Εξοικονόμηση ενέργειας στο δομημένο περιβάλλον με έμφαση στο φυσικό φωτισμό

Abstract

The issue of energy balance in buildings has a significant importance nowadays, since conventional energy sources are running out and become extremely expensive. Fundamental environmental design parameters should be carefully implemented in the overall design decisions. A building’s skin is the design element that has to balance all environmental dynamics between interior and exterior. Radiation control in transparent façade elements is a very delicate subject due to the fact these elements are the ones that are the most vulnerable to it. Sun control “machines” play a major role in the control of incident solar and thermal radiation for transparent elements. Additionally, they determine the final aesthetics of the façade and constitute an expression of the architectural language of the designer. The research’s starting point is the fact that the conception of shading systems as sun control “machines” introduced in the ‘60s, has changed. The integration of PV elements in their surfaces is the key factor that calls for a reexamination of their performance within the actual environmental standards. The fundamental geometric rules for effective Shading Design derive from the necessity of preventing direct solar radiation from entering the interior. The main objective of this research is to resolve an energy balance contradiction that originates from fixed shading devices: the simultaneous reduction of a building’s cooling loads and the increase of its electric light needs. In order to balance the positive fact of the decrease of cooling loads that fixed SD pose and the negative fact of the increase of electricity needs for lighting and thermal comfort, the electricity produced through integrated PV systems has been examined as a potential energy balance solution for various SDs geometries. We compared all SDs with integrated PV energy and comfort performance with shading systems of simple glazing. The research focuses to a typical office building unit. We have used the office originally defined in the European Commission Joule project REVIS (VanDijk, 2001) and further refined in the International Energy Agency Solar Heating and Cooling (IEA SHC) programme Task 27 (Performance of solar facade components) (VanDijk, 2002). The same specifications are used in the EC project SWIFT (http://www.ist‐swift.org/), for IEA SHC Task 25 (Solar assisted air conditioning of buildings, http://task25.ieashc. org/) and Task 31 (Daylighting Buildings in the 21st century, http://task31.ieashc. org/) (Nielsen et al., 2003). The choice of examining the function of office buildings is due to the fact that office units have very specific requirements of daylight levels according to the task of the users and according to the position of the subjects in relation to the opening. The electricity needs are calculated for the worst case scenario of the minimum requirement of 500lux at the desk level and it is measured as Average Daylight Autonomy for the whole year. Daylight Autonomy is represented as a percentage of annual daytime hours that a given point in a space is above a specified illumination level. It was originally proposed by the Association Suisse des Electriciens in 1989 and was improved by Christoph Reinhart between 2001 ‐ 2004. It considers geographic location specific weather information on an annual basis and it is related to electric lighting energy savings if the user defined threshold is set based upon electric lighting criteria. The user is free to set the threshold above which Daylight Autonomy is calculated (Tzembelikos & Athenitis, 2007). For the office units examined in this research the threshold is set to 500 lux on the desk level, as mentioned before. […]

Το ζήτημα της ηλιοπρoστασίας του κελύφους των κτιρίων είναι από τα θεμελιώδη που επιλύονται προκειμένου να εξασφαλιστεί ο βασικός παθητικός σχεδιασμός κτιρίων χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης. Ειδικότερα σήμερα που οι απαιτήσεις για χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης κτίρια είναι αυξημένες τα ζητήματα σκιασμού αποκτούν ιδιαίτερη σημασία. Επί πλέον όσον αφορά στην Αρχιτεκτονική Επίλυση του κελύφους σε σχέση με τις εσωτερικές λειτουργίες τα συστήματα σκιασμού έχουν καθοριστικό ρόλο όσον αφορά το τελικό αισθητικό αποτέλεσμα και την ισορροπία μεταξύ της αρχιτεκτονικής ιδέας και της υλοποίηση της. Όπως τονίζει ο Givoni (1969, p. 213), αναφερόμενος στη σημασία προστασίας των διαφανών στοιχείων των όψεων, τα ηλιακά κέρδη από τα διαφανή στοιχεία είναι πολύ αυξημένα σε σχέση με αυτά των αδιαφανών τοίχων. Για αυτό το λόγο και ο κατάλληλος σχεδιασμός των σκιάστρων είναι πολύ κρίσιμος σε σχέση με την ενεργειακή κατανάλωση του κτιρίου για θέρμανση ψύξη και φωτισμό, ειδικότερα για το μεσογειακό κλίμα που οι ανάγκες για ηλιοπροστασία είναι αυξημένες. Γύρω από το πλαίσιο επίλυσης των ενεργειακών ζητημάτων και μείωσης της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίων, η προσπάθεια ενσωμάτωσης ενεργητικών συστημάτων σε αυτά, έχει ήδη από τη δεκαετία του 50, αποτελέσει εφαρμόσιμη λύση. Ειδικότερα η ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών στοιχείων στα συστήματα σκιασμού έχει εφαρμοστεί από τη δεκαετία του 80 στον κτιριακό τομέα ενώ ποικίλες εταιρείες έχουν επικεντρωθεί στην παραγωγή τέτοιων στοιχείων. Το σκεπτικό εξοικονόμησης ενέργειας, πέρα από την σκίαση και άρα μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης για ψύξη, βασίζεται και στο γεγονός της χρήσης ενός και μόνο οικοδομικού στοιχείου για την επίλυση δύο λειτουργιών: μείωση ενεργειακής κατανάλωσης και παραγωγή ενεργείας. Η ενσωμάτωση όμως των φωτοβολταϊκών στα συστήματα σκιασμού επιφέρει αλλαγές στην συνολική ενεργειακή συμπεριφορά του σκίαστρου. Πέρα από τη μείωση της συνολικά καταναλισκομένης ενέργειας του κτιρίου, η συνολική συμπεριφορά του σκιάστρου απαιτεί επανεξέταση τόσο όσον αφορά τις ενεργειακές ανάγκες για θέρμανση και ψύξη όσο και τις νέες συνθήκες οπτικές άνεσης που δημιουργούνται. Η έρευνα που θα παρουσιαστεί επικεντρώνεται στα σταθερά συστήματα σκιασμού με ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία προσπαθώντας να επιλύσει τις ενεργειακές ανάγκες που δημιουργούν τα σταθερά αυτά συστήματα τη χειμερινή περίοδο, λόγω του ότι μειώνουν τα απαραίτητα για την εποχή άμεσα ηλιακά κέρδη. Δύο είναι η βασικοί στόχοι: 1. Εύρεση σημείων βελτιστοποίησης της ενεργειακής κατανάλωση των σταθερών συστημάτων σκιασμού με ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία και των συνθηκών οπτικής άνεσης. 2. και η διερεύνηση των περιορισμών και των δυνατοτήτων των αναλογικών (μετρήσεις σε φυσικά μοντέλα υπό κλίμακα) και των ψηφιακών μεθόδων (προσομοιώσεις σε ψηφιακά μοντέλα) ενεργειακής και ποιοτικής αξιολόγηση τέτοιου είδους συστημάτων, σε σχέση με το στάδιο της εκπονούμενης μελέτης. Για να επιτευχθούν οι παραπάνω στόχοι ακολουθήθηκε η μεθοδολογία όπως παρουσιάζεται στο διάγραμμα της Εικ.0.2.1., ενώ για κάθε ένα από τους τρεις τομείς (φορτία κλιματισμού, τεχνητός φωτισμός – οπτική άνεση, παραγωγή ενέργειας από τα PV) διεξάγεται βιβλιογραφική έρευνα και πειραματισμοί είτε με προσομοιώσεις είτε με φυσικά μοντέλα. […]