Επίδραση των κατασκευαστικών και λειτουργικών παραμέτρων των κτιρίων στην εξοικονόμηση ενέργειας θέρμανσης και ψύξης υπό μεταβατικές συνθήκες

Abstract

In this doctorate the effects of Greek buildings envelope characteristics and functional parameters for saving heating and cooling energy on the transient conditions were examined. Among the envelope characteristics that were studied are those with the highest and lowest thermal resistance: the insulation (with characteristics its thickness and value of specific thermal conductivity) and the fenestration (with characteristics the heat transfer coefficient, the area percentage based on the envelope surface and the orientation). It was also studied the characteristics of the internal mass of the building (interior partitions, furniture). Among the functional parameters that were studied is included: the operation program of the heating and cooling system in connection with the thermostat operation mode and the effect of the internal and external loads for different categories of buildings, so as conditions of thermal comfort to be achieved with the less energy consumption. For the analysis of the above thermal problem, a numerical procedure has been developed which is based on an implicit finite-difference solution of a set of differential equation describing the transient thermal behavior of buildings. Application of the procedure was made for typical Athens buildings and climatic conditions in Athens. The innovate elements of the doctorate can be summarized to the above:Development of a model and a corresponding numerical procedure for the prediction of the transient thermal behavior of buildings.Prediction with sufficient accuracy of the dynamic thermal response of indoor spaces under the influence of all possible thermal loads"guidance" of cooling control system in conjunction with thermal comfort requirements and the energy consumption.Determination of the effect of the thermostat operation mode and the temperature operation range of the thermostat on the total cooling energy consumption.Study of the envelope characteristics and functional parameters of the buildings on the heating and cooling energy consumption.Determination of the values of the characteristics of insulation that counteract the values of the characteristics of fenestration, so as the energy consumption is steady.Determination of the optimum thickness of insulation.Determination of the combination of values of envelope characteristics which daily energy consumption is practically independent of the insulation characteristics.Determination of the combination of values of envelope characteristics which positive (solar energy) and negative (heat conduction owing to temperature difference) loads become equal. In this case building envelope appears as adiabatic and referred to as “quasi-adiabatic” or “pseudo-adiabatic” envelope. Determination of a value Ufo of the fenestration heat transfer coefficient Uf for which the yearly energy consumption Ey becomes independent of the fenestration percentage Pf.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης των συνδυασμών τιμών των κατασκευαστικών και λειτουργικών παραμέτρων των κτιρίων στην εξοικονόμηση ενέργειας θέρμανσης και ψύξης υπό μεταβατικές συνθήκες. Στις κατασκευαστικές παραμέτρους που μελετήθηκαν περιλαμβάνονται οι θερμικές ιδιότητες και τα πάχη των δομικών στοιχείων, τα χαρακτηριστικά των υαλοπινάκων (συντελεστής θερμοπερατότητας, προσανατολισμός, ποσοστό της επιφανείας τους επί του κτιριακού κελύφους) και τα χαρακτηριστικά της εσωτερικής μάζας του κτιρίου (εσωτερικά χωρίσματα, επίπλωση). Μεταξύ των λειτουργικών παραμέτρων που μελετήθηκαν συμπεριλαμβάνεται το πρόγραμμα λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης-ψύξης σε συνδυασμό με την θερμοκρασία ρύθμισης του θερμοστάτη και η επίδραση εσωτερικών και εξωτερικών φορτίων (ηλιακή ακτινοβολία, εξωτερικές θερμικές συνθήκες, φωτισμός, συσκευές, άτομα, ανανέωση και διείσδυση αέρα) για διάφορες χρήσεις κτιρίων (π.χ μόνιμη ή εξοχική κατοικία, κτίρια γραφείων, αίθουσες συνάθροισης κοινού, νοσοκομεία, ξενοδοχεία, κ.λ.π), ώστε να επιτυγχάνονται συνθήκες θερμικής άνεσης με τη μικρότερη κατανάλωση ενέργειας. Για την προσέγγιση του προβλήματος αναπτύχθηκε μοντέλο προσομοίωσης της μεταβατικής ενεργειακής συμπεριφοράς των κτιρίων, το οποίο επιβεβαιώθηκε τόσο με πειραματικά αποτελέσματα, όσο και διά συγκρίσεως των αποτελεσμάτων με αποτελέσματα άλλων ερευνητικών λογισμικών. Το αναπτυχθέν μοντέλο βασίζεται στην επίλυση του συστήματος των διαφορικών εξισώσεων που εκφράζουν το πρόβλημα, με την τεχνική των πεπερασμένων διαφορών. Μεταξύ άλλλων, γίνεται εφαρμογή για τυπικά κτίρια υπό τις κλιματικές συνθήκες της Αθήνας, οι οποίες έχουν προκύψει με στατιστική επεξεργασία μετρημένων ωριαίων τιμών της θερμοκρασίας και της ηλιακής ακτινοβολίας πολλών ετών. Τα πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής μπορούν να συνοψισθούν ως ακολούθως:Ανάπτυξη μοντέλου και αντίστοιχου λογισμικού, το οποίο προσομοιάζει την μεταβατική θερμική συμπεριφορά των κτιρίων.Πρόβλεψη, με ικανοποιητική ακρίβεια, της δυναμικής θερμικής απόκρισης των εσωτερικών χώρων για διάφορες περιπτώσεις εσωτερικών θερμικών παλμών.Συσχέτιση του προγράμματος λειτουργίας θερμοστάτη – συστήματος ψύξης και θέρμανσης τόσο με την επίτευξη των συνθηκών θερμικής άνεσης, όσο και με την ημερησίως καταναλισκόμενη ενέργεια θέρμανσης-ψύξης των κτιρίων. Προσδιορισμός της μεταβολής της κατανάλωσης ενέργειας θέρμανσης ή ψύξης κατά την αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας ρύθμισης του θερμοστάτη. Έτσι, καθίσταται δυνατή η απόφαση μεταβολής της θερμοκρασίας ρύθμισης εις βάρος της θερμικής άνεσης. Μελέτη της επίδρασης των συνδυασμών τιμών των κατασκευαστικών παραμέτρων του κελύφους των κτιρίων στην κατανάλωση ενέργειας θέρμανσης και ψύξης αυτών. Προσδιορισμός των τιμών των χαρακτηριστικών της μόνωσης του κτιριακού κελύφους που μπορούν να εξουδετερώσουν μεταβολές των τιμών των χαρακτηριστικών των υαλοπινάκων και αντιστρόφως, ώστε η κατανάλωση ενέργειας να παραμένει σταθερή.Προσδιορίζεται το βέλτιστο πάχος μόνωσης.Εντοπισμός, για πρώτη φορά, συνδυασμών τιμών των κατασκευαστικών παραμέτρων των κτιρίων, για τους οποίους η ημερήσια κατανάλωση ενέργειας θέρμανσης γίνεται πρακτικά ανεξάρτητη των χαρακτηριστικών της μόνωσης. Εντοπισμός, για πρώτη φορά, συνδυασμών τιμών των κατασκευαστικών παραμέτρων των κτιρίων, για τους οποίους προκύπτει μηδενισμός της θερμοροής επί 24ώρου βάσεως διαμέσου του κτιριακού κελύφους (ψευδο-αδιαβατικό ή οιονεί αδιαβατικό κέλυφος). Εντοπισμός, για πρώτη φορά, κρισίμου τιμής του συντελεστή θερμικής διαπερατότητας των υαλοπινάκων, για κάθε επίπεδο αποτελεσματικότητας της θερμικής μόνωσης του κελύφους, για την οποία η ετήσια κατανάλωση ενέργειας γίνεται ανεξάρτητη του ποσοστού επιφανείας των υαλοπινάκων. ΄Ετσι, παρέχεται η δυνατότητα μείωσης των συχνά ανεπιθύμητων περιορισμών που αφορούν στο μέγεθος της επιφανείας των υαλοπινάκων.