Διερεύνηση συμβολής του δώματος στο φυσικό δροσισμό των κτιρίων στο περιβάλλον της Κρήτης

Abstract

The present thesis explores the potential contribution of the roof to passive cooling, referring to the climatic and structural peculiarities of the island of Crete. The main research objective is the overall evaluation of passive roof cooling techniques, taking into account all the parameters which determine the choice of a system. Furthermore, the thesis proposes an innovative passive roof cooling technique that meets the specifications required for widespread application in Crete. The thesis is divided in three parts. The first part analyzes the individual characteristics of Crete, and evaluates passive roof cooling techniques. The second part, analytically and experimentally, investigates ways to improve the thermal performance of a specific passive cooling technique. The third part proposes an innovative technique that is applied on a building’s roof. Furthermore, the thermal performance of the proposed system is analyzed, and the demands for the application of the system in bigger buildings are also pointed out. The first part constitutes the theoretical background, and is consisted of two chapters. Chapter 1 analyzes the features of the island Crete, starting from the geographical and morphological characteristics that are also associated with climate. The building and population data as well as the parameters of the energy problem of Crete are also discussed. The traditional and the conventional techniques in roof construction are described, while the potential of radiative and evaporative cooling is investigated. Chapter 2 focuses on the evaluation of roof cooling techniques based on bibliographical references review. There are three categories of roof cooling techniques a) green roofs, b) cooling radiators and c) roof ponds. The green roofs are excluded from the detailed analysis since it is an adequately investigated technique. The function of the cooling radiators and roof ponds together with the parameters determining the optimization of each system’s thermal performance are analyzed. Furthermore, the comparative evaluation of cooling radiators and roof pond variants is investigated based on simulations and experiments. Furthermore, an overall assessment of the investigated techniques taking into account all the parameters that determine the choice of a system, such as installation and operational costs, integration of system in the building etc. At the end of the second part, a specific system that meets most of the conditions considered ideal for Crete is chosen to be further investigated; Roof pond with Gunny bags prove to be an advantageous system for wide application in Crete. The system has better performance compared to similar roof cooling techniques, with no need for daily adjustments. The second part, consisting of three chapters, aims to improve the thermal performance of a specific roof cooling technique, by both simulation and experiments. According to the analysis of the previous section Roof Pond with Gunny Bags is the system worthy of further investigation. For this purpose in Chapter 3 a simulated code describing the heat flow in the investigated system is written in FORTRAN language. The code is incorporated into widely used software TRNSYS, representing the application of the investigated system in a building roof. The sensitivity analysis, following in Chapter 4, points out the parameters that mostly affect the system’s performance. The influence of structural and climatic parameters in the energy behavior of the system is examined in detail. According to the parametric study, the temperature at the bottom of the pond can be further reduced if a low emissivity material is placed on the water surface, while encouraging evaporation losses. This purpose is experimentally investigated in Chapter 5; the temperatures of three ponds protected with alternative materials placed in different positions are together recorded. The experiments proved that placing a low emissivity layer above or below water surface results in high water temperature reduction, in comparison to Roof Pond with gunny bag. The ponds that proved to give the lowest temperatures are the subject of further investigation in the following section. In the third part, consisting of four chapters, an innovative passive roof cooling technique is proposed by further investigating and redesigning of the ponds that proved to give the best thermal performance in the experiments of the previous section. In Chapter 6 two alternative ventilated ponds, protected by an aluminium sheet or a corrugated metal, are applied to the total area of a roof. The experimental records of the water temperature in ponds and the indoor air of the building utilized in order to evaluate the thermal behaviour of the examined systems. Furthermore, the temperatures at the bottom of the pond are correlated to the climatic data. The correlation proves that the daily minimum, maximum and mean bottom pond temperature of the ventilated pond, protected with the corrugated metal, can be predicted by the mean and maximum daily dew point temperatures. The indoor air temperature reduction of the building due to the application of the examined systems in roof is also estimated in Chapter 7 using a simulating tool. In Chapter 8, the thermal performance of the tested variants is being compared to each other. The final Chapter 9, investigates a number of issues, related to the wide application of the proposed techniques. The constructional, functional and aesthetic demands for the application of the proposed systems in bigger scale buildings are pointed in detail. The conformation of the suggested ponds to the Greek building regulations is also analyzed. Furthermore, the systems suggested by the present thesis are compared to innovative ones, having similar characteristics.

Η παρούσα διατριβή διερευνά τη δυνατότητα συμβολής του δώματος στον παθητικό δροσισμό και αφορά στις κλιματικές και κατασκευαστικές ιδιαιτερότητες της Κρήτης. Ο κύριος στόχος της έρευνας είναι η συνολική αξιολόγηση των τεχνικών παθητικού δροσισμού από το δώμα, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις παραμέτρους που καθορίζουν την επιλογή ενός συστήματος. Επιπλέον, η διατριβή προτείνει μια καινοτόμο τεχνική παθητικού δροσισμού του δώματος, η οποία πληροί τις απαιτούμενες προδιαγραφές για την ευρεία εφαρμογή της στην Κρήτη. Η διατριβή αποτελείται από τρεις ενότητες. Στην πρώτη ενότητα αναλύονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της Κρήτης, και αξιολογούνται οι τεχνικές παθητικού δροσισμού από το δώμα. Στη δεύτερη ενότητα διερευνώνται αναλυτικά και πειραματικά οι τρόποι με τους οποίους μπορεί να βελτιωθεί η θερμική απόδοση συγκεκριμένης τεχνικής παθητικού δροσισμού. Το τρίτο μέρος προτείνει μια καινοτόμο τεχνική, η οποία εφαρμόζεται σε κλίμακα κτιρίου. Επιπρόσθετα, αναλύεται η θερμική απόδοση του προτεινόμενου συστήματος και καθορίζονται οι απαιτήσεις για την εφαρμογή του συστήματος σε μεγαλύτερα κτίρια. Η πρώτη ενότητα αποτελεί το θεωρητικό μέρος, το οποίο αναπτύσσεται σε 2 Κεφάλαια. Στο 1ο Κεφάλαιο αναλύονται τα χαρακτηριστικά της Κρήτης, αρχής γενομένης από τα γεωγραφικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται με το κλίμα. Αναλύονται κτιριακά και πληθυσμιακά δεδομένα, καθώς επίσης και οι παράμετροι που σχετίζονται με το ενεργειακό πρόβλημα της Κρήτης. Περιγράφονται παραδοσιακές και οι συμβατικές τεχνικές κατασκευής του δώματος, ενώ αξιολογείται το δυναμικό δροσισμού με ακτινοβολία και εξάτμιση. Το 2ο Κεφάλαιο εστιάζει στην αξιολόγηση των τεχνικών παθητικού δροσισμού από το δώμα, βασιζόμενο στη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Οι τεχνικές παθητικού δροσισμού από το δώμα υπάγονται σε τρεις κατηγορίες α) τα φυτεμένα δώματα, β) τους ακτινοβολητές δροσισμού και γ) τις υδατοδεξαμενές. Τα φυτεμένα δώματα εξαιρούνται της λεπτομερούς ανάλυσης καθώς αποτελούν επαρκώς μελετημένη τεχνική. Αναλύεται η λειτουργία των ακτινοβολητών δροσισμού και των υδατοδεξαμενών και οι παράμετροι που βελτιστοποιούν τη θερμική συμπεριφορά κάθε συστήματος. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγηση των ακτινοβολητών δροσισμού και των υδατοδεξαμενών βάσει προσομοιώσεων και πειραμάτων. Πραγματοποιείται επίσης συνολική αξιολόγηση των εξεταζόμενων τεχνικών, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις παραμέτρους που καθορίζουν την επιλογή ενός συστήματος, όπως το κόστος αρχικής εγκατάστασης και λειτουργίας, η ενσωμάτωση του συστήματος στο κτίριο, κλπ. Στο τέλος της δεύτερης ενότητας, επιλέγεται για περαιτέρω μελέτη ένα συγκεκριμένο σύστημα το οποίο πληροί τις περισσότερες από τις απαιτούμενες προϋποθέσεις για εφαρμογή στην Κρήτη. Πρόκειται για την υδατοδεξαμενή με καραβόπανο στην επιφάνεια, η οποία πλεονεκτεί αναφορικά με την ευρεία εφαρμογή στην Κρήτη καθώς έχει καλύτερη συμπεριφορά σε σχέση με παρεμφερείς τεχνικές παθητικού δροσισμού από το δώμα, χωρίς την απαίτηση καθημερινού χειρισμού. Στη δεύτερη ενότητα στοχεύει στη βελτίωση της θερμικής απόδοσης συγκεκριμένης τεχνικής παθητικού δροσισμού από το δώμα, με προσομοίωση και πειράματα, και περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 3 έως και 6. Στο Κεφάλαιο 3 αναλύει το μαθηματικό υπόδειγμα -γραμμένο σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN- το οποίο περιγράφει τη ροή θερμότητας στο υπό μελέτη σύστημα, την υδατοδεξαμενή με καραβόπανο στην επιφάνεια η οποία χρήζει περαιτέρω μελέτης, σύμφωνα με την ανάλυση που προηγήθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Ο κώδικας ενσωματώνεται στο ευρείας χρήσης λογισμικό TRNSYS, προσομοιώνοντας την εφαρμογή του συστήματος σε δώμα κτιρίου. Η ανάλυση ευαισθησίας, που πραγματοποιείται στο 4ο Κεφάλαιο, επισημαίνει τις παραμέτρους που καθορίζουν την απόδοση του συστήματος. Αναλύεται λεπτομερώς η επιρροή κατασκευαστικών και κλιματικών παραμέτρων στην ενεργειακή συμπεριφορά του συστήματος. Σύμφωνα με την παραμετρική ανάλυση, η θερμοκρασία του νερού στον πυθμένα της υδατοδεξαμενής μειώνεται με την τοποθέτηση υλικού χαμηλής εκπομπής στην επιφάνεια του νερού και παράλληλη ενίσχυση των θερμικών απωλειών με εξάτμιση. Η δυνατότητα αυτή διερευνάται πειραματικά στο Κεφάλαιο 5. Οι θερμοκρασίες σε τρεις υδατοδεξαμενές, οι οποίες προστατεύονται με εναλλακτικά υλικά τοποθετούμενα σε διαφορετικές θέσεις καταγράφονται ταυτόχρονα. Τα πειράματα απέδειξαν ότι τοποθετώντας ένα υλικό χαμηλής εκπομπής και μεγάλης ανακλαστικότητας πάνω ή κάτω από την επιφάνεια του νερού η θερμοκρασία του νερού συνεπάγεται μειώνεται αισθητά, σε σχέση με την υδατοδεξαμενή με καραβόπανο στην επιφάνεια. Οι υδατοδεξαμενές που επέδειξαν τις χαμηλότερες θερμοκρασίες αποτελούν αντικείμενο περαιτέρω διερεύνησης στην επόμενη ενότητα. Η τρίτη ενότητα προτείνει μια καινοτόμο τεχνική παθητικού δροσισμού από το δώμα, με την περαιτέρω διερεύνηση και τον επανασχεδιασμό των υδατοδεξαμενών που επέδειξαν την καλύτερη θερμική συμπεριφορά στα πειράματα της προηγούμενης ενότητας. Στο Κεφάλαιο 6 εφαρμόζονται στη συνολική επιφάνεια του δώματος ενός κτιρίου, αεριζόμενες υδατοδεξαμενές εκ περιτροπής προστατευόμενες με φύλλο αλουμινίου και χαλύβδινη λαμαρίνα τραπεζοειδούς διατομής. Η πειραματική καταγραφή των θερμοκρασιών του νερού στις υδατοδεξαμενές και του εσωτερικού αέρα του κτιρίου αξιοποιείται με σκοπό την αξιολόγηση της θερμικής συμπεριφοράς των συστημάτων. Επιπρόσθετα, οι θερμοκρασίες του νερού συσχετίζονται με κλιματικά δεδομένα. Η συσχέτιση αποδεικνύει ότι η ημερήσια ελάχιστη, μέγιστη και η μέση θερμοκρασία στον πυθμένα της αεριζόμενης υδατοδεξαμενής με χαλύβδινη λαμαρίνα τραπεζοειδούς διατομής μπορεί να υπολογιστεί βάσει των μέσων και μέγιστων ημερησίων θερμοκρασιών του σημείου δρόσου. Η μείωση της εσωτερικής θερμοκρασίας του αέρα στο κτίριο με την εφαρμογή των εξεταζόμενων συστημάτων στο δώμα, υπολογίζεται στο Κεφάλαιο 7 με τη βοήθεια προσομοίωσης. Στο Κεφάλαιο 8, πραγματοποιείται η σύγκριση της θερμικής απόδοσης μεταξύ των δύο εξεταζόμενων συστημάτων. Στο τελευταίο Κεφάλαιο 9, αναλύονται θέματα που σχετίζονται με την ευρεία εφαρμογή της προτεινόμενης τεχνικής. Καθορίζονται οι κατασκευαστικές, λειτουργικές και αισθητικές απαιτήσεις για την εφαρμογή των προτεινόμενων συστημάτων σε κτίρια μεγαλύτερης κλίμακας. Αναλύεται επίσης η συμμόρφωση των προτεινόμενων υδατοδεξαμενών με τους ελληνικούς κανονισμούς σχετικούς με τη δόμηση. Τέλος, πραγματοποιείται σύγκριση των συστημάτων που προτείνει η παρούσα διατριβή με καινοτόμα συστήματα που έχουν παρεμφερή χαρακτηριστικά.