Ηλιακή ενέργεια και ελαχιστοποίηση ενεργειακής κατανάλωσης στα κτήρια (Α’)

Τα κτήρια πρέπει να σχεδιάζονται σύμφωνα με τις αρχές τις βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής για την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών τους αναγκών και την προσαρμογή τους στις περιβαλλοντικές απαιτήσεις.

Ι. Τρυπαναγνωστόπουλος², Α. Σακκά¹, Δ. Συγκρίδου 

Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα 26500

Τα φωτοβολταϊκά (ΦΒ), οι θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες (ΘΗΣ) και τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά (φβ/θ) ηλιακά συστήματα, μπορούν να εφαρμοστούν με πολύ αρμονικό τρόπο στα κτήρια, παρέχοντας ηλεκτρική και θερμική ενέργεια. Για την αποδοτική λειτουργία τους στα κτήρια πρέπει να εξετάζεται η διαθέσιμη επιφάνεια οροφής και πρόσοψης, οι μετεωρολογικές συνθήκες, η ζήτηση σε ηλεκτρισμό, καθώς και οι ανάγκες σε ψύξη, θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης (ΖΝΧ).

Οι προσόψεις και οριζόντιες ή κεκλιμένες στέγες των κτηρίων είναι κατάλληλες επιφάνειες για την εγκατάσταση ΘΗΣ και ΦΒ, τα οποία θα πρέπει να ενσωματώνονται αρμονικά στην αρχιτεκτονική του κτηρίου, για να καλύπτουν τις ανάγκες σε ΖΝΧ, ψύξη/θέρμανση χώρων και επιπλέον να παρέχουν ηλεκτρισμό για το φωτισμό και τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών. Σε πολλές χώρες οι ενεργειακές απαιτήσεις των κτηρίων σε ηλεκτρισμό και θέρμανση αντιστοιχούν σε περισσότερο από το 1/3 της συνολικής ενεργειακής τους κατανάλωσης.

Εκτός από τα συστήματα ηλιακής ενέργειας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), όπως μικρές ανεμογεννήτριες, γεωθερμικές αντλίες θερμότητας και καυστήρες βιομάζας. Με αυτά τα συστήματα μπορεί να καλυφθεί ένα σημαντικό μέρος των ενεργειακών αναγκών, συνεισφέροντας στην εξοικονόμηση συμβατικών ορυκτών καυσίμων και στην προστασία του περιβάλλοντος, μειώνοντας έτσι τις εκπομπές CO2 από την καύση τους.

Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας και Προοπτικές Ενσωμάτωσης στα Κτήρια

Τα συστήματα ηλιακής (ΘΗΣ και ΦΒ) και αιολικής (Α/Γ) ενέργειας είναι άμεσα ορατά και γι’ αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η αρχιτεκτονική του κτηρίου, για την εγκατάστασή τους ή την ενσωμάτωσή τους σε αυτό. Σε ευρωπαϊκό επίπεδο και για τα νέα κτήρια, επιδιώκεται η κατεύθυνση του “Active Solar House” της κάλυψης κατά 100% της θέρμανσης και ψύξης των κτηρίων από το 2020 και μετά. Για τα ήδη υπάρχοντα κτήρια οι ανάγκες σε θέρμανση/ψύξη μετά τις απαραίτητες παρεμβάσεις, θα πρέπει να καλύπτονται τουλάχιστον κατά 50% από ηλιακή ενέργεια (Solar Active Renovation, Druck, 2007). Για την επίτευξη αυτού του στόχου απαιτούνται ηλιακά συστήματα τόσο για την παραγωγή ΖΝΧ όσο και για τη θέρμανση (και ίσως και ψύξη) χώρων. Η μέση επιφάνεια κάλυψης της εξωτερικής επιφάνειας των κτηρίων με θερμικούς συλλέκτες πρέπει να είναι μεγαλύτερη των 10 m², αφορά όλους τους τύπους κτηρίων (μονοκατοικίες, πολυκατοικίες και κτήρια γραφείων), οι συλλέκτες θα τοποθετούνται στις στέγες και προσόψεις και απαιτείται ο συνδυασμός ηλιακών θερμικών και φωτοβολταϊκών (Sparber, 2007). Αυτή η απαίτηση για κτήρια με πολύ χαμηλό θερμικό και ψυκτικό φορτίο ωθεί την έρευνα προς την εξέλιξη των ηλιακών θερμικών συστημάτων και την εγκατάστασή τους στα κτήρια προσεγγίζοντας το στόχο του “Active Solar Building” (Druck, 2007, Sparber, 2007, EUREC Agency, 2005).

Μια άλλη προοπτική του “Active Solar House” είναι η πλήρης ενσωμάτωση των συλλεκτών στις στέγες και στις προσόψεις, λαμβάνοντας υπόψη αρχιτεκτονικές και οικονομικές προϋποθέσεις. Η αισθητική ενσωμάτωση των ηλιακών συστημάτων στα κτήρια θα οδηγήσει σε μεγαλύτερη αποδοχή τους και κατ’ επέκταση αύξηση της ζήτησής τους. Οι ηλιακοί συλλέκτες θα αποτελέσουν δομικά στοιχεία των κτηρίων, γι’ αυτό απαιτείται ιδιαίτερη μελέτη στην επίδρασή τους στη φυσική του κτηρίου όπως είναι π.χ. η ενσωμάτωση των συλλεκτών στο κέλυφος του κτηρίου.

Οι ηλιακοί συλλέκτες δεν είναι μόνο συσκευές παροχής θερμικής ενέργειας στα κτήρια αλλά και μια από τις κύριες παραμέτρους που πρόκειται να καθορίσουν την αρχιτεκτονική του μέλλοντος. Για να καθοριστούν οι απαιτήσεις για τους ενσωματωμένους στο κέλυφος συλλέκτες (ειδικά για τις οπτικά ενεργές προσόψεις) από τη μεριά των αρχιτεκτόνων έχουν διεξαχθεί πολλές έρευνες (Munari-Probst et al, 2005, Weiss and Stadler, 2001). Αρκετοί αρχιτέκτονες και ερευνητές (Munari-Probst and Roecker, 2007) υπογραμμίζουν την ανάγκη για υψηλότερη αρχιτεκτονική ποιότητα, όπως το μέγεθος, το χρώμα ή το σχήμα των συλλεκτών.

Οι επίπεδοι συλλέκτες, μαζί με τους συλλέκτες σωλήνα κενού, είναι οι πιο διαδεδομένοι ηλιακοί θερμικοί συλλέκτες, αλλά επιπλέον αυτών χρησιμοποιούνται και οι σύνθετοι συγκεντρωτικοί παραβολικοί (CPC) συλλέκτες.

Οι θερμοσιφωνικές μονάδες επίπεδων συλλεκτών και οι λιγότερο διαδεδομένοι ολοκληρωμένοι συλλέκτες-αποθήκες θερμού νερού (ICS) (Tripanagnostopoulos et al, 2002a) είναι συσκευές, που στοχεύουν στην κάλυψη οικιακών αναγκών 100-200 l ζεστό νερό την ημέρα και είναι κυρίως κατάλληλοι για περιοχές με ευνοϊκές καιρικές συνθήκες.

Οι ακάλυπτοι ηλιακοί συλλέκτες είναι φθηνότεροι από τους τυπικούς συλλέκτες με γυαλί, αλλά οι αυξημένες θερμικές απώλειες του απορροφητή περιορίζουν την αποδοτική λειτουργία τους σε εφαρμογές χαμηλής θερμοκρασίας, όπως η προθέρμανση νερού για οικιακή ή βιομηχανική χρήση, η θέρμανση νερού σε πισίνες, θέρμανση χώρων, κλπ. Σε όλες τις ενεργειακές εφαρμογές, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση της χρησιμοποιούμενης τεχνολογίας στο περιβάλλον.

Τα φωτοβολταϊκά μετατρέπουν ένα μικρό ποσοστό (5%-20%) της προσπίπτουσας σε αυτά ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό, που εξαρτάται από τον τύπο του φωτοβολταϊκού, με το μεγαλύτερο ποσοστό (70%-80%) να μετατρέπεται σε θερμότητα. Η ηλιακή ακτινοβολία αυξάνει τη θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών στοιχείων, προκαλώντας μια πτώση της ηλεκτρικής τους απόδοσης, ειδικά όταν τοποθετούνται σε επαφή με το κέλυφος του κτηρίου, επειδή περιορίζεται ο φυσικός αερισμός. Στην περίπτωση όμως που η εγκατάστασή τους γίνεται σε οριζόντιες στέγες των κτηρίων (παράλληλες σειρές από φωτοβολταϊκά πλαίσια υπό κλίση) τότε διευκολύνεται ο φυσικός τους αερισμός.

Το ανεπιθύμητο αποτέλεσμα της αύξησης της θερμοκρασίας των ΦΒ και κατά συνέπεια της μείωσης της απόδοσής τους, μπορεί εν μέρει να αποφευχθεί με την απαγωγή θερμότητας με κυκλοφορία ενός ρευστού, το οποίο εξασφαλίζεται με τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά ηλιακά συστήματα (Tripanagnostopoulos et al, 2002b). Αυτά τα συστήματα παρέχουν ηλεκτρική και θερμική ενέργεια, επιτυγχάνοντας έτσι ένα υψηλότερο ποσοστό μετατροπής της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Αποτελούνται από ΦΒ στοιχεία συνδυασμένα με συσκευές απαγωγής θερμότητας στις οποίες αέρας ή νερό χαμηλότερης θερμοκρασίας από αυτή των ΦΒ στοιχείων θερμαίνεται ενώ παράλληλα η θερμοκρασία των ΦΒ στοιχείων μειώνεται.

Παρατήρηση: το παρόν άρθρο αποτελεί τμήμα της εργασίας «ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΚΤΗΡΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΤΟΥΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ»  και δημοσιεύεται σε συνεργασία με την Ένωση Ελλήνων Φυσικών (www.eef.gr – πρακτικά του 14ου Πανελληνίου Συνεδρίου της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών). Παρουσιάζονται τα θέματα εξοικονόμησης ενέργειας στα κτήρια και η επίτευξη κτηρίων σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης συμβατικής ενέργειας. Δίνονται νέες τεχνολογικές λύσεις που αναπτύχθηκαν στο Πανεπιστήμιο Πατρών, με σκοπό την βέλτιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας σε συνδυασμό με τις άλλες ΑΠΕ, για εναρμόνιση με το στόχο της Ε.Ε. για το 2020.