Βελτιστοποίηση περιβαλλοντικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια ζωής των κτιριακών κατασκευών με εκτίμηση του βέλτιστου πάχους θερμομονωτικ...

Abstract

The object of the thesis is to examine the dual role of the thermal insulation on the overall environmental profile of buildings. The thermal insulating materials affect the environment during their entire production process, while on the other hand have a positive contribution on the buildings’ environmental profile, by reducing the heating and cooling energy requirements. The main scope of the thesis is to evaluate, with environmental criteria, the optimum thickness of the thermal insulation material. The environmental impact of the thermal insulation material is calculated using the methodology of life cycle analysis, while of the total possible impacts, only embodied energy is co-estimated. The embodied energy of thermal insulation material is added with the heating energy requirements of the building throughout its estimated lifetime and then the thickness of thermal insulation material, for which the total energy is minimized, is estimated. In order to solve the mathematical problem, a computational tool was developed, which estimates the optimum thickness of the insulation material using an appropriate mathematical optimization method. Due to the mathematical solution of optimization problem, it is necessary that all parameters involved in the expression of the total energy to be expressed in terms of a mathematical function of the thickness of thermal insulation material. For this reason it is necessary to develop a relationship that expresses the annual heating energy requirements as a function of the insulation material’s thickness. The development of the relationship is based on European Standard EN13790. Moreover, in the original methodology for calculating the annual heating energy requirements, the use of annual heating degree days is proposed. The annual heating degree days are expressed as a function of indoor air temperature. Specifically, polynomial functions of first, second and third degree for three Greek cities are estimated, using four different methods of calculating the annual heating degree days. The estimation was made using multiple linear regression. The final original model expresses the whole energy as the sum of the embodied energy of the insulation material and the heating energy requirements of the building throughout its whole lifecycle as a function of the insulation thickness. Finally, a computational tool was developed, which implements the mathematical estimation of the insulation material’s optimal thickness using an appropriate mathematical optimization method.

Το αντικείμενο της διατριβής είναι η συνεκτίμηση του διττού ρόλου του θερμομονωτικού υλικού στη συνολική περιβαλλοντική εικόνα των κτιριακών κατασκευών. Τα θερμομονωτικά υλικά αφ’ενός μεν επιβαρύνουν το περιβάλλον με πληθώρα περιβαλλοντικών επιπτώσεων που συνεπάγεται η διαδικασία παραγωγής τους, αφ’ετέρου δε συμβάλλουν θετικά στην περιβαλλοντική εικόνα των κτιρίων, μέσω της μείωσης των απαιτήσεών τους σε ενέργεια θέρμανσης και ψύξης. Ο κεντρικός στόχος της διατριβής είναι η εκτίμηση του βέλτιστου, με περιβαλλοντικά κριτήρια, πάχους θερμομονωτικού υλικού. Οι επιπτώσεις του θερμομονωτικού υλικού στο περιβάλλον υπολογίζονται με βάση τη μεθοδολογία ανάλυσης κύκλου ζωής, ενώ από το σύνολο των δυνατών επιπτώσεων επιλέχθηκε μόνο η εμπεριεχόμενη ενέργεια του θερμομονωτικού υλικού. Η εμπεριεχόμενη ενέργεια του θερμομονωτικού υλικού αθροίζεται με την ενέργεια που απαιτείται για τη θέρμανση του κτιρίου καθ’όλη την εκτιμώμενη διάρκεια ζωής του και εκτιμάται το πάχος θερμομονωτικού υλικού για το οποίο η συνολική ενέργεια είναι η ελάχιστη δυνατή. Για την επίλυση του προβλήματος αναπτύχθηκε υπολογιστικό εργαλείο, το οποίο προβαίνει στην εκτίμηση του βέλτιστου πάχους θερμομονωτικού υλικού με χρήση κατάλληλης μαθηματικής μεθόδου βελτιστοποίησης. Λόγω της μαθηματικής επίλυσης του προβλήματος της βελτιστοποίησης, είναι απαραίτητο όλες οι παράμετροι που υπεισέρχονται στην έκφραση της συνολικής ενέργειας να είναι εκφρασμένες με μορφή συνάρτησης του πάχους θερμομονωτικού υλικού. Γι’ αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η ανάπτυξη σχέσης που εκφράζει τις ετήσιες απαιτήσεις σε ενέργεια θέρμανσης ως συνάρτηση του πάχους θερμομονωτικού υλικού. Η ανάπτυξη της σχέσης βασίζεται στο ευρωπαϊκό πρότυπο EN13790. Επιπλέον, στην πρωτότυπη συνάρτηση υπολογισμού των ετήσιων απαιτήσεων σε ενέργεια θέρμανσης εισάγονται οι ετήσιες βαθμοημέρες θέρμανσης. Οι ετήσιες βαθμοημέρες θέρμανσης εκφράζονται ως συνάρτηση της επιθυμητής θερμοκρασίας εσωτερικού αέρα. Συγκεκριμένα εκτιμήθηκαν πολυωνυμικές συναρτήσεις 1ου, 2ου και 3ου βαθμού για τρεις ελληνικές πόλεις, χρησιμοποιώντας τέσσερις διαφορετικούς τρόπους υπολογισμού των ετήσιων βαθμοημερών θέρμανσης, ενώ η εκτίμηση έγινε με χρήση πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Το τελικό πρωτότυπο προσομοίωμα εκφράζει το άθροισμα της εμπεριεχόμενης ενέργειας του θερμομονωτικού υλικού και της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του κτιρίου καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του ως συνάρτηση του πάχους θερμομονωτικού υλικού. Τέλος αναπτύχθηκε υπολογιστικό εργαλείο, το οποίο υλοποιεί τη μαθηματική εκτίμηση του βέλτιστου πάχους θερμομονωτικού υλικού με χρήση κατάλληλης μαθηματικής μεθόδου βελτιστοποίησης.