ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΥΠΙΚΗΣ ΚΑΤΟΙΚΙΑΣ ΣΤΟ Ν. ΞΑΝΘΗΣ

Περίληψη - Ενεργειακή μελέτη σε κτίριο κατοικίας με σκοπό την αντικειμενική προσέγγιση της συμπεριφοράς του κτιρίου και την αποτύπωση των κατασκευαστικών προβλημάτων υπό το πρίσμα των βιοκλιματικών αρχών σχεδιασμού. Το αντικείμενο της μελέτης εξετάζει και αξιολογεί τον τρόπο δόμησης μιας τυπικής κατοικίας περίπου 100m2 στο Νομό Ξάνθης καθώς επίσης και τη σχέση μεταξύ μελέτης και εφαρμογής, εστιάζει στις οπτικές, θερμικές, χημικές και μηχανικές ιδιότητες υλικών και ιδιαίτερα των υαλοπινάκων που χρησιμοποιούνται στο κέλυφος του κτιρίου, σε μοντέλα προσομοίωσης τεχνικών χαρακτηριστικών με τη βοήθεια εξειδικευμένων λογισμικών και τη χρήση σεναρίων. Γίνεται μια προσπάθεια περιγραφής της βασικής δομής και συμπεριφοράς των ανοιγμάτων και των τεχνικών βελτίωσης, τα οποία αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι των κτιρίων τα οποία στην Ευρωπαϊκή Ένωση καταναλώνουν περίπου τη μισή ποσότητα πρωτογενούς ενέργειας για την κατασκευή, χρήση και κατεδάφιση τους. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν, βοηθούν τόσο στην κατανόηση της συμπεριφοράς των ανοιγμάτων και υαλοπινάκων, όσο και στις ορθές επιλογές ώστε να επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας στο κέλυφος του κτιρίου.

Λέξεις-κλειδιά: βιοκλιματικός σχεδιασμός, υαλοπίνακες, ενεργειακή αξιολόγηση, προσομοίωση κτιρίου

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Το αντικείμενο της δυναμικής ενεργειακής συμπεριφοράς των κτιρίων αποτελεί το πλέον ενδιαφέρον αντικείμενο όσον αφορά στην κατασκευαστική συμπεριφορά των κτιρίων και ιδιαίτερα στην εξοικονόμηση ενέργειας. Στην Ευρώπη, ο κτιριακός τομέας ευθύνεται πλέον για το 42% της τελικής κατανάλωσης ενέργειας[1]. Η οδηγία 2002/91/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου για την Ενεργειακή Απόδοση των Κτιρίων (Energy Performance of Buildings Directive – EPBD)[2] η εφαρμογή της οποίας άρχισε τον Ιανουάριο του 2006, επιβάλλει τη λήψη μέτρων για ενεργειακά και φιλικά προς το περιβάλλον κτίρια σε όλη την ΕΕ. Σε αυτήν την εργασία μελετάται και αξιολογείται μια τυπική κατοικία περίπου 100 m2 με στόχο την ανάλυση των κατασκευαστικών αστοχιών και την συγκέντρωση στοιχείων που θα οδηγήσουν στη καταγραφή δεδομένων και τη περεταίρω σύγκριση με το βιοκλιματικό τρόπο δόμησης με σκοπό τη σχεδιαστικά άριστη εφαρμογή των αρχών του οικολογικού σχεδιασμού.

2. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΟΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ

Για την αξιολόγηση της θερμικής και υγρασιακής συμπεριφοράς των κτιριακών στοιχείων της υπό μελέτη κατοικίας η οποία μετρά πάνω από 10 χρόνια κατασκευής έγινε χρήση γραφικής απεικόνισης των στοιχείων και συγκεκριμένα ο ακριβής προσδιορισμός του σημείου υγροποίησης των υδρατμών γίνεται με τη μέθοδο Glazer[4]. Η μελέτη της υγροθερμικής συμπεριφοράς απαιτεί τον προσδιορισμό ενός μεγάλου αριθμού ιδιοτήτων των υλικών που συνθέτουν τα στοιχεία αυτά με αποτέλεσμα να γίνουν ορισμένες προσεγγίσεις και παραδοχές προκειμένου να προκύψουν οι τελικές αξιολογήσεις. Παράγοντες που ελήφθησαν υπόψη είναι το τοπικό κλίμα και η χρήση δυσμενέστερου σεναρίου, η θερμοκρασία, η σχετική υγρασία, το υψόμετρο, οι θερμαινόμενοι και μη θερμαινόμενοι χώροι, τα κατακόρυφα και οριζόντια στοιχεία, η χρήση του κτιρίου, και οι ιδιότητες των υλικών.

