Βιοκλιματικές δασικές κατασκευές

Abstract

The energy problem relates to the climate change phenomenon of global warming, as well as the pollution of the natural environment. The present thesis investigates the energy issue with the perspective of building's energy performance, which are located within the forest environment. The forest environment contributes to the containment of the climate change phenomenon, due to its carbon storage capability and its beneficial microclimate characteristics. Moreover, forests are the most important source of biomass for energy use exploited by humans throughout history. The Taxiarchis-Vrastama forest, which is under the authority of the Aristotle University of Thessaloniki, managed in a sustainable way certifies biomass use for energy production categorized as a renewable energy source. Consequently, any building settlement should operate in a way to avoid imbalance of the aforementioned environment. The aim of the present thesis is to examine at first the energy performance of selected existing wood frame buildings within the premises of Taxiarchis-Vrastama forest, in order to address the prospects of exploitation of biomass for HVAC operation. In addition, the positive aspects of the forest environment against the climate change and the benefits of wood as a sustainable construction material are being highlighted. Secondarily, it presents the benefits to the local communities with respect to economy and energy autonomy. The case study focuses to the existing small-scale forest village consisting of six wood frame buildings. Specifically, the research includes the estimation of energy consumption for heating and domestic hot water and the thermal comfort conditions. Furthermore, the implementation of a cost comparison between different fuel and heating system scenarios, generated results that indicate the potential opportunities of energy performance improvement. The methodology used consists of four separate methods. The first involves the estimation of energy consumption via the heating degree-days method and the second uses the Ecotect energy simulation program in order to perform a comparison between several building characteristics and HVAC scenarios. The third method concerns the estimation of thermal comfort for each season of year 2014 and the last method is based on the application of life cycle cost estimation, by comparing six separate scenarios of selected fuels and HVAC Systems.The data sets used originate from portable instruments (data loggers) measuring climatic parameters, placed indoors and outdoors of the selected buildings. Τhe results following the methodology analysis revealed the need for energy consumption reduction in both the theoretical permanent use and the realistic intermittent seasonal use of buildings. Thermal comfort results have been satisfactory, pointing out the profound significance of user's behavior, by adopting the outdoor wheather conditions. Concerning the life cycle cost analysis comparison of six different fuel and HVAC scenarios, it has been found that the use of biomass is the most advantageous in cost reduction. Furthermore, biomass is a better choice for the forest environment and beneficial to the local communities.The proposals related to the improvement of building's energy performance concern both the existing conditions as well as the theoretical design stage. They involve passive bioclimatic building concepts in combination of improvement measures concerning HVAC systems. The proposals focus on energy conservation and efficiency optimization, taking into account the rational use of buildings by residents, all being accounted as interconnected parameters.

Το ενεργειακό ζήτημα σχετίζεται άμεσα με την κλιματική αλλαγή και τη ρύπανση του περιβάλλοντος, πέραν των αναμφισβήτητων οικονομικών τους προεκτάσεων. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το ενεργειακό ζήτημα από τη σκοπιά των δασικών κτιριακών κατασκευών σε δασικό περιβάλλον. Το δασικό περιβάλλον αποτελεί σημαντικό σύμμαχο στην προσπάθεια ανάσχεσης του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής, αλλά και του ευνοϊκού μικροκλίματος λόγω του δυναμικού αποθήκευσης άνθρακα, που διαθέτει. Επιπρόσθετα, το δάσος αποτελεί την κυριότερη πηγή βιομάζας, η οποία αποτέλεσε και την πρώτη πηγή ενέργειας στον άνθρωπο. Η διαχείριση του Πανεπιστημιακού δάσους Α.Π.Θ. Ταξιάρχη-Βραστάμων πραγματοποιείται με βάση τις αρχές της αειφορίας, πιστοποιώντας, σε ορισμένο ποσοστό και για ενεργειακούς σκοπούς, τη χρήση βιομάζας (ξυλείας) ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Σε αυτό το περιβάλλον οι όποιες κτιριακές εγκαταστάσεις οφείλουν να μην είναι ενεργοβόρες, αλλά ενεργειακά προσαρμοσμένες.Σκοπός της διατριβής είναι να εξετασθούν πρωτίστως η ενεργειακή συμπεριφορά επιλεγμένων ξύλινων κτιρίων εντός του Πανεπιστημιακού δάσους Ταξιάρχη-Βραστάμων του Α.Π.Θ. και οι προοπτικές εκμετάλλευσης της βιομάζας για ενεργειακούς σκοπούς, σε σχέση πάντα με τα κτίρια. Με τον τρόπο αυτό αναδεικνύονται οι δυνατότητες, που προσφέρει το δασικό περιβάλλον στην ενεργειακή κατανάλωση των παραδασόβιων περιοχών, σε σχέση με την ανάσχεση του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής, αλλά και τα οφέλη της ξυλείας ως αειφορικού οικοδομικού υλικού. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται τα οφέλη στην τοπική κοινωνία από οικονομικής πλευράς, καθώς και ενεργειακής αυτονομίας.Η έρευνα επικεντρώνεται στο υφιστάμενο, μικρής κλίμακας, σύνολο έξι ξύλινων κτιρίων των Πανεπιστημιακών εγκαταστάσεων, εν είδει δασικού χωριού. Εξετάζεται η ενεργειακή κατανάλωση για θέρμανση και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης των κτιρίων, οι συνθήκες θερμικής άνεσης, που διαμορφώνονται και η οικονομική σύγκριση επιλεγμένων σεναρίων καυσίμων και συστημάτων θέρμανσης, ώστε να προκύψουν συμπεράσματα για τις δυνατότητες βελτιστοποίησης της ενεργειακής τους συμπεριφοράς. Η μεθοδολογία αποτελείται από τέσσερα διακριτά μέρη. Το πρώτο αφορά στον υπολογισμό ενεργειακής κατανάλωσης, μέσω της μεθόδου βαθμοημερών, ενώ το δεύτερο αναφέρεται στην ενεργειακή προσομοίωση μέσω του λογισμικού Ecotect, με χρήση εναλλακτικών σεναρίων των χαρακτηριστικών των κτιρίων και της λειτουργίας των ενεργειακών τους συστημάτων. Το τρίτο μέρος αφορά στον υπολογισμό των συνθηκών θερμικής άνεσης, ανά εποχή του έτους 2014 και, στο τελευταίο, εφαρμόζεται η οικονομική ανάλυση έξι εναλλακτικών σεναρίων καυσίμων και συστημάτων θέρμανσης και Ζεστού Νερού Χρήσης, μέσω της μεθόδου του κόστους κύκλου ζωής.Τα δεδομένα, που χρησιμοποιήθηκαν, προέρχονται από την καταγραφή κλιματικών παραμέτρων με χρήση μετεωρολογικών οργάνων, τα οποία τοποθετήθηκαν εντός και πλησίον των υπό έρευνα κτιρίων. Τα συμπεράσματα, που εξήχθησαν, ανέδειξαν την ανάγκη μείωσης της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίων, τόσο για την θεωρητική μόνιμη χρήση τους, όσο και για την ρεαλιστικότερη εποχιακή χρήση. Η θερμική άνεση, κρίνεται ικανοποιητική με βαρύνουσα σημασία τη συμπεριφορά των χρηστών, λόγω της ικανότητας προσαρμογής στις κλιματικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα της οικονομικής ανάλυσης, εκπορευόμενα από τη σύγκριση διαφορετικών σεναρίων χρήσης καυσίμων και ενεργειακών συστημάτων, ανέδειξαν την βιομάζα ως την ορθότερη επιλογή, με επιπλέον περιβαλλοντικά και κοινωνικά οφέλη. Οι προτάσεις βελτιστοποίησης εστιάζονται σε επεμβάσεις στην υφιστάμενη κατάσταση, αλλά και στο στάδιο σχεδιασμού. Αυτές αφορούν εφαρμογές παθητικού βιοκλιματικού σχεδιασμού, καθώς και προτάσεις αναβάθμισης των συστημάτων θέρμανσης και Ζ.Ν.Χ. Συγκεκριμένα, εμπεριέχουν την βέλτιστη επιλογή καυσίμου, απόδοσης των συστημάτων αλλά και της ορθολογικής τους χρήσης, αφού κρίνονται ως αλληλοεξαρτώμενες παράμετροι.