Παραμετρική μελέτη της επίδρασης του συνδυασμού των τιμών των κυρίων χαρακτηριστικών του κτιριακού κελύφους στη κατανάλωση ενέργειας θέρμανσης στη περιοχή της Αθήνας

Abstract

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται η επίδραση των παραμέτρων των κυρίων χαρακτηριστικών του κτιριακού κελύφους στην ενεργειακή κατανάλωση κτιρίων στη περιοχή της Αθήνας κατά τους χειμερινούς μήνες. Η εργασία αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αποτελεί τη βιβλιογραφική προσέγγιση του θέματος και για το σκοπό αυτό αναπτύσσεται το αναγκαίο γνωστικό υπόβαθρο σχετικά με τη θερμική συμπεριφορά των χαρακτηριστικών που αποτελούν το κτιριακό κέλυφος, την αναγκαιότητα και τους τρόπους εξοικονόμησης ενέργειας σε αυτό ενώ παρουσιάζεται και το θεσμικό πλαίσιο που στοχεύει στον έλεγχο και στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων στην Ελλάδα. Στο δεύτερο κομμάτι της εργασίας μελετάται αρχικά η θερμική συμπεριφορά ενός τυπικού Ελληνικού κτιρίου στην περιοχή της Αθήνας κατά την 21η ημέρα κάθε μήνα θέρμανσης ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι καμπύλες σταθερής ημερήσιας κατανάλωσης ενέργειας θέρμανσης συναρτήσει των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τη μόνωση και τους υαλοπίνακες και μελετάται η επίδραση του συνδυασμού των παραμέτρων αυτών στην ενεργειακή κατανάλωση του κτιρίου. Παρουσιάζεται έπειτα η έννοια του «ψευδοαδιαβατικού» κελύφους και προσεγγίζονται οι τιμές των κυρίων παραμέτρων των υαλοπινάκων και της μόνωσης για τις οποίες εμφανίζεται αυτό. Γενικά, η ημερήσια κατανάλωση ενέργειας θέρμανσης για τους μήνες θέρμανσης μειώνεται με την αύξηση του πάχους της μόνωσης, και με την αύξηση του ποσοστού υαλοπινάκων. Επίσης, παρατηρείται έντονη συσχέτιση μεταξύ της ενέργειας θέρμανσης και των συντελεστών της ειδικής θερμικής αγωγιμότητας της μόνωσης και της θερμικής διαπερατότητας των υαλοπινάκων. Συγκεκριμένα, η κατανάλωση ενέργειας θέρμανσης για μία συγκεκριμένη ημέρα κάθε μήνα, παρατηρείται ότι μειώνεται όταν μειώνεται αντίστοιχα ο συντελεστής ειδικής θερμικής αγωγιμότητας ή/και ο συντελεστής θερμικής διαπερατότητας. Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι από την υπολογιστική μελέτη προέκυψε ότι η ημερήσια κατανάλωση ενέργειας θέρμανσης αυξάνεται με την αύξηση της επιθυμητής θερμοκρασίας στο εσωτερικό του περιβάλλοντος. Ακόμα, παρατηρούνται χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη διαφορετική κατανομή των υαλοπινάκων σε κάθε προσανατολισμό του κτηρίου αναφοράς. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκε ένα πρότυπο βελτιωμένο κτίριο αναφοράς με διαφορετική κατανομή ποσοστού υαλοπινάκων ανά προσανατολισμό, όπου φαίνεται ξεκάθαρα η επίδραση της κατανομής των υαλοπινάκων στη συνολική κατανάλωση ενέργειας. Η υπολογιστική μελέτη εύρεσης του «ψευδοαδιαβατικού» κελύφους παρέχει πολύ χρήσιμα διαγράμματα, όπου δίνουν την πρακτική ευχέρεια στο χρήστη να επιλέξει ένα συνδυασμό μεταβλητών του κτιριακού κελύφους, τέτοιο ώστε η ημερήσια κατανάλωση ενέργειας θέρμανσης να είναι η μικρότερη δυνατή. Τέλος, όλα τα προαναφερθέντα αποτελέσματα του υπολογιστικού μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εργασία, συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα μίας δημοσίευσης που χρησιμοποιεί τη γενικά πιο ακριβή αριθμητική μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Μπορεί να ειπωθεί ότι ποιοτικά τα αποτελέσματα των δύο αυτών μεθόδων βρίσκονται σε ικανοποιητική συμφωνία, ενώ ποσοτικά παρουσιάζουν ελάχιστη απόκλιση λόγω των απλοποιήσεων της εκάστοτε μεθόδου.

The work presented in this Diploma thesis deals with the influence of the parameters of the building envelope’s main characteristics on the building energy consumption in the city of Athens during the months of the winter. This work is being divided into two parts. The first part includes a literature review of this topic so that all the necessary theoretical background regarding the thermal behavior of the main characteristics of the building envelope are enlightened to the reader. Furthermore, the necessity and the ways of saving energy in the buildings is being discussed into details. Afterwards it is presented the institutional framework about the control and the improvement of the energy efficiency of buildings in Greece. The second part initially studies the thermal behavior of a typical Greek building in Athens during the 21st day of every heating month. Later on, the daily isoenergy consumption curves are being presented as a function of the parameters that describe the insulation and the fenestration and the influence of these ones to the building energy consumption is being studied. The term of “pseudo-adiabatic” shell is being introduced and the values of the main parameters of the insulation and the fenestration that correspond to a zero-energy consumption are being calculated by the numerical method developed in this work. In general lines, the daily energy consumption of the reference building for the heating months was observed to decrease, as the thickness of the insulation or/and the fenestration percentage was increased. Moreover, there is strong correlation between the energy consumption of the building shell and the thermal conductivity coefficient and the fenestration heat transfer one. Being more specific, the heating energy consumption for a specific day of each month, seemed to decrease as one of these two coefficients or both of them were decreased. Also, it is noteworthy that the daily heating energy consumption was increased as the desired temperature of the internal environment of the building was increased. What is more, very useful conclusions are being made about the different distribution of the fenestration percentage to every orientation of the reference building. For this reason, an improved reference building was designed using differentfenestration ration in each orientation, and from the results of the numerical study it can be clearly seen the influence of this parameter to the overall energy consumption. The numerical study on the “pseudo-adiabatic” shell provided some very useful figures as well that could be very efficient for the user as they allow to quickly select a combination of values of the building shell parameters that gives the minimum value of the daily heating energy consumption. All these aforementioned results of the numerical model developed and used in this work, were compared to similar ones from a scientific paper that uses the more precise numerical method of finite elements. As a conclusion, it can be said that qualitatively the results of these two methods are in satisfactory agreement, while quantitatively exhibit small discrepancies due to the simplifications of each method.