Μελέτη φαινομένου θερμικής νησίδας, επίδραση στην ενεργειακή συμπεριφορά κτιρίων

Abstract

Urban Heat Island (UHI) is perhaps the most well-known result of human climate intervention. The phenomenon occurs when the ambient temperature in dense urban areas is higher than that of their surroundings. It affects energy consumption (higher temperatures reduce energy consumption during the winter and increase it in the summer), it occurs in every small or large city and is the strongest indication of urbanization and climate change. Apart from the economic consequences, the existence of UHI determines the thermal comfort of the inhabitants in the cities, it has an effect on their health, their work and their activities in their free time.The main objectives of this PhD dissertation are: a) the study of the phenomenon of UHI in the city of Patras, b) its impact on the energy consumption of buildings and c) the assessment of energy savings achieved after the implementation of the new Building Energy Efficiency Regulation (Κ.ΕΝ.Α.Κ.), in replacement of the older Regulation of Thermal Insulation of Buildings (Κ.Θ.Κ.). For this purpose, recording devices were installed in selected places in the city and in a rural area, which recorded the ambient air temperatures, on an hourly basis, for the period from 1/1/2018 to 31/12/2018. The Heating Degree Days (HDD) and Cooling Degree Days (CDD) as well the Heating Degree Hours (HDH) and Cooling Degree Hours (CDH) for each location were calculated from the recorded temperatures. Using the ENERGY PLUS and DESIGN BUILDER software, simulations were performed for a typical building considering that it is constructed according to the Building Thermal Insulation Regulation (Κ.Θ.Κ), as the first case, but also with the Building Energy Efficiency Regulation (K.EN.A.K.), as amended in 2017, as the second case. The building was considered to be (a) a three-floor apartment building and (b) a one-floor ground building. For each of the two cases of buildings, the following uses were considered: (a1) a three-floor residential apartments building, (a2) a three-floor building with a shop on the ground floor and offices on the upper two floors, (a3) a three-floor mixed-use apartment building with a shop on the ground floor and residential apartments in the upper two floors, (b1) ground floor store and (b2) ground floor residential apartment. All the above cases cover to a large extent all the building uses in the area of Patras.For the analysis of UHI in the city of Patras, the months June, July, August and September were examined. Ambient air temperature measurements were processed for various time periods of the daily 24-hour cycle and the following temperature distributions were examined: a) average monthly average daily temperatures (Tmean,24) (24 hours per day), b) average daytime (07:00÷21:00) (Tmean,daytime) and nighttime (22:00÷06:00) (Tmean,night), c) the average monthly maximum (Tmean,max) and minimum (Tmean, min). The corresponding spatial distributions of temperatures were extracted and the resulting conclusions are as follows:•Examining the average ambient air temperatures of 24 hours per month, it is concluded that there are no significant differences between the center and the surrounding areas for the four months.•The area around the center shows slightly higher average monthly (07:00÷21:00) daytime temperatures (Tmean,daytime), than those of the center for the four months.•Examining the average monthly temperatures (Tmean,night) for the nighttime (22:00÷06:00), it is observed that the area around the city center has slightly lower temperatures than the center.•Examining the average minimum monthly temperatures (Tmean,min), the area around the center shows slightly lower temperatures compared to the center.•Examining the average maximum monthly ambient air temperatures (Tmean,max), for all months except June, in the area around the center there is a slight tendency to develop slightly higher temperatures.•The average maximum (for all urban stations) intensity takes the value of 6 °C.•The UHI in Patras can be characterized as non-intense.•The transversal to the sea streets show lower minimum, maximum and night temperatures than the longitudinal ones for all four months.•As a result of the UHI phenomenon, the HDD and CDD in the urban area are 19,20% less and 9% more than those in the rural area, respectively.•The energy required for cooling in the rural area is less than that required in the urban area, at a rate ranging from ~ 5% to 7,55 %. The reduction is also observed when the buildings have been constructed under the requirements of the Building Thermal Insulation Regulation (Κ.Θ.Κ) and when they have been constructed according to the requirements of the newer Building Energy Efficiency Regulation (K.EN.A.K.).• The implementation of K.EN.A.K. in replacement of Κ.Θ.Κ. leads to a reduction in energy consumption for cooling in all combinations of building uses and is greater when they are used as residences. The reduction ranges from 19,73% to 3,73% in the urban area and from 19,66% to 2,75% in the rural area.•The implementation of K.EN.A.K. in replacement of Κ.Θ.Κ. leads to a reduction in energy consumption for heating in all combinations of building uses and is greater for non-residential uses. The reduction ranges from 54,90 % to 28,29% in the urban area and from 47,97% to 30,37% in the rural area.Keywords: Urban Heat Island (UHI), Heating Degree Hours (HDH), Heating Degree Days (HDD), Cooling Degree Hours (CDH), Cooling Degree Days (CDD), microclimate, coastal town, air temperatures, Patras, energy simulation, K.EN.A.K., Κ.Θ.Κ.

Η αστική θερμική νησίδα (ΑΘΝ) είναι ίσως το πιο γνωστό αποτέλεσμα της επέμβασης του ανθρώπου στο κλίμα. Το φαινόμενο παρουσιάζεται όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος μέσα σε πυκνές αστικές περιοχές είναι μεγαλύτερη από αυτήν των περιχώρων τους. Έχει επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας (ψηλότερες θερμοκρασίες μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια του χειμώνα και την αυξάνουν το καλοκαίρι), εμφανίζεται σε κάθε μικρή ή μεγάλη πόλη και είναι η πιο έντονη ένδειξη της αστικοποίησης και της κλιματικής αλλαγής. Εκτός από τις οικονομικές επιπτώσεις, η ύπαρξη της ΑΘΝ προσδιορίζει τη θερμική άνεση των κατοίκων στις πόλεις, έχει επίδραση στην υγεία τους, στην εργασία τους και στις δραστηριότητες κατά τον ελεύθερο χρόνο τους.Οι βασικοί σκοποί της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι: α) η μελέτη του φαινομένου της ΑΘΝ στην πόλη της Πάτρας, β) η επίδρασή του στις ενεργειακές καταναλώσεις κτιρίων και γ) η εκτίμηση της ενεργειακής εξοικονόμησης που επιτυγχάνεται μετά από την εφαρμογή του νέου Κανονισμού ΕΝεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (Κ.ΕΝ.Α.Κ.), σε αντικατάσταση του παλαιότερου Κανονισμού Θερμομόνωσης Κτιρίων (Κ.Θ.Κ.) Για τον σκοπό αυτό εγκαταστάθηκαν καταγραφικές συσκευές σε επιλεγμένες θέσεις στην πόλη και σε μια εξοχική περιοχή, που κατέγραφαν τις θερμοκρασίες του αέρα περιβάλλοντος σε ωριαία βάση, για το χρονικό διάστημα από 1/1/2018 έως 31/12/2018. Από τις καταγεγραμμένες θερμοκρασίες υπολογίστηκαν οι βαθμοημέρες θέρμανσης (HDD) και οι βαθμοημέρες ψύξης (CDD) καθώς και οι βαθμοώρες θέρμανσης (HDH) και οι βαθμοώρες ψύξης (CDH) για κάθε θέση. Χρησιμοποιώντας τα λογισμικά ENERGY PLUS και DESIGN BUILDER πραγματοποιήθηκαν εξομοιώσεις για τυπικό κτίριο θεωρώντας ότι είναι κατασκευασμένο σύμφωνα με τον Κανονισμό Θερμομόνωσης Κτιρίων (Κ.Θ.Κ), ως πρώτη περίπτωση και με τον Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίου (Κ.ΕΝ.Α.Κ.), όπως τροποποιήθηκε το 2017, ως δεύτερη περίπτωση. Το κτίριο θεωρήθηκε ότι αποτελεί (α) τριώροφη πολυκατοικία και (β) μονώροφο ισόγειο κτίριο επί εδάφους. Για καθεμία από τις περιπτώσεις κτιρίων εξετάστηκαν οι ακόλουθες χρήσεις: (α1) τριώροφη πολυκατοικία κατοικιών, (α2) τριώροφη πολυκατοικία με κατάστημα στο ισόγειο και γραφεία στους δύο ορόφους, (α3) τριώροφη πολυκατοικία μικτής χρήσης με κατάστημα στο ισόγειο και κατοικίες στους δύο ορόφους, (β1) ισόγειο κατάστημα και (β2) ισόγεια κατοικία. Όλες οι παραπάνω περιπτώσεις καλύπτουν σε μεγάλο βαθμό το σύνολο των κτιριακών χρήσεων στην περιοχή της Πάτρας.Για την ανάλυση της ΑΘΝ της πόλης της Πάτρας, θεωρήθηκαν οι μήνες Ιούνιος, Ιούλιος, Αύγουστος και Σεπτέμβριος. Πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των μετρήσεων για τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του αέρα περιβάλλοντος σε διαφορετικές χρονικές περιόδους του ημερήσιου 24ώρου κύκλου. Πιο αναλυτικά, εξετάστηκαν οι ακόλουθες κατανομές της θερμοκρασίας του αέρα α) μέσες μηνιαίες των μέσων ημερήσιων θερμοκρασιών (Τμέσο, 24) (ολόκληρου του 24ωρου), β) οι μέσες μηνιαίες ημέρας (07:00÷21:00) (Τμέσο, ημερ.) και νύκτας (22:00 – 06:00) (Τμέσο, νύκτα), γ) οι μέσες μηνιαίες μέγιστες (Τμέσο, μεγ.) και ελάχιστες (Τμέσο, ελαχ.). Εξήχθησαν οι αντίστοιχες χωρικές κατανομές των θερμοκρασιών και τα συμπεράσματα που προκύπτουν είναι τα ακόλουθα:•Εξετάζοντας τις μέσες θερμοκρασίες του αέρα περιβάλλοντος του 24ωρου ανά μήνα, εξάγεται ότι δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ του κέντρου και των περιοχών πέριξ αυτού και για τους τέσσερις μήνες.•Η περιοχή πέριξ του κέντρου παρουσιάζει ελαφρά υψηλότερες μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες ημέρας (Τμέσο, ημέρ.) (07:00÷21:00) από αυτές του κέντρου και για τους τέσσερις μήνες.•Εξετάζοντας τις μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες (Τμέσο, νύκτα) για τις νυκτερινές ώρες (22:00 – 06:00), παρατηρείται ότι η περιοχή πέριξ του κέντρου της πόλης παρουσιάζει ελαφρά χαμηλότερες θερμοκρασίες από το κέντρο.•Εξετάζοντας τις μέσες ελάχιστες μηνιαίες θερμοκρασίες (Τμέσο, ελάχ.), η περιοχή πέριξ του κέντρου παρουσιάζει ελαφρά χαμηλότερες θερμοκρασίες συγκριτικά με το κέντρο. •Εξετάζοντας τις μέσες μέγιστες μηνιαίες θερμοκρασίες του αέρα περιβάλλοντος (Τμέσο,μέγ.) στην περιοχή πέριξ του κέντρου παρατηρείται μια μικρή τάση να αναπτυχθούν ελαφρά μεγαλύτερες θερμοκρασίες για όλους τους μήνες εκτός του Ιουνίου.•Η μέση μέγιστη ένταση (για όλους τους αστικούς σταθμούς) λαμβάνει την τιμή των 6°C. •Η ΑΘΝ στην Πάτρα μπορεί να χαρακτηριστεί ως μη έντονη.•Οι εγκάρσιες οδοί προς τη θάλασσα παρουσιάζουν χαμηλότερες ελάχιστες, μέγιστες και νυκτερινές θερμοκρασίες από τις διαμήκεις και για τους τέσσερις μήνες •Ως αποