ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ

7o EΘΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΓΙΑ ΤΙΣ ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΠΑΤΡΩΝ
ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΗΛΙΑΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ

ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ ΜΕ ΦΥΤΕΜΕΝΟ ΔΩΜΑ

Βραχόπουλος Μ. Γρ., Φιλιός Α.Ε., Κωτσιόβελος Γ. Τρ.
Τμήμα Τεχνολόγων Μηχανολόγων, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Χαλκίδας,
344 00 Ψαχνά Ευβοίας, e-mail: mvrachop@teihal.gr


ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Το ψυκτικό αποτέλεσμα του φυτεμένου δώματος ερευνάται μέσω προγράμματος προσομοίωσης σε υπολογιστή. Η προσομοίωση στηρίζεται στην επίλυση της μονοδιάστατης μεταβατικής θερμικής διαχείρισης και ισοδυναμεί σε μια πολυεπίπεδη κάτοψη με και χωρίς φυτεμένο δώμα (green canopy).
Το προτεινόμενο υπολογιστικό μοντέλο κάνοντας χρήση των θερμοκρασιακών μετρήσεων σε μοντέλα πλήρους κλίμακας, υπολογίζει το ψυκτικό φορτίο, όπως επίσης και το ενεργειακό κέρδος για τον τελευταίο όροφο ενός κτιρίου το οποίο είναι καλυμμένο με φυτεμένο δώμα.

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ
Φυτεμένο δώμα, ψυκτικό φορτίο, εξομοίωση

ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Περιβαλλοντικά προβλήματα συσχετιζόμενα σε αστικές περιοχές οι οποίες παράγουν μεγάλα ποσά και πολλά είδη αποβλήτων, είναι μερικά από τα πρόσφατα ερευνηθέντα θέματα. Στις μεγάλες πόλεις, οι οποίες είναι ενεργειακά απαιτητικές μονάδες, ένας φαύλος κύκλος εγκαθίσταται επειδή τα θερμικά απόβλητα από τις κλιματιστικές μονάδες που χρησιμοποιούνται για να ψύξουν τα κτίρια , ανεβάζουν τη θερμοκρασία της πόλης, η οποία τότε απαιτεί μεγαλύτερα ψυκτικά φορτία για τα κτίρια. Δυστυχώς, η σχεδόν παγκόσμια τάση στην κατασκευή των κτιρίων, είναι να μην υπάρχει πρόβλεψη φυτεμένου δώματος. Βασισμένη στη συγκέντρωση του πληθυσμού στις μεγάλες πόλεις, η συνήθης πρακτική για τις νεοδημιουργούμενες περιοχές, οδηγεί σε μια χαρακτηριστική μείωση του πρασίνου, δημιουργία ισχυρών ηλιακών αντανακλάσεων, μείωση του παραγόμενου οξυγόνου και κατανάλωση διοξειδίου του άνθρακα. Κύριο χαρακτηριστικό των παραπάνω, είναι η δημιουργία ενός ασφυκτικού κλίματος στις μεγάλες πόλεις, κυρίως το καλοκαίρι, με την αύξηση της θερμοκρασίας και την εμφάνιση του φαινομένου του θερμοκηπίου.
Είναι γενικά γνωστό ότι με την εξάτμιση (evapotranspiration) μεγάλες ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας μπορούν να μετατραπούν σε λανθάνον φορτίο, το οποίο εμποδίζει την αύξηση της θερμοκρασίας. Ένας τρόπος για να αυξηθεί η εξατμιζόμενη επιφανειακή περιοχή των μεγάλων πόλεων, είναι να καλυφθούν οι οροφές των κτιρίων με καλλιεργήσιμο πράσινο. Η πράσινη κάλυψη πάνω από ένα κτίριο έχει ψυκτικό αποτέλεσμα στα περίχωρα και επίσης μειώνει το ψυκτικό φορτίο για το εσωτερικό των κτιρίων. Στη συγκεκριμένη μελέτη ερευνάται η θερμική συμπεριφορά του τελευταίου ορόφου ενός κτιρίου, εξαιτίας της κάλυψής του με φυτεμένο πράσινο, με σκοπό να εκτιμηθεί η επίδραση ενός φυτεμένου δώματος.
Έχουν πραγματοποιηθεί υπολογισμοί για μια συνηθισμένη συμβατική οροφή. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκαν δημοσιευμένες μετρήσεις [1,2] για τους δύο τύπους οροφής. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια δύο μηνών, Ιουλίου και Σεπτεμβρίου του 1998, στη Θεσσαλονίκη. Οι προκαταρκτικές προσομοιώσεις χρησιμοποιούσαν για τον κλιματισμό του κατώτερου χώρου τον καθορισμό των εσωτερικών συνθηκών, οι οποίες είναι Tdb=26 oC , φ = 50%.

ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ

a : Απορροφητικότητα
c : Ειδική θερμότητα
ho : Συντελεστής μετάδοσης θερμότητας
I(t) :Ολική ηλιακή ακτινοβολία
Κ : Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας
Τdb : Θερμοκρασία ξηρής σφαίρας
To(t) : Εξωτερική θερμοκρασία ξηρής σφαίρας
Τ(t,0) :Θερμοκρασία επιφανείας επιπέδου
Τ(t,L) : Θερμοκρασία επιπέδων οροφής
εΔR : Διορθωτικός συντελεστής για μεγάλου μήκους κύματος
ακτινοβολία
ρ : Πυκνότητα
φ : Σχετική υγρασία





Εικ.1 Τομή του φυτεμένου δώματος






ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ

Η οροφή ενός κτιρίου με ή χωρίς φυτεμένο δώμα, μπορεί να θεωρηθεί σαν μια πολυεπίπεδη κάτοψη, στην οποία τα επίπεδα βρίσκονται σε τέλεια θερμική επαφή. Η συνηθισμένη οροφή αποτελείται από επίπεδα τυπικών κατασκευαστικών υλικών, σε αντίθεση με το φυτεμένο δώμα, στο οποίο υπάρχουν επιπρόσθετα επίπεδα μαζί με τη φυτεμένη κάλυψη. Το τελευταίο φαίνεται στην εικόνα 1.




Η θερμική ισορροπία στην πολυεπίπεδη οροφή περιγράφεται από μια εξίσωση μονοδιάστατης θερμικής ροής

ρc = (1)

Η επίλυση της παραπάνω εξίσωσης απαιτεί
α) την αρχική θερμοκρασία στο πάχος του επιπέδου, η οποία υπολογίζεται σταθερώς και
β) η θερμοκρασία στα όρια του χρονικού domain. H ανώτατη και κατώτατη θερμοκρασία σχετίζεται με την ταχύτητα θερμικής ροής στα αντίστοιχα όρια


o (t,0) = ho[Τo(t)-Τ(t,0)] + aI(t) - εΔR (2)

(t,L) = [T(t,L) - T(t,L+Δz)] (3)

όπου ho, είναι ο ολικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας από επαφή και ακτινοβολία
στην ανώτατη και κατώτατη επιφάνεια,
I(t) είναι η ολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην εξωτερική επιφάνεια του
τοίχου που δηλώνει την ηλιακή ακτινοβολία απορρόφησης της ανώτατης
επιφάνειας και
εΔR είναι ένας διορθωτικός συντελεστής για την ακτινοβολία μεγάλου κύματος [7].

Για την διατήρηση μιας ταλαντευόμενης κατάστασης και για διάρκεια 24 ωρών, η μέση ταχύτητα της θερμικής ροής για κάθε επίπεδο είναι

= [ - ] (4)
όπου kι είναι η θερμική αγωγιμότητα του επιπέδου ι, Tι είναι η μέση θερμοκρασία μεταξύ των επιπέδων ι και ι+1, Tι+1 είναι η μέση θερμοκρασία μεταξύ των επιπέδων ι+1 και ι+2 (Εικ.1) Lι το πάχος του επιπέδου ι (σε m), και η μέση ταχύτητα θερμικής ροής (σε W/m2).

Η μέση εξωτερική θερμική ροή στην ανώτατη επιφάνεια θα είναι
= ho [ - ] (5)

όπου και είναι η μέση εξωτερική θερμοκρασία αέρα και η εξωτερική θερμοκρασία οροφής.
Η παρουσία μιας φύτευσης απαιτεί την αντικατάσταση της οριακής κατάστασης που παράγεται από το σχέση (2). Σε αυτή την περίπτωση, η ταχύτητα θερμικής ροής στη φυτεμένη επιφάνεια είναι

og (t,0) = hog[ (t)-Τ(t,0)] + aI(t) – εΔR (6)


όπου (t) είναι η θερμοκρασία του αέρα κάτω από την φυτεμένη επιφάνεια.


ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Το μοντέλο προσομοίωσης εφαρμόστηκε σε δύο οροφές, μία συμβατική και μία φυτεμένη, οι οποίες μελετήθηκαν πειραματικά [1,2] χωρίς καμία πρόβλεψη για κλιματισμό του τελευταίου ορόφου του κτιρίου. Τα πειραματικά μελετημένα μοντέλα εντοπίζονται στην οροφή δύο εντελώς διαφορετικών κτιρίων που έχουν τον ίδιο προσανατολισμό. Τα χαρακτηριστικά της κάθε οροφής, συμπεριλαμβανομένου των υλικών, του πάχους κάθε επιπέδου και των αντίστοιχων θερμικών χαρακτηριστικών, φαίνονται στο πίνακα 1, όπου δίνονται λεπτομερείς πληροφορίες για τη διαμόρφωση της πράσινης φύτευσης. Το επίπεδο του εδάφους καλύφθηκε κυρίως με χλόη και στην περίμετρο με κισσό για ένα πιο παχύ στρώμα φύτευσης.

Η εκτίμηση της θερμικής ροής και στα δύο πειραματικά μοντέλα πραγματοποιήθηκε τοποθετώντας οριακές συνθήκες στο μοντέλο προσομοίωσης. Στο πρώτο πειραματικό τεστ δεν υπήρχε πρόβλεψη για κλιματισμό του υποκείμενου ορόφου. Στο δεύτερο πειραματικό τεστ υπήρχε πρόβλεψη για τον κλιματισμό του υποκείμενου ορόφου ορίζοντας Tdb= 26 oC για την εσωτερική θερμοκρασία και φ= 50% για τη σχετική υγρασία. Οι τιμές για το συντελεστή θερμικής μεταφοράς ενσωματωμένες σε εξισώσεις (5) και (6) για τις δύο εξετασθείσες οροφές είναι ho= 44,04 W/m2K και hog= 1,35 W/m2K .
Οι πραγματοποιημένες θερμικές μετρήσεις επέτρεψαν τον υπολογισμό των ταχυτήτων θερμικής ροής o (t,0) και og (t,0) στη ανώτερη και κατώτερη επιφάνεια των δύο οροφών. Το μέσο θερμοκρασιακό προφίλ για ένα θερινό μήνα φαίνεται στο διάγραμμα 2. Τα θερμοκρασιακά δείγματα στη ανώτερη επιφάνεια του συνηθισμένου και του φυτεμένου δώματος κατ’ εκτίμηση φαίνονται σε σχέση με την αντίστοιχη εξωτερική θερμοκρασία.

Διάγραμμα 2
Series 1: Θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος
Series 2: Θερμοκρασία οροφής συμβατικού δώματος
Series 3: Θερμοκρασία οροφής φυτεμένου δώματος



Από τις υπολογισμένες ταχύτητες θερμικής ροής εκτιμήθηκαν οι μέσες ημερήσιες ταχύτητες θερμικής ροής qo qog .
Στο διάγραμμα 3 φαίνονται οι προσομοιωμένες θερμικές ροές για το συμβατικό και το φυτεμένο δώμα. Οι υπολογισμένες τιμές επιβεβαιώνουν ότι η θερμική ροή για την επιφάνεια του μπετόν είναι κυρίως από το εξωτερικό προς το εσωτερικό, σε αντίθεση με την επιφάνεια του εδάφους όπου το αρνητικό πρόσημο στη θερμική ροή υποδηλώνει ότι αυτή πραγματοποιείται πάντα από το εσωτερικό προς το εξωτερικό.


Διάγραμμα 3
Series 1: Θερμική ροή για το συμβατικό δώμα.
Series 2: Θερμική ροή για το φυτεμένο δώμα.

Οι απαιτήσεις του υποκείμενου ορόφου για κλιματισμό τροποποιούν την καμπύλη της θερμικής ροής όπως φαίνεται στο διάγραμμα 4. Οι διαφορές στις ταχύτητες θερμικής ροής και στα δύο εξεταζόμενα παραδείγματα, δίνουν μια εικόνα των πιθανών κερδών με τους όρους της εξοικονόμησης ενέργειας.


Διάγραμμα 4
Series 1: Θερμική ροή για το συμβατικό δώμα.
Series 2: Θερμική ροή για το φυτεμένο δώμα.

Η εξοικονόμηση ενέργειας οφείλεται στην μείωση του ψυκτικού φορτίου του υποκείμενου ορόφου εξαιτίας των θερμικών κερδών από την πράσινη φύτευση. Στα διαγράμματα 5 και 6 φαίνεται το υπολογιζόμενο ποσοστό της ενεργειακής εξοικονόμησης λόγω της μείωσης του ψυκτικού φορτίου που προκαλεί το φυτεμένο δώμα. Από το διάγραμμα 5 προκύπτει ότι το ημερήσιο ενεργειακό κέρδος από την μείωση του ψυκτικού φορτίου στον μη κλιματιζόμενο υποκείμενο όροφο, είναι τουλάχιστον 50%. Ο απαιτούμενος κλιματισμός όμως για τον χώρο αυτό, σίγουρα μειώνει τα προσδοκούμενα ενεργειακά κέρδη στο 22% (ελάχιστο) έως 35% (μέγιστο), όπως φαίνεται στα διάγραμμα 6.


Διάγραμμα 5 Διάγραμμα 6


4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η εφαρμογή της ιδέας του φυτεμένου δώματος σε ευρεία κλίμακα, εξυπηρετεί την βελτίωση της αποπνικτικής ατμόσφαιρας, λειτουργώντας σαν βάση για την μείωση του διοξειδίου του άνθρακα με αντίστοιχη παραγωγή οξυγόνου. Παράλληλα εξαιτίας της ενεργειακής απορρόφησης με την παραπάνω διαδικασία και την δημιουργία υδρατμών μειώνεται κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού η θερμοκρασία στην περιοχή της φύτευσης. Η διαρκής ηλιακή ακτινοβολία και η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας περιβάλλοντος, είναι οι κύριες αιτίες της μεγάλης ζήτησης για ψυκτικά φορτία κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, αφού παρουσιάζεται έντονη διείσδυση από την οροφή των κτιρίων.
Σε αντίθεση η δημιουργία πράσινων οροφών επηρεάζει σημαντικά την μείωση των φορτίων αυτών και κυρίως τις ώρες αιχμής, με αποτέλεσμα η εξοικονόμηση να φτάσει στο 30-35% των φορτίων της οροφής του τελευταίου ορόφου.
Μετά την παραμετρική μελέτη βγαίνει το συμπέρασμα ότι πέρα από αισθητική, περιβαλλοντική και οποιαδήποτε άλλη θετική επίδραση, η τοποθέτηση φυτεμένου δώματος είναι επίσης σημαντική λόγω της εξοικονόμησης ενέργειας που οφείλεται κυρίως στην μείωση των καλοκαιρινών περιβαλλοντικών φορτίων.
Η εξοικονόμηση ενέργειας προσδιορίζεται περίπου στο 30-35% των φορτίων της οροφής και κατά ένα μέσο ποσοστό 20-25% των φορτίων του εδάφους.
Χαρακτηριστικά των παραπάνω είναι ότι η μείωση της ώρες αιχμής φτάνει το 40%, που σημαίνει επιπρόσθετο δευτερεύον κέρδος στην ευρεία παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας με σκοπό την εξυπηρέτηση των αναγκών των πόλεων.
Αυτή η γνώση οδηγεί στην διατύπωση της αναγκαιότητας για την επέκταση τέτοιου είδους εγκαταστάσεων στις μεγάλες πόλεις αφού προσφέρουν λογικά ενεργειακά και περιβαλλοντικά κέρδη.
Το να σχεδιάζεις φυτεμένο δώμα για τη μείωση της θερμικής ροής κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, υποδηλώνει την επιλογή φυτών με μεγάλη ικανότητα για την ανάπτυξη φυλλώματος έτσι ώστε να διασφαλίζεται ελάχιστη μετάδοση ακτινοβολίας. Επιπλέον υποδηλώνει την επιλογή ελαφρού χώματος που μειώνει την θερμική αγωγιμότητα καθώς επίσης και το βάρος.













ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

[1] Theodosiou, Th., Amiras, P., and Economidis, Gr., 1999, "The contribution of the planted roof to the cooling of a building", Proc. of the National Renewable Energy Congress VI, Vol. A, 3-5 November, Volos, Hellas, pp. 137-144.
[2] Evmorfopoulou, E., Kalaitzidou, N., and Tourtoura, D., 1999, "The influence of the different types of planted roofs in the thermal behavior of a building", Proc. of the National Renewable Energy Congress VI, Vol. A, 3-5 November, Volos, Hellas, pp. 145-151.
[3] Harazono, Y., and Ikeda, H., 1990, "The effect on an indoor thermal environment with simple hydroponic cultivation on rooftops", J. Agric. Met. Jpn 46, pp. 9–17.
[4] Ishihara, O., and Chou, S., 1992, "Experimental study on environmentally lightening effect of soil and lawn vegetation on the roof", Proc. of Annual Meeting of Japanese Society of Solar Energy, pp. 255–258.
[5] Meier, A.K., 1990, "Measured cooling savings from vegetative landscaping", Proc. American Council for an Energy-Efficient Economy, Environment 4, pp. 133–143.
[6] Meier, A.K., 1991, "Strategic landscaping and air-conditioning savings: literature review", Energy and Buildings 15–16, pp. 479–486.
[7] ASHRAE Fundamentals, 1985, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.













ENERGY SAVINGS IN BUILDINGS WITH GREEN ROOFS

Vrachopoulos Μ. Gr., Filios Α.Ε., Κotsiovelos G. Τr.
Mechanology Department of Technological Education Institute of Chalkis,
344 00 Psahna Euvoias, e-mail: mvrachop@teihal.gr

ABSTRACT

Global environmental problems must be solved in many aspects and those related to urban areas that produce large amounts and many kinds of wastes are some of the current research topics. In big cities, which are energy intensive units, a vicious circle is created because waste heat from air-conditioning units to cool buildings drives up the city temperature, which then requires larger cooling load for buildings. It is a well-known fact that by evapotranspiration, large amounts of solar radiation can be converted into latent heat that prevents the temperature rise. One way to increase evapotranspiration surface area in big cities is to cover the ceiling of the buildings with vegetative greenery. Greenery cover over a building has a cooling effect on the surroundings and also reduces the cooling load for inside the buildings. Preliminary experiments showed rather large cooling effects of rooftop greenery by Theodosiou et al, Evmorfopoulou et al [1], Harazono and Ikeda, and Ishihara and Chou [3]. Research on this subject was thoroughly reviewed by Meir [4,5,7]. It was reported that in experimental measurements, the savings produced by the various coverings varied widely due to weather and vegetation differences, but the results were not quantitatively analysed. Simulation models have not yet been developed to evaluate cooling requirements of buildings. In the proposed paper, as part of a study to evaluate the cooling effect of greenery over a building, computer simulations are presented. The simulated results are compared with the measured ones.
In this project study the thermal behaviour of the last floor of the building when it’s induced from the roof garden. The values take it of the measurements of the Building and Structural Physics Laboratory of Civil Department of Aristotelian University of Thessalonica. The operation simulating and adapting in air conditioning thoroughfare over simulation programme.
The thermal behaviour development on the July and September and the indoor condition are Tdb = 26oC, φ=50%.