ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΒΑΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΚΥΠΡΟ

 

Βασικός στόχος του έργου είναι η ανάπτυξη τεχνολογίας και λογισμικού για τη βελτιστοποίηση και Κατασκευή Κτιρίων Χαμηλής Ενέργειας (ΚΧΕ) στην Κύπρο. Το έργο, θα αναφέρεται σε και θα συσχετίζει όλες τις παραμέτρους των ΚΧΕ, όπως κλιματολογικές συνθήκες, ενεργειακές απαιτήσεις, υλικά, συνιστώσες εξοικονόμησης ενέργειας, ΑΠΕ, κλπ., και θα καταλήγει σε πλήρη ενεργειακή και οικονομική ανάλυση (χρόνος ανάκτησης επένδυσης). Για το προτεινόμενο έργο ο ΑΦ (εταιρεία τεχνικού λογισμικού) θα συνεργαστεί με ένα κυπριακό ερευνητικό κέντρο (ΣΦ1), ένα ελλαδικό ερευνητικό κέντρο (ΣΦ2) και με μια ελλαδική επιχείρηση τεχνικού λογισμικού (ΣΦ3).

5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ

 

 

Στα πλαίσια του έργου πραγματοποιήθηκαν καταγραφές των ενεργειακών και περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών υφιστάμενων κτιρίων χαμηλής ενέργειας. Σκοπός των μετρήσεων αυτών ήταν η επαλήθευση του λογισμικού ΚΧΕ μέσω ενεργειακών μετρήσεων σε υφιστάμενα κτίρια που πληρούν κριτήρια χαμηλών ενεργειακών αναγκών.

 

Μετά από αναζήτηση υποψήφιων κτιρίων προς ενεργειακή καταγραφή επιλέγηκαν3 κτίρια τα οποία διαθέτουν κατασκευαστικά στοιχεία και/ή Η/Μ εγκαταστάσεις με βελτιωμένα ενεργειακά χαρακτηριστικά. Η επιλογή των κτιρίων έγινε βάσει κριτηρίων καλής θερμομονωτικής επάρκειας, προσανατολισμού, επιλογής δομικών υλικών και ηλεκτρομηχανολογικών εγκαταστάσεων.

 

Τα κτίρια που επιλέχθηκαν είναι:

  • 1 μονοκατοικία στον Αυλώνα Αττικής

  • 1 κτίριο πολυκατοικίας στη Νέα Φιλαδέλφεια Αττικής

  • 1 κτίριο γραφείων στους Αμπελόκηπους Αττικής

Πραγματοποιήθηκαν 7 σειρές μετρήσεων:

  • 3 σειρές καταγραφών στη μονοκατοικία στον Αυλώνα Αττικής.

  • 2 σειρές μετρήσεων στο κτίριο πολυκατοικίας στη Νέα Φιλαδέλφεια Αττικής.

  • 2 σειρές καταγραφών στο κτίριο γραφείων στους Αμπελόκηπους.

Η περίοδος κάλυψης ήταν μία για συνθήκες θέρμανσης και μία για συνθήκες ψύξης. Η χρονική διάρκεια των μετρήσεων ήταν από 8 έως 18 ημέρες.

 

Διαδικασία μετρήσεων

Πραγματοποιήθηκαν σε όλα τα κτίρια οι ακόλουθες μετρήσεις:

  • Μετρήσεις θερμοκρασίας αέρα και σχετικής υγρασίας σε αντιπροσωπευτικούς χώρους.

  • Καταγραφή περιβαλλοντικών συνθηκών ηλιακής ακτινοβολίαςκαι θερμοκρασίας περιβάλλοντος.

  • Καταγραφή καταναλώσεων ηλεκτρικής ενέργειας κτιρίου ή/και συγκεκριμένων ηλεκτρικών πινάκων (π.χ. θέρμανσης, φωτισμού).

  • Θερμογράφηση κελύφους.

  • Συμπλήρωση ερωτηματολογίου για τη συγκέντρωση στοιχείων ισχύος συσκευών που καταναλώνουν ενέργεια.

 

Κτίριο Γραφείων

 

Το κτίριο γραφείων που μετρήθηκε βρίσκεται στην περιοχή των Αμπελόκηπων της Αθήνας, έχει εμβαδόν ορόφων 609 m2 και η κατασκευή του ολοκληρώθηκε το 2006. Κατασκευάστηκε με αρχές κτιρίου χαμηλών ενεργειακών αναγκών οπότε έχουν εφαρμοσθεί αρκετές τεχνικές παθητικών ηλιακών συστημάτων, φυσικού φωτισμού και δροσισμού καθώς και ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός υψηλής ενεργειακής απόδοσης.Τα κυριότερα στοιχεία του είναι η ορθή χωροθέτηση του κτιρίου, το σύστημα εξωτερικής θερμομόνωσης για εξάλειψη θερμογεφυρών στο εξωτερικό αδιαφανές κέλυφος της κατασκευής, Ενεργειακοί υαλοπίνακες χαμηλού συντελεστή εκπομπής, συστήματα εξωτερικής σκίασης, Αεριζόμενη νότια όψη / προστατευμένη βόρεια όψη, Φυτεμένο δώμα, Αιολική καμινάδα, σύστημα ψύξης / θέρμανσης μέσω τριχοειδών σωληνώσεων (capillary system), Κεντρικό σύστημα ενεργειακής διαχείρισης (BEMS).

 

Από τις ενεργειακές καταγραφές και την ανάλυση που ακολούθησε προκύπτουν τα εξής:

  • Στην κατασκευή του κελύφους έχουν εφαρμοσθεί οι αρχές του ενεργειακού σχεδιασμού οι οποίες υπερκαλύπτουν τις ανάγκες θερμομόνωσης του κτιρίου.

  • Τα κουφώματα που τοποθετήθηκαν διαθέτουν βελτιωμένα ενεργειακά χαρακτηριστικά και συμβάλλουν στη μείωση των ενεργειακών αναγκών του κτιρίου.

  • Τα μεγάλα ανοίγματα σε Ανατολή και Δύση και η ‘ανοιχτή διάταξη’ των γραφειακών χώρων εξασφαλίζουν ικανοποιητικά επίπεδα φυσικού φωτισμού σε όλους τους χώρους γραφείων, ο δε έλεγχός τους μέσω εξωτερικών σκιάστρων εξασφαλίζει προστασία από φαινόμενα θάμβωσης.

  • Από την επεξεργασία των μετρήσεων και των ενεργειακών στοιχείων προκύπτει ότι το κτίριο γραφείων είναι ενεργειακά αποδοτικό, με ιδιαίτερα χαμηλές καταναλώσεις ενέργειας για θέρμανση, ενώ σε συνολικό επίπεδο, προκύπτει εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 60% όταν συγκριθούν οι συνολικές του ενεργειακές καταναλώσεις με αντίστοιχες συμβατικού κτιρίου γραφείων στον Ελλαδικό ή και Κυπριακό χώρο.

Κτίριο κατοικίας

 

Ως κτίριο κατοικίας επιλέχθηκε μια μονοκατοικία στον Αυλώνα Αττικής, μια αγροτική περιοχή λίγο έξω από τα περίχωρα της Αθήνας. Αποτελείται από ισόγειο, συνολικής επιφάνειας 150 m2 και υπόγειο το οποίο είναι ημιτελές και δεν είναι κατοικήσιμο.

Οι τοιχοποιία του κτιρίου διαθέτει θερμομονωτικό στρώμα από διογκωμένη πολυστερίνη συνολικού πάχους 10 cm, η οροφή του η οποία είναι κεραμοσκεπή είναι εφοδιασμένη με εξηλασμένη πολυστερίνη πάχους 5 cm και τα κουφώματα αποτελούνται από διπλούς υαλοπίνακες με ξύλινο πλαίσιο.

Η κατοικία είναι πανταχόθεν ελεύθερη με τον κύριο άξονά της σε Α-Δ με απόκλιση περίπου 30ο από τον βορρά. Το κτίριο, για τις ανάγκες του σε θέρμανση, διαθέτει ενδοτοίχια ηλεκτρικά σώματα (heatingfoils) ενώ για την ψύξη του έχουν εγκατασταθεί 4 συνολικά κλιματιστικές συσκευές διαιρούμενου τύπου. Αξίζει να σημειωθεί πάντως ότι η χρήση του κλιματισμού το καλοκαίρι, από δήλωση των ενοίκων, είναι ελάχιστη κυρίως λόγω του κελύφους του κτιρίου και της χρήσης φυσικού αερισμού.

 

Από τα συλλεχθέντα δεδομένα και τις μετρήσεις και τη διενεργηθείσα επιτόπια ενεργειακή επιθεώρηση, κρίνεται ότι

  • Το κτίριο τόσο από πλευράς δομικών στοιχείων όσο και από πλευράς βασικών Η/Μ εγκαταστάσεων βρίσκεται σε καλή κατάσταση.

  • Στην κατασκευή του κελύφους έχουν εφαρμοσθεί αρχές ενεργειακού σχεδιασμού καλύπτοντας παράλληλα τις ανάγκες θερμομόνωσης για την περιοχή του νομού Αττικής (Β’ κλιματική ζώνη).

  • Τα χρησιμοποιούμενα κουφώματα διαθέτουν βελτιωμένα ενεργειακά χαρακτηριστικά (διπλοί υαλοπίνακες με ξύλινο πλαίσιο) και συμβάλλουν στη μείωση των ενεργειακών αναγκών του κτιρίου.

  • Οι καταναλώσεις ηλεκτρικής ενέργειας για τον εξοπλισμό κουζίνας αποτελούν την μεγαλύτερη και σημαντικότερη κατανάλωση (41,2% της συνολικής κατανάλωσης), ενώ ακολουθεί η θέρμανση με ποσοστό 21,7% και έπεται ο λοιπός εξοπλισμός με ποσοστό 13,4%.

Κτίριο πολυκατοικίας

 

Το κτίριο πολυκατοικίας που επιλέχθηκε βρίσκεται στη Νέα Φιλαδέλφεια σε γωνιακό οικόπεδο συνολικής επιφάνειας 510 m2. Πρόκειται για τριώροφο κτίριο 2 υπογείων με οκτώ διαμερίσματα εκ των οποίων σήμερα όλα κατοικούνται. Χρησιμοποιείται κυρίως για κατοικίες (διαμερίσματα) επιφανείας από 42 έως 100 m2 ενώ διαθέτει κι ένα διαμέρισμα για επαγγελματική στέγη. Η πολυκατοικία είναι πανταχόθεν ελεύθερη με τον κύριο άξονά της σε Α-Δ.

Το κέλυφος του κτιρίου διαθέτει σύστημα εξωτερικής θερμομόνωσης ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση των θερμογεφυρών στις θερμικές απώλειες. Το πάχος του μονωτικού στρώματος (διογκωμένη πολυστερίνη) της εξωτερικής τοιχοποιίας είναι 8 cm. Στη στέγη του κτιρίου έχει τοποθετηθεί θερμομονωτικό ανακλαστικό ασφαλτόπανο υψηλής θερμικής αντίστασης, ενώ το δάπεδο πάνω από τον χώρο στάθμευσης διαθέτει θερμομονωτικό υλικό πάχους 5 cm. Διαθέτει κουφώματα με διπλούς υαλοπίνακες και πλαίσια αλουμινίου.

Για τις ανάγκες θέρμανσης και δροσισμού των χώρων χρησιμοποιείται γεωθερμικός εναλλάκτης με αντλία θερμότητας. Η διανομή ζεστού ή κρύου νερού γίνεται μέσω μονωμένων σωληνώσεων, ενώ χρησιμοποιείται σύστημα ενδοδαπέδιας θέρμανσης και δροσισμού σε όλα τα διαμερίσματα. Για τις ανάγκες σε ΖΝΧ, υπάρχει κοινόχρηστο θερμικό ηλιακό σύστημα το οποίο αποτελείται από πέντε ηλιακούς συλλέκτες, εγκατεστημένους στη νότια πλευρά του κτιρίου σε κλίση 20°.

 

Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων και των θερμογραφήσεων προκύπτει γενικά ότι

  • Το κέλυφος του κτιρίου με την επικάλυψη συστήματος εξωτερικής θερμομόνωσης πάχους 8 cm λειτουργεί ικανοποιητικά μειώνοντας τις θερμικές ανάγκες του κτιρίου.

  • Οι εξωτερικές αδιαφανείς όψεις του κτιρίου δεν δείχνουν κάποια σημαντική θερμική ασυνέχεια.

  • Είναι ορατές θερμοκρασιακές διαφορές στα σημεία συναρμογής των δομικών υλικών και αποτελούν σημεία ύπαρξης θερμογεφυρών τα οποία, μαζί με τα υαλοστάσια, παρουσιάζουν τις περισσότερες θερμικές απώλειες του κτιριακού κελύφους.

  • Η κεραμοσκεπή, λόγω ικανοποιητικής θερμομονωτικής επάρκειας, δεν παρουσιάζει θερμικές απώλειες.

  • Τα επίπεδα θερμικής άνεσης μπορούν να παραμείνουν σε αποδεκτά επίπεδα παρόλο που σημειώθηκαν υψηλές θερμοκρασίες χώρων (31 οC στο διαμέρισμα του ισογείου, καλοκαίρι).

6. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΩΝ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

 

Σημαντικότατο Τμήμα του Ερευνητικού Έργου αποτέλεσε η επαλήθευση των προσομοιώσεων με χρήση του λογισμικού με τις πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν από το ΚΑΠΕ.

 

Με αυτόν τον τρόπο κατέστη δυνατόν να αποδειχθεί η ορθότητα των αποτελεσμάτων του λογισμικού αλλά και ότι έγινε χρήση ρεαλιστικών μοντέλων που επιτυγχάνουν ακριβή προσομοίωση της θερμοκρασιακής συμπεριφοράς ενός κτιρίου.

 

Με την χρήση διαγραμμάτων όπως αυτά που φαίνονται πιο κάτω αποδείχθηκε ότι το λογισμικό προσομοίωσε με πολύ μεγάλη ακρίβεια την πραγματική διακύμανση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του χώρου, αλλά και την κατανάλωση όσον αφορά τα συστήματα ψύξης και θέρμανσης.

 

7. ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ - ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΝΕΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ      ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

 

Έχουν ετοιμαστεί παραδείγματα με την χρήση του λογισμικού για την μελέτη βελτιστοποίησης για την επιλογή των Υλικών κελύφους, Η/Μ εξοπλισμού, Συστημάτων Σκίασης και BMS.

 

Τα παραδείγματα αυτά περιγράφουν την όλη διαδικασία διεξαγωγής μια μελέτης Τεχνοοικονομικής Βελτιστοποίησης. Η διαδικασία αποτελείται από 7 βήματα:

 

Βήμα 1: Επιλογή σεναρίων, δηλαδή καθορισμός ελάχιστων Uvalue και τεχνολογιών για το κέλυφος

 

Βήμα 2: Επιλογή μέσω της 1ης ιεραρχικής βελτιστοποίησης μέσω της ΒΔ των συγκεκριμένων δομικών στοιχείων και κουφωμάτων που να πληρούν τις απαιτήσεις κάθε σεναρίου

 

Βήμα 3: Υπολογισμός μέσω του λογισμικού των Ενεργειακών Αναγκών και του Μεγέθους του Μέσου Θέρμανσης/Ψύξης του κτιρίου για κάθε σενάριο με τις εξής παραλλαγές:

  • Χωρίς Σύστημα Σκίασης - Χωρίς Σύστημα Ελέγχου (BMS)

  • Με Σύστημα Σκίασης - Χωρίς Σύστημα Ελέγχου (BMS)

  • Με Σύστημα Σκίασης - Με Σύστημα Ελέγχου (BMS)

 

Βήμα 4: Επιλογή μέσω της ΒΔ Η/Μ Εξοπλισμού και με τη βοήθεια της 1ης ιεραρχικής αξιολόγησης του:

  • Συστήματος Σκίασης

  • Συστήματος Ελέγχου

  • Συστήματος Θέρμανσης/Ψύξης

 

Βήμα 5: Καταχώρηση των παραπάνω στο Φύλλο Αξιολόγησης κάθε CASE STUDY μαζί με τα γεωμετρικά δεδομένα του κτιρίου. Το κόστος (δομικών στοιχείων, κουφωμάτων, Η/Μ εξοπλισμού, κ.λ.π.) αντλείται αυτόματα από την ΒΔ. Τα γεωμετρικά δεδομένα του κτιρίου επίσης απαιτείται να εισαχθούν μόνο μία φορά και μεταφέρονται αυτόματα στα λοιπά CASE STUDIES.

 

Βήμα 6: Επιλογή μέσω του Φύλλου Αξιολόγησης για το αν θα χρησιμοποιηθεί Σύστημα Σκίασης/Ελέγχου για κάθε σενάριο.

 

Βήμα 7: Τα αποτελέσματα μεταφέρονται αυτόματα σε Συνοπτικό Πίνακα όπου για κάθε Σενάριο έχει υπολογιστεί:

  • το πρόσθετο κόστος κτήσης σε σχέση με το Βασικό Σενάριο

  • η εξοικονόμηση ενέργειας σε σχέση με το Βασικό Σενάριο

  • η Διάρκεια Απόσβεσης της επένδυσης

  • η Καθαρή Παρούσα Αξία της επένδυσης

 

Επιτρέποντας έτσι στον μελετητή «με μια ματιά» να αξιολογήσει το Καλύτερο Σενάριο για το συγκεκριμένο Κτίριο.

8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

 

Τα κύρια συμπεράσματα του Ερευνητικού έργου είναι ότι:

 

  1. Η παραπάνω έρευνα οδήγησε σε μία εξαιρετικά χρήσιμη και αποδοτική μεθοδολογία για τη λύση του σύνθετου προβλήματος που περιγράφεται στο Κεφάλαιο 1 και αφορά στο σχεδιασμό κτιρίων χαμηλής και σχεδόν μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης όχι μόνο από πλευράς θερμικών ιδιοτήτων, αλλά και κόστους!

  2. Τα αποτελέσματα όλων των επιμέρους ερευνητικών εργασιών κρίνονται ικανοποιητικά σε όλα τα επίπεδα και συντελούν στην αύξηση της αξιοπιστίας των Λογισμικών και Μεθόδων που προτείνονται.

  3. Χρησιμοποιείται για πρώτη φορά (και από ότι γνωρίζουμε διεθνώς) η μέθοδος της Ιεραρχικής Βελτιστοποίησης και μάλιστα σε δύο Ιεραρχικά Επίπεδα ΙΕ-Α και ΙΕ-Β, δηλαδή στη μορφή της Bilevel Optimization, με την οποία επιτυγχάνεται και το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα.

  4. Βασικός παράγοντας για αυτή τη καινοτομία είναι και το γεγονός ότι πολλές από τις παραμέτρους σχεδιασμού Π1-Π5 μπορούν να οριστούν και από Μηχανικούς με γνώσεις και εμπειρία, έτσι ώστε ο Μηχανικός να αποτελεί σημαντικό στοιχείο στην όλη διαδικασία βελτιστοποίησης του σχεδιασμού.