Δυναμικός υπολογισμός του συντελεστή θερμοπερατότητας Κ σε φυτεμένα δώματα και της εξοικονομούμενης ενέργειας σε μονώροφο κτίριο από την εγκατάσταση τους.
Κοτσίρης Γ.1, Ανδρουτσόπουλος Α.2, Νεκτάριος Π.1, Πολυχρόνη Ε.2
1Εργ. Ανθοκομίας και Αρχιτεκτονικής Τοπίου, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθήνας,
2ΚΑΠΕ, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας.
2ΚΑΠΕ, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Τα φυτεμένα δώματα εκτός της αισθητικής αναβάθμισης και των πολλών θετικών περιβαλλοντικών τους επιδράσεων, αποτελούν πλέον μια ώριμη τεχνολογία εξοικονόμησης ενέργειας. Η παρούσα εργασία προσδιορίζει ποσοτικά τις θερμομονωτικές ιδιότητες των φυτεμένων δωμάτων, υπολογίζοντας τον συντελεστή θερμοπερατότητας Κ σε πραγματική κλίμακα και δυναμικές συνθήκες στο Θάλαμο Δοκιμών του ΚΑΠΕ κατά την τυποποιημένη μέθοδο του διευρωπαϊκού προγράμματος PASLINK.Τέλος οι τιμές Κ εισάχθηκαν στο λογισμικό TRANSYS και υπολογίστηκε η εξοικονόμηση ενέργειας που θα εξασφαλίζονταν σε ένα βασικό τύπο κτιρίου με και χωρίς θερμομόνωση, με την εγκατάσταση σε αυτό των φυτεμένων δωμάτων που αξιολογήθηκαν.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια είναι μεταξύ των συστάσεων της Θεματικής Στρατηγικής πάνω στο Αστικό Περιβάλλον της Ευρωπαϊκής ένωσης, σκοπεύοντας στη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα μέσω της κατασκευής αειφόρων κτιρίων στις σύγχρονες πόλεις (CEC, 2006). Ο σκοπός είναι σημαντικός ειδικά σε κλίματα με ήπια ψυχρό χειμώνα και θερμό καλοκαίρι όπου ταυτόχρονα πρέπει να διασφαλιστούν και η θερμική μόνωση και η προστασία από υπερθέρμανση του κελύφους των κτιρίων. Σε τέτοιες κλιματικές ζώνες οι στέγες έχουν μεγάλες θερμικές προσόδους λόγω της έντασης και διάρκειας της ηλιακής ακτινοβολίας το καλοκαίρι και έτσι επιβαρύνεται σημαντικά η ψυκτική απόδοση των κτιρίων με αποτέλεσμα συνθήκες υπερθέρμανσης και η θερμική άνεση στο εσωτερικό τους να μετατοπίζεται στη ζώνη της δυσφορίας (Kotsiris and Androutsopoulos, 2008).
Η διαδεδομένη χρήση του μηχανικού κλιματισμού στα κτίρια, αφενός αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας για ψύξη και θέρμανση, αφετέρου προκαλεί την εκπομπή στο περιβάλλον μεγάλων ποσών θερμότητας και συχνά ισοδύναμες με τα άμεσα ηλιακά κέρδη (Watkins, 2000).
Έχει από πολλά χρόνια ήδη υπογραμμισθεί ότι είναι επιτακτικό να βρεθούν εναλλακτικές λύσεις στον μηχανικό κλιματισμό για την εξασφάλιση της θερμικής άνεσης στο εσωτερικό των κτηρίων, με την διερεύνηση των τρόπων ταπείνωσης ή μηδενισμού των ψυκτικών φορτίων των κτηρίων (Iosifides, 1998). Η παραγωγή βιοκλιματικού χάρτη, έδειξε πως ακόμα και για ένα πολύ καλά σχεδιασμένο και μονωμένο κτίριο, είναι δυνατόν να επεκταθεί η ζώνη θερμικής άνεσης των χρηστών με τη χρήση τεχνικών άμεσου και έμμεσου δροσισμού με εξάτμιση (Kotsiris and Androutsopoulos, 2008).
H φυτοκάλυψη των δωμάτων είναι μία τεχνολογία η οποία μέσω της υγρασίας του υποστρώματος και της στρώσης αποθήκης νερού, οδηγεί στην ψύξη του κελύφους του κτιρίου με αγωγή προκαλώντας την άνοδο της αισθητής θερμότητας του υποστρώματος και με συναγωγή μέσω της εξατμισοδιαπνοής (λανθάνουσα θερμότητα) Όταν το υπόστρωμα συγκρατεί νερό, όχι μόνο ελαχιστοποιούνται οι θερμικές πρόσοδοι, αλλά λαμβάνει χώρα και ροή θερμότητας προς το περιβάλλον, έτσι ώστε ένα σύστημα φυτοκάλυψης να λειτουργεί σαν παθητικός ψύκτης (Lazzarin et al., 2005). Η θετική συνεισφορά της φυτοκάλυψης στη μείωση των θερμικών προσόδων στο κτίριο επιτυγχάνεται επίσης και από την σκίαση του κελύφους από τα φυτά (Papadakis et al., 2001), με σημαντική συνεισφορά της πυκνότητας της φυλλικής επιφανείας (Wong, 2003, Theodosiou, 2003).
Όμως φαίνεται πως βελτιστοποιώντας την επίδοση της φυτοκάλυψης για την καλοκαιρινή περίοδο γίνεται λιγότερο αποδοτική για τον χειμώνα (Palomo Del Barrio, 1998) και τα ενεργειακά οφέλη είναι περιορισμένα το χειμώνα σε καλά μονωμένα κτίρια και σε συνήθη βάθη υποστρωμάτων (Niachou et al., 2001).
Ο υπολογισμός του συντελεστή θερμοπερατότητας ως κριτήριο της θερμικής απόδοσης του κτιρίου έχει ήδη επιχειρηθεί. Ωστόσο μέχρι σήμερα περιορίστηκε σε αριθμητικούς υπολογισμούς κάτω από συνθήκες σταθερής κατάστασης, (Wong et al. 2003).
Η παρούσα εργασία βρίσκεται έτσι σε θέση να ανταποκριθεί στην ζήτηση που αναπτύσσεται στον τεχνικό , κατασκευαστικό κλάδο δείχνοντας μια αξιόπιστη διαδικασία υπολογισμού του Κ για φυτεμένα δώματα. Συστήματα φυτεμένων δωμάτων με διαφορετικά υποστρώματα, εγκαταστάθηκαν στην θέση μετακινούμενης οροφής Θαλάμου Δοκιμών του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο Πικέρμι Αττικής (Kotsiris et al., 2012).
Διάγραμμα 1. Το στοιχείο που μετρήθηκε. Η πλάκα σκυροδέματος μαζί με το πολύ-επίπεδο σύστημα φυτεμένου δώματος που κατασκευάστηκε στην οροφή του Θαλάμου Δοκιμών του ΚΑΠΕ.
Ο Θάλαμος Δοκιμών, αφορά τυποποιημένη μεθοδολογία για τη θερμική αξιολόγηση υλικών και συστημάτων του κελύφους των κτιρίων, από το διευρωπαϊκό πρόγραμμα PASLINK.
Διάγραμμα 2. Διαγραμματική απεικόνιση του θαλάμου δοκιμών του ΚΑΠΕ με το σύστημα ψύξης και δροσισμού.
Όλες οι μετρήσεις από τον Θάλαμο Δοκιμών συλλέγονταν από ένα κεντρικό Καταγραφικό HP-DAS 3852A ανά λεπτό και δεκάλεπτο ενώ η παρακολούθηση της καταγραφής και ο έλεγχος του εξοπλισμού γινόταν μέσω ειδικού λογισμικού επικοινωνίας (interface) που αναπτύχθηκε ειδικά για τον σκοπό αυτό, πάνω στην πλατφόρμα προγραμματισμού VEE..
Οι μετρήσεις μετά από επεξεργασία εισάγονταν σε ειδικό λογισμικό (LORD) για τον υπολογισμό του συντελεστή θερμοπερατότητας K.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται οι συντελεστές θερμοπερατότητας U που υπολογίστηκαν για τα τρία συστήματα φυτεμένων δωμάτων με επικάλυψη χλοοτάπητα και συνολικό πάχος υποστρώματος 10 cm. Παρατίθενται επίσης τα U για μια τυπικά μονωμένη οροφή και την οροφή του βιοκλιματικού κτιρίου του ΚΑΠΕ.
Πίνακας 1. Τιμές U για τρία συστήματα πράσινων δωμάτων με υπόστρωμα πάχους 10 cm και 20 cm , για μια συμβατικά μονωμένη οροφή και για την οροφή του βιοκλιματικού κτιρίου.
Η οροφή του βιοκλιματικού κτιρίου του ΚΑΠΕ, βρίσκεται στο Πικέρμι και έχει μονωθεί με 5 cm εξηλασμένης πολυστερίνης. Η οροφή ενός συμβατικού κτιρίου αναφέρεται σε μόνωση με περλιτομπετόν πάχους 17 cm και με φαινόμενο ειδικό βάρος 0.44 g cm-3 και μαλτεζόπλακες. Η υγρασία των υποστρωμάτων βρίσκονταν στην υδατοϊκανότητα.
Στην συνέχεια οι τιμές U που υπολογίστηκαν εισαχθήκαν στο λογισμικό TRNSYS για την ενεργειακή αξιολόγηση ενός τύπου μονώροφου κτιρίου αναφοράς (Εικόνα 1), σε δύο εκδοχές, μιας με αμόνωτο δώμα και μιας με θερμομόνωση στο δώμα κατά ΚΕΝΑΚ (με θερμομονωτικό πάχους 6cm και λ=0,038 W/m.K). Οι θερμοκρασίες αναφοράς που εισαχθήκαν στο λογισμικό ήταν 20oC για χειμώνα και 26oC, ενώ για το καλοκαίρι, ενώ σχεδιάστηκε πρόγραμμα νυκτερινού αερισμού.
Εικόνα 1. ΝΑ και ΒΔ αξονομετρικό του κτιρίου αναφοράς που προσομοιώθηκε ενεργειακά στο TRNSYS.
Η επίδραση της Εξατμισοδιαπνοής των φυτών στην ψύξη προσομοιώθηκε μέσω του υπολογισμού της λανθάνουσας θερμότητας και της ανάλογης μείωσης των θερμικών προσόδων, τροποποιώντας τον συντελεστή ηλιακής απορρόφησης. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Πίνακα 2.
Πίνακας 2. Επί τοις εκατό εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση και ψύξη, με την εγκατάσταση στοιχείου φυτεμένου δώματος, σε σχέση με το αμόνωτο κτίριο, ή με σχέση το μονωμένο δώμα κατά ΚΕΝΑΚ και του συνδυασμού μονωμένου δώματος και φυτεμένου δώματος μαζί, σε σχέση με το αμόνωτο κτίριο και το μονωμένο κατά ΚΕΝΑΚ δώμα.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Βρέθηκε ότι το σύστημα φυτεμένου δώματος με υπόστρωμα πετροβάμβακα επέδειξε ένα χαμηλό συντελεστή θερμοπερατότητας (U), που ήταν κοντά στο U της οροφής του βιοκλιματικού κτιρίου . Αντίθετα τα δύο φυτεμένα δώματα με υποστρώματα που περιείχαν περλίτη το ένα και κίσσηρη το άλλο σε βάθη 10 cm, επέδειξαν υψηλές τιμές U, υψηλότερες από μια συμβατική οροφή (Πίνακας 1) αλλά και πάνω από τις μέγιστες που καθορίζει ο Ελληνικός κανονισμός θερμομόνωσης για την ζώνη Β (0.45 W m-2 K-1). Επομένως, όσον αφορά αυτά τα δύο υποστρώματα, συνίσταται να χρησιμοποιούνται σε μεγαλύτερα βάθη.
Σε συστήματα φυτεμένων δωμάτων με υποστρώματα αποτελούμενα από χονδρόκκοκα αδρανή υλικά σε αυξημένα βάθη (20), επιτυγχάνουν τιμές U χαμηλότερες του μέγιστου απαιτούμενου από τον κανονισμό θερμομόνωσης.
Από την προσομοίωση μονώροφου κτιρίου στο λογισμικό TRNSYS, δείχθηκαν τα εξής:
Από την προσομοίωση μονώροφου κτιρίου στο λογισμικό TRNSYS, δείχθηκαν τα εξής:
Αναφορικά με την ψύξη, όλα τα σενάρια είχαν πολύ μεγάλη εξοικονόμηση, ύψους 54-62% σε σχέση με το αμόνωτο κτίριο και 6-10% σε σχέση με το κατά ΚΕΝΑΚ μονωμένο δώμα. Είναι επίσης αξιοσημείωτο, ότι η φύτευση επάνω σε ήδη μονωμένο κατά ΚΕΝΑΚ δώμα, επιφέρει πολύ σημαντική μείωση των ψυκτικών φορτίων το καλοκαίρι, 11-4% για όλα τα σενάρια.
Όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση, στο αμόνωτο κτίριο έφτασε το 25-30% (το υπόστρωμα με πετροβάμβακα είχε ίδιου επιπέδου, 28 %, εξοικονόμηση όπως το κατά ΚΕΝΑΚ μονωμένο δώμα). Σε σχέση με το κατά ΚΕΝΑΚ μονωμένο δώμα, όλα τα υποστρώματα πλην του πετροβάμβακα (εξοικονόμηση 4,42%) προκαλούσαν αύξηση του θερμικού φορτίου (heating penalty). Tα ρηχά χονδρόκοκκα υποστρώματα κατά 15-18% και τα βαθύτερακατά 7,5-9%.
Η φύτευση επάνω σε ήδη μονωμένο δώμα κατά ΚΕΝΑΚ, ελάχιστα μειώνει τα θερμικά φορτία του κτιρίου τον χειμώνα, πλην του υποστρώματος με πετροβάμβακα (5,2%) και της κίσσηρης στα 20 cm (5,8%).
Για περισσότερα: Kotsiris, G., A. Androutsopoulos, E. Polychroni, P.A. Nektarios. 2012. Dynamic U-value estimation and energy simulation for green roofs. Energy and Buildings 45: 240-249.
ΑΝΑΦΟΡΕΣ
CEC, Commission of the European Communities, 2006, Communication from the commission to the council and the European Parliament on Thematic Strategy on the urban environment, Brussels, 11 January 2006, COM (2005): 718.
Iosifides M., 1998, Experience, problems and suggestions for buildings. Proceedings of the national conference on the implementation of renewable energy sources, NTUA-RENES network, Athens, 30 Nov.- 2 Dec.1998: pp: 18–26 (in Greek).
Kotsiris G., Androutsopoulos A., 2008, The contribution of a green roof to achieve thermal comfort and energy savings, Proceedings DVD, International Conference of AgEng, Crete, Greece,2008; pp:340-344
Lazzarin M.R., Castelliani F., Busato F., 2005 Experimental measurement and numerical modelling of a green roof. Energy and Buildings; 37:1260-1267.
Niachou A., Papakonstantinou K., Santamouris M., Tsangrassoulis G., Mihalakakou G., 2001, Analysis of the green roof thermal properties and investigation of its energy performance. Energy and Buildings 33: 719-729.
Onmura S., Matsumoto M., Hokoi S., 2001, Study on evaporative cooling effect of roof lawn gardens, Energy and Buildings 33: 653-666.
Papadakis G., Tsamis P., Kyritsis S., 2001, An experimental investigation of the effect of shading with plants for solar control of buildings. Energy and Buildings 33: 831-836.
Palomo Del Barrio E., 1999, Roof components models simplification via statistical linearization and model reduction techniques Energy and Buildings 29: 259–281.
Theodosiou Th., 2003, Summer period analysis of the performance of planted roof as passive cooling technique. Energy and Buildings 35: 909-917.
Watkins R., 2000, The Impact of the Urban Environment on the Energy Demand for Cooling Buildings. Literature Review. Report, written as part of a research project carried out at Brunel University and the Building Research Establishment Ltd., Available from http://www.brunel.ac.uk/research/solvent/
Wong N.H., Chen Y., Ong C.L., Sia A., 2003, The effects of rooftop garden on energy consumption of a commercial building in Singapore, Energy and Buildings 38: 261-270.
Iosifides M., 1998, Experience, problems and suggestions for buildings. Proceedings of the national conference on the implementation of renewable energy sources, NTUA-RENES network, Athens, 30 Nov.- 2 Dec.1998: pp: 18–26 (in Greek).
Kotsiris G., Androutsopoulos A., 2008, The contribution of a green roof to achieve thermal comfort and energy savings, Proceedings DVD, International Conference of AgEng, Crete, Greece,2008; pp:340-344
Lazzarin M.R., Castelliani F., Busato F., 2005 Experimental measurement and numerical modelling of a green roof. Energy and Buildings; 37:1260-1267.
Niachou A., Papakonstantinou K., Santamouris M., Tsangrassoulis G., Mihalakakou G., 2001, Analysis of the green roof thermal properties and investigation of its energy performance. Energy and Buildings 33: 719-729.
Onmura S., Matsumoto M., Hokoi S., 2001, Study on evaporative cooling effect of roof lawn gardens, Energy and Buildings 33: 653-666.
Papadakis G., Tsamis P., Kyritsis S., 2001, An experimental investigation of the effect of shading with plants for solar control of buildings. Energy and Buildings 33: 831-836.
Palomo Del Barrio E., 1999, Roof components models simplification via statistical linearization and model reduction techniques Energy and Buildings 29: 259–281.
Theodosiou Th., 2003, Summer period analysis of the performance of planted roof as passive cooling technique. Energy and Buildings 35: 909-917.
Watkins R., 2000, The Impact of the Urban Environment on the Energy Demand for Cooling Buildings. Literature Review. Report, written as part of a research project carried out at Brunel University and the Building Research Establishment Ltd., Available from http://www.brunel.ac.uk/research/solvent/
Wong N.H., Chen Y., Ong C.L., Sia A., 2003, The effects of rooftop garden on energy consumption of a commercial building in Singapore, Energy and Buildings 38: 261-270.
From: http://www.b2green.gr/
Αναλογα Αρθρά :
Αναλογα Αρθρά :