3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη μελέτη των στοιχείων παρουσιάζονται με τη βοήθεια γραφικών απεικονίσεων παρακάτω:

4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα συμπεράσματα από τη μελέτη των διαγραμμάτων οδηγούν στη τεκμηρίωση των κατασκευαστικών προβλημάτων τα οποία έγιναν αντιληπτά από την αυτοψία στη κατοικία. Τα οριζόντια και κατακόρυφα στοιχεία παρουσιάζουν φαινόμενα υγροποίησης των υδρατμών με αποτέλεσμα την περιορισμένη θερμομονωτική επάρκεια και κατ’επέκταση τη συνεχή φθορά του δομικού στοιχείου. Τα γραφήματα δαπέδου, οροφής και τοιχοποιίας είναι αυτά που παρουσιάζουν έντονα το φαινόμενο αφού οι καμπύλες τέμνονται ορίζοντας το σημείο συμπύκνωσης ενώ τα στοιχεία του φέροντα οργανισμού οριακά αποφεύγουν την υγροποίηση λόγω κατασκευαστικής διάταξης. Επίσης η μελέτη θερμομόνωσης που έγινε στη κατοικία το 1998 σε σύγκριση με τη μελέτη θερμομόνωσης που διεξήχθη για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας δείχνει τις τεράστιες αποκλίσεις που συνεχίζουν να υπάρχουν μεταξύ μελέτης και εφαρμογής, αφού το κτίριο μελετήθηκε για συντελεστή θερμοπερατότητας 0.492 < 0.5489 Kcal m2 / hc για κτίριο κατοικία στη Γ ζώνη και με συγκεκριμένο λόγο επιφάνειας προς όγκο ενώ τα αποτελέσματα της πρόσφατης μελέτης έκριναν το κτίριο ανεπαρκές αφού δεν ισχύει u < umax, 1.289 > 0.985 W/m2K. Συγκεκριμένα διαπιστώθηκε πως στο δάπεδο δεν είχε τοποθετηθεί καθόλου θερμομονωτικό υλικό, ενώ στην οροφή το πάχος και ο τρόπος τοποθέτησης δεν συμφωνούσαν με τη μελέτη με γενικό συμπέρασμα το μεγάλο πρόβλημα των ‘’τυφλών μελετών’’.

5. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΚΟΥΦΩΜΑΤΩΝ

Με στόχο τη διερεύνηση της κατασκευαστικής ενσωμάτωσης του κουφώματος επάνω στα στοιχεία πλήρωσης της τοιχοποιίας δίδεται ιδιαίτερη έμφαση στη κατασκευαστική λεπτομέρεια μεταξύ των κατακόρυφων στοιχείων της τοιχοποιίας και του κουφώματος. Συμπερασματικά κατηγοριοποιείται η ποιότητα των ανοιγμάτων μέσα από τρία βασικά χαρακτηριστικά: 1) Τα χαρακτηριστικά του γυαλιού, 2) Τη δομή και τα χαρακτηριστικά της κάσας (πλαισίου), 3) Τη κατασκευαστική τεχνική συναρμογής του κουφώματος στη τοιχοποιία. Δημιουργήθηκαν τρία σενάρια κατασκευαστικών λεπτομερειών ενσωμάτωσης των κουφωμάτων τα οποία μοντελοποιήθηκαν και στη συνέχεια προσομοιώθηκαν με τη βοήθεια σύγχρονων εξειδικευμένων προγραμμάτων[4,5,6].

7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το βασικό συμπέρασμα στο 1Ο παράδειγμα που προσομοιώθηκε είναι η τεράστια διαρροή θερμότητας μέσα από τα στοιχεία έδρασης του κουφώματος αλλά και από τη μεταξύ των διαφορετικών στοιχείων επαφή. Αυτό οφείλεται στη μικρή αντίσταση που έχει το μάρμαρο σαν υλικό στη διαρροή θερμότητας και στη δημιουργία θερμογεφυρών μεταξύ της μόνωσης του σενάζ και των τούβλων. Τα σημεία μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας παρατηρούμε ότι εμφανίζονται στο κάτω μέρος του μοντέλου αφού είναι αδύνατο να αναπτυχθούν κοντά στα στοιχεία έδρασης λόγω της διαρροής. Οπότε γίνεται αντιληπτό πως ακόμη και το καλύτερο παράθυρο να διαθέτουμε με τελευταίας γενιάς υαλοπίνακες, πλαίσιο και θερμοδιακοπές ο παράγοντας εφαρμογή μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία αφού είναι πολύ πιθανό σύμφωνα με το μοντέλο μας να αναπτυχθούν απώλειες μέχρι και max 155-175 w/m2. Το αποτέλεσμα της εφαρμογής ενός κουφώματος με τη παραπάνω τεχνική (η οποία είναι αρκετά διαδεδομένη) παρατηρούμε ότι προκαλεί στο εσωτερικό τμήμα μεγάλα προβλήματα συμπύκνωσης στην επιφάνεια, καθώς και δημιουργία μούχλας. Στο παράδειγμα που απεικονίζεται το κούφωμα αποτελείται από διπλούς υαλοπίνακες και το πλαίσιο είναι κατασκευασμένο από PVC με καλές μονωτικές ιδιότητες. Παρόλο αυτά η ανεξέλεγκτη θερμοροή λόγω της θερμογέφυρας μεταξύ του οπτόπλινθου του μαρμάρου και του πλαισίου υποβαθμίζει τη συμπεριφορά του παραθύρου με αποτέλεσμα τη μειωμένη απόδοση του. Στο 2ο παράδειγμα προσομοίωσης έγινε επιλογή ενός διαφορετικού στοιχείου έδρασης πάνω στο οποίο τοποθετείται το κούφωμα. Το υλικό που επιλέξαμε είναι το ξυλόμαλλο, ένα υλικό που είναι άοσμο, έχει χρώμα φαίο και εκτός από θερμομονωτικό είναι και καλό ηχομ/κό. Είναι βαρύ υλικό με φαινόμενο ειδικό βάρος για πλάκες πάχους 2,5 – 3,5 cm 460 – 415 kg/m3. Παρουσιάζει σταθερότητα διαστάσεων και θεωρείται υλικό ανθεκτικό στο χρόνο. Παρουσιάζει αντίσταση στους χημικούς διαλύτες και στα ασφαλτικά υλικά, πρέπει όμως να αποφεύγεται η εν θερμώ διάστρωση ασφαλτικών υλικών στην επιφάνεια του. Δεν προσβάλλεται από την ηλιακή ακτινοβολία έχει πολύ καλή αντίσταση στη φωτιά και έχει υψηλή αντοχή σε θλίψη και σε κάμψη που φτάνει από 100 – 180 N/cm2 με αποτέλεσμα να μπορεί να παραλάβει φορτία από συμπαγή παράθυρα όπως τα ξύλινα. Έχει σχετικά μεγάλο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ = 0,093 W/(Mk) στους 10 C° για πλάκες από 2,5 έως 3,5 cm. Δεν προσβάλλεται εύκολα από την υγρασία, γιατί απορροφά μεν την υγρασία μπορεί όμως και την επαναποδίδει στο περιβάλλον, όταν εκλείψουν οι συνθήκες προσβολής του κάτι που το καθιστά ιδανικό για τα μεσογειακά κλίματα. Ο συντελεστής αντίστασης στη διάχυση υδρατμών είναι μ = 5 – 7. Η επιφάνεια του ξυλόμαλλου, μπορεί να επιχρισθεί γιατί συνεργάζεται πολύ καλά με κάθε τύπο επιχρίσματος. Θα πρέπει όμως λόγω της πορώδους υφής του να αποφεύγονται επιχρίσματα πλούσια σε τσιμέντο κυρίως στις τελικές στρώσει, για να μη προκαλούνται ρωγμές στις επιφάνειες αυτές. Εφόσον το ξυλόμαλλο βάφεται ως υλικό βαφής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα κοινό διακοσμητικό υδατοδιαλυτό χρώμα. Σε υπάρχουσες κατασκευές θα πρέπει να πακτώνεται γερά σε πυκνά διαστήματα και με μεγάλα βύσματα με μήκος τουλάχιστον διπλάσιο του πάχους του. Η παραπάνω επιλογή του συγκεκριμένου υλικού όπως διαπιστώνουμε και από το μοντέλο παρουσιάζει τεράστια μείωση στη διαρροή θερμότητας σε ποσοστό 48,57 %. Επίσης το σημείο μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας έχει μετατοπιστεί από το κάτω μέρος του μοντέλου στη ποδιά του παραθύρου ως αποτέλεσμα της μειωμένης θερμοροής αφού η συγκεκριμένη επιλογή του υλικού καθώς και η εφαρμογή εξωτερικής θερμομόνωσης βελτίωσαν τη συμπεριφορά του μοντέλου. Σημαντικό είναι να επισημάνουμε πως διαπιστώθηκε αύξηση της θερμοκρασίας πάνω στην επιφάνεια της εσωτερικής πλευράς από 19.369 C° σε 19.946 C° καθώς και αποφυγή του φαινομένου συμπύκνωσης όπως αυτό φαίνεται από τις ισοθερμικές καμπύλες. Στο 3ο παράδειγμα προσομοίωσης το ξυλόμαλλο χρησιμοποιείται σαν υλικό έδρασης με τα γνωστά θετικά αποτελέσματα. Αυτό που αλλάζει στην εφαρμογή είναι η ενίσχυση με θερμομονωτικό σοβά καθώς και η τεχνική λεπτομέρεια κατασκευής μιας σειράς τούβλων επάνω από το σενάζ με μονωτική ενίσχυση σχήματος Γ στην εξωτερική πλευρά. Το συγκεκριμένο σύστημα δημιουργεί φραγή στη διαρροή θερμότητας βελτίωση της συμπεριφοράς του μοντέλου όπως επίσης και άριστη συνεργασία των υλικών με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Η μονωτική ενίσχυση γίνεται με αφρό πολυουρεθάνης ο οποίος πληρώνεται στις οπές των τούβλων. Το αποτέλεσμα όπως διακρίνουμε είναι ιδανικό αφού υπάρχει βελτίωση της περιοχής. Το ποσοστό διαρροής της θερμότητας μειώνεται κατά 62,86 %. Η θερμοκρασία στην εσωτερική επιφάνεια αυξάνεται από 19.369 C° σε 20.0637 C°. Το πρόβλημα της συμπύκνωσης εξαλείφεται εντελώς όπως παρατηρούμε από τις ισοθερμικές καμπύλες. Δημιουργώντας την απεικόνιση των ισοθερμικών καμπύλων του μοντέλου επάνω στα διαγράμματα συμπύκνωσης, διαπιστώνουμε αμέσως την αστοχία και το πρόβλημα που δημιουργείται στο παραπάνω σημείο λόγω υγροποίησης του εσωτερικού αέρα με αποτέλεσμα την εμφάνιση μούχλας και επανθισμάτων. Η είσοδος της υγρασίας παρουσιάζει μακροχρόνια προβλήματα στη μείωση της απόδοσης του περιγράμματος των στοιχείων έδρασης των κουφωμάτων αλλά και γενικά προβλήματα υγιεινής.

Στη κατασκευαστική εφαρμογή που χρησιμοποιήθηκε παραπάνω παρατηρούμε το πλεονέκτημα της θερμικής ομοιομορφίας καθώς και της διατήρησης υψηλών θερμοκρασιών στην εσωτερική επιφάνεια της τοιχοποιίας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αποφυγή του φαινομένου της συμπύκνωσης και της υγροποίησης των υδρατμών. Το εσωτερικό του τοίχου παραμένει υγειές και ανεπηρέαστο από τη μούχλα.

Είναι εμφανές λοιπόν το πρόβλημα που δημιουργείται στο περίγραμμα του κουφώματος από το στοιχείο έδρασης όπως αποδεικνύεται από μια ενδιαφέρουσα θερμική φωτογραφία κατά τη διάρκεια του χειμώνα που επιβεβαιώνει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αφού το μέγεθος των θερμοκρασιών στο σημείο του περιγράμματος ταυτίζονται με αυτά της μοντελοποίησης.

8. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΗΣ ΚΑΤΟΙΚΙΑΣ Με αντικείμενο μελέτης τη δυναμική ανάλυση της ενεργειακής συμπεριφοράς του κτιρίου αναλύεται το θερμικό ισοζύγιο τόσο σε επίπεδο μέσων μηνιαίων, όσο και σε επίπεδο ωριαίων τιμών. Σκοπός της μελέτης είναι η ενεργειακή αξιολόγηση μιας τυπικής κατοικίας με τυχαίο προσανατολισμό, αριθμό και προσανατολισμό ανοιγμάτων, θερμική μάζα, και εσωτερικά κέρδη έτσι ώστε να αναλυθούν τα σημεία εκείνα που δε συνάδουν με τις αρχές του βιοκλιματικού σχεδιασμού. Τα αποτελέσματα απεικονίζουν τα κατασκευαστικά και μελετητικά λάθη που συναντώνται και κατ’επέκταση δημιουργούν μια ισχυρή βάση δεδομένων για την εξεύρεση λύσεων.

*ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Παρατηρούμε πως το θερμικό ισοζύγιο στη παρούσα κατάσταση του κτιρίου είναι ιδανικό διότι όπως φαίνεται τους χειμερινούς μήνες τα θερμικά κέρδη είναι αρκετά, ενώ τους θερινούς μήνες σε αντίθεση με τους χειμερινούς είναι μικρότερα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερες απολαβές ενέργειας το χειμώνα και μικρότερες απολαβές ενέργειας το καλοκαίρι κάτι που ευνοεί τη θερμική άνεση.

9. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τη διαγραμματική απεικόνιση των θερμοκρασιακών συνθηκών, των θερμικών προσόδων και απωλειών κατά τη διάρκεια του έτους προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα αναφορικά με τη θερμική συμπεριφορά του κτιρίου κατά τη τυπική λειτουργία του: Έντονες απώλειες λόγο συναγωγής οφειλόμενες στο λανθασμένο προσανατολισμό του κτιρίου και του μεγέθους των ανοιγμάτων, ανεπαρκής θερμομόνωση, λανθασμένη διάταξη ζωνών χρήσης, ελλιπής σκίαση, μικρό ηλιακό κέρδος από τη χρήση θερμικής μάζας. Διαπιστώνουμε την αλόγιστη σπατάλη διαμέσου της κατασκευής που παρόλο που κατασκευάστηκε με το κανονισμό θερμομόνωσης σε ισχύ αντιμετωπίζει σοβαρά προβλήματα αφού απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας για ψύξη και θέρμανση. Το αποτέλεσμα στο οποίο αποσκοπεί η έρευνα των ελληνικών κτιρίων είναι η επιστημονική κατασκευή μεθοδολογιών ανάλυσης με τις οποίες θα γίνει αντιληπτό και ορισμένο το πρόβλημα των ενεργοβόρων κατασκευών αλλά και των παραγόντων που το προκαλούν.

Αναστάσιος Μουμτζάκης
Μεταπτυχιακός Φοιτητής του ΠΜΣ Περιβαλλοντική
Μηχανική και Επιστήμη, Τμήμα Μηχανικών
Περιβάλλοντος Δ.Π.Θ.

Πάνος Κοσμόπουλος, Αν. Καθηγητής, Διευθυντής
Εργαστηρίου Περιβαλλοντικού και Ενεργειακού
Σχεδιασμού Κτιρίων και Οικισμών

10. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1. Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the council of 16 December 2002 on
the energy performance of buildings, 4/1/2003, Official Journal L1 65.
2. Regulating Authority for Energy (RAE), The Energy System in Greece [in Greek]
( HYPERLINK "http://www.rae.gr/energysys/main.htm"
http://www.rae.gr/energysys/main.htm).
3. DeVries D.A.,1958, “Simultaneous Transfer of Heat and Moisture in Porous Media”,Trans. Am.
Geophys. Union,39, Heft 5,909-916.
4. Cunningham M.J.,1992, “Effective Penetration Depth and Effective Resistance in Moisture
Transfer, Building and Environment”, V.27, 379-386.
5. R. Mitchell, C. Kohler, D. Arasteh, J. Carmody, C. Huizenga, D. Curcija, THERM 5.2/WINDOW 5.2,
NFRC Simulation Manual , Lawrence Berkeley National Laboratory,Berkeley, CA, 2006.
6. E. Finlayson, R. Mitchell, D. Arasteh, C. Huizenga, D. Curcija, THERM 2.0: Program Description.
A PC Program for Analyzing the Two-dimensional Heat Transfer Through Building Products ,
University of California, Berkeley, CA, 1998.