΚΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ’. Σε καμία από τις υπόλοιπες δύο προσεγγίσεις [ενεργειακή κατανάλωση, κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας] ή σε κάποιο άλλο σενάριο δεν επιτεύχθηκε κάτι αντίστοιχο. Στον υπολογισμό του ισοζυγίου ενεργειακής κατανάλωσης, η βέλτιστη επίδοση πέτυχε 59,3% κάλυψη, ενώ στην περίπτωση της πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας το μέγιστο ποσοστό ανήλθε στο 89%. Παρόλα αυτά, εφόσον σκοπός της κατασκευής και της μελέτης είναι η μείωση της περιβαλλοντικής μόλυνσης, η προσέγγιση που αφορά τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα αποτελεί την πιο αποτελεσματική μέθοδο σύγκρισης, θέτοντας το ισοζύγιο εκπομπών το βασικό στόχο υλοποίησης. Με την επίτευξη ετήσιου ισοζυγίου μηδενικών εκπομπών μίας υπάρχουσας κατασκευής σε ένα πυκνοδομημένο περιβάλλον γίνεται κατανοητό ότι ο συγκεκριμένος στόχος θεωρείται εφικτός ακόμα και σε κατασκευές στον αστικό ιστό.

ΠΙΝΑΚΕΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1

Στους πίνακες που ακολουθούν [εικόνες 1, 2, 3] παρουσιάζονται ξεχωριστά για καθένα από τα πέντε σενάρια-εκδοχές που πραγματοποιήθηκαν [ΒΑΣΙΚΟ, Α’, Β’, Γ’, ΙΔΑΝΙΚΟ], η ετήσια ενεργειακή κατανάλωση του κτιρίου, η κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας και οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα για τη θέρμανση, την ψύξη, τη λειτουργία εξοπλισμού, τόσο συνολικά, όσο και για κάθε τετραγωνικό μέτρο. Ταυτόχρονα, φαίνεται η σημασία της εγκατάστασης συστήματος εκμετάλλευσης ανανεώσιμων μορφών ενέργειας, τόσο ποσοτικά, όσο και ποσοστιαία, υπολογίζοντας τη συνεισφορά τους στο ετήσιο ισοζύγιο της κατασκευής για κάθε προσέγγιση. Σε κάθε μία από τις τρεις περιπτώσεις, η ‘ΠΑΡΑΓΩΓΗ’ αφορά την ποσότητα που συνεισφέρει η εγκατάσταση του συστήματος εκμετάλλευσης ανανεώσιμων μορφών ενέργειας στην εκάστοτε προσέγγιση ισοζυγίου, μεταφρασμένο ανάλογα με την περίπτωση, σε κατανάλωση ενέργειας, κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας και εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα Με τον τρόπο αυτό γίνεται ευκολότερα αντιληπτή η επίδραση των αλλαγών που πραγματοποιήθηκαν κάθε φορά, σε διάστημα ενός έτους, για κάθε μία από τις τρείς διαφορετικές προσεγγίσεις.