Κτιριακή ενσωμάτωση ενεργητικών ηλιακών συστημάτων : διερεύνηση σε όλες τις κλίμακες σχεδιασμού για εξασφάλιση της βιώσιμης ενσωμάτωσής τους σε ενεργητικό και παθητικό επίπεδο, στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου

Abstract

Το ενεργειακό ζήτημα βρίσκεται στο προσκήνιο των συζητήσεων, τόσο στην Ευρωπαϊκή Ένωση (Ε.Ε.), όσο και ευρύτερα στον κόσμο. Αιχμή του δόρατος των συζητήσεων αποτελεί η Δράση για το Περιβάλλον (Climate Action) της Ε.Ε. και συγκεκριμένα το πρόγραμμα 20-20-20, που θέτει ως στόχο μέχρι το 2020 την μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου και της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης κατά 20%, ενώ απαιτεί το 20% της ενεργειακής κατανάλωσης να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές. Αυτά και σε συνδυασμό με το ότι τα κτίρια ευθύνονται για το 40% των αναγκών πρωτογενούς ενέργειας στην Ε.Ε., η ανάπτυξη αποτελεσματικών εναλλακτικών ενεργειακών λύσεων για τα κτίρια, παθητικών και ενεργητικών, καθίσταται επιτακτική. Η παρούσα διδακτορική διατριβή καταπιάνεται με την ενσωμάτωση Φωτοβολταϊκών (BIPV – Building Integrated Photovoltaics) και Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων (BISTS - Building Integrated Solar Thermal Systems) σε κτιριακά κελύφη και στον αστικό / πολεοδομικό χώρο και στόχος της είναι να παρουσιάσει κριτικά το εύρος των τυπολογιών και των διαθέσιμων εναλλακτικών λύσεων με τρόπους που μεγιστοποιούν τόσο την ενεργητική όσο και την παθητική τους λειτουργία, και να καταλήξει στον καθορισμό των σχεδιαστικών και κατασκευαστικών αρχών που πρέπει να διέπουν ένα πρότυπο και σύγχρονο ενσωματωμένο ηλιακό σύστημα. Αρχικά, η έρευνα βασίζεται στην υπάρχουσα βιβλιογραφία και ξεκινάει από την ταξινόμηση των υφιστάμενων εφαρμογών τέτοιων συστημάτων σε κτιριακά κελύφη και τον αστικό χώρο. Αντίστοιχα, γίνεται ταξινόμηση των υφιστάμενων τύπων και τυπολογιών των σύγχρονων κτιριακών κελυφών, εξερευνώντας ουσιαστικά τις αρχιτεκτονικές επιπτώσεις της σχέσης κελύφους – ενεργειακών συστημάτων. Έτσι, γίνεται κατανοητό το πλαίσιο μέσα στο οποίο κινείται η έρευνα και τα χαρακτηριστικά του κάθε είδους κελύφους, τόσο ανεξάρτητα, όσο και σε σχέση με τα ενεργειακά συστήματα. Παράλληλα με τη σχετική βιβλιογραφία, η αξιολόγηση και κατηγοριοποίηση των υφιστάμενων εφαρμογών, ερευνάται μέσα από περιπτωσιολογικές μελέτες. Ακολούθως, με αφετηρία την βιβλιογραφική έρευνα, μελετώνται οι παθητικές δυνατότητες της εφαρμογής του κάθε συστήματος σε όλες τις σχεδιαστικές κλίμακες. Έναυσμα αυτού του σταδίου της ερευνητικής πορείας, αποτελεί ο περιβαλλοντικός σχεδιασμός, που αναλύεται σε τρεις βασικούς πυλώνες, αυτόν του Ενεργειακού, Παθητικού και Οικολογικού σχεδιασμού. Η κτιριακή ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών (PV) και ηλιακών θερμικών συστημάτων (STS) ως περιβαλλοντική στρατηγική, τους προσδίδει πλέον ενεργό ρόλο στο κτίριο και αποκτούν βιοκλιματικά χαρακτηριστικά, τα οποία πρέπει να ερευνηθούν. Έτσι, εξετάζονται οι ευρύτερες πτυχές της κτιριακής και αστικής ενσωμάτωσης, η οποία αναλύεται σε διάφορα ζητήματα, περιλαμβανομένων των BIPV και BISTS ως ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα, τα οποία πέραν από την βασική ενεργητική τους λειτουργία χρησιμοποιούνται και ως παθητικές συσκευές. Η πορεία της εξέλιξης του καθορισμού των σχεδιαστικών και κατασκευαστικών αρχών του προταθέντος κτιριακά ενσωματωμένου συστήματος, βασίζεται σε ψηφιακές προσομοιώσεις και ξεκινάει από την αστική / πολεοδομική καταλήγοντας στην κατασκευαστική κλίμακα. Η πολυπλοκότητα των παραμέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την εξέλιξη της ερευνητικής διαδικασίας (ενεργητικά, παθητικά, κατασκευαστικά χαρακτηριστικά), οδηγούν προς την υιοθέτηση σύνθετων και εξειδικευμένων ερευνητικών εργαλείων. Τέλος, μέσα από την ερευνητική διαδικασία προτείνεται μία πορεία / μεθοδολογία σχεδιασμού, η οποία δύναται να χρησιμοποιηθεί σαν εργαλείο το οποίο μπορεί να καθορίσει τις βασικές αρχές που ακολουθούνται για την κτιριακή ενσωμάτωση αυτών των συστημάτων σε οποιαδήποτε κλίμακα.

The energy problem is at the forefront of the discussions today, both in the European Union (EU) and in the whole world. Cutting edge of this debate is the Climate Action of the EU, and in particular the 20-20-20 goals, which aim to reduce greenhouse gas emissions and total energy consumption by 20% by 2020, while require the 20% of the total energy consumption to come from renewable sources. This, combined with the fact that buildings are responsible for the 40% of the total primary energy needs in the EU, makes the development of efficient alternative energy solutions for buildings, imperative. Both active and passive methods of energy upgrade of buildings, are included in this context. This thesis addresses the integration of photovoltaics (BIPV - Building Integrated Photovoltaics) and solar thermal systems (BISTS – Building Integrated Solar Thermal Systems) into building shells and in the urban space. Its ultimate goal to critically present the range of typologies and the plurality of available alternatives in a way that maximizes both their active and passive functions, and result to the definition of the design and manufacturing principles, that should govern a contemporary building integrated active solar system. Initially, the research is based on the existing literature and starts from the classification of existing applications of these systems into building shells and in the urban space. The classification of the existing types and typologies of building shells currently being used in the building industry, is moving in the same context, thus exploring the architectural effects of the relationship between the building shell and the building’s energy consumption. In this way, the context within the research is conducted is understandable, while the characteristics of each building shell become clear, when the shell acts as an independent element and when it has integrated energy systems. Afterwards, along with the relevant literature review, the evaluation and categorization of existing applications is investigated through some selected case studies. Subsequently, based on the literature review, the bioclimatic possibilities of the integration of these systems in all the design scales are studied. The first step in this part of the research, is the environmental design, which is analysed into three main pillars: Design based on the Energy, Bioclimatic Design and Ecological Design. The building integration of active solar systems (BISS) as an environmental strategy, gives them an active role in the building design and they acquire some bioclimatic characteristics that need to be studied. Thus, the broader aspects of building and urban integration are examined, from the use of BIPV and BISTS as integrated active solar systems which are also used as passive shading devices, to the visual connection that each system can provide. The course of development of the definition of the design and construction principles of the contemporary building integrated system, is based on digital simulations and starts from the urban scale and ends up to the construction scale. The complexity of the parameters that need to be taken into account during the research process (active and passive behaviour of the systems, constructional characteristics) leads to the adoption of complex and specialized research tools. Finally, a design process is proposed through the research, which can be used as a tool that can define the basic principles that need to be followed for the building integration of these systems, on any design scale.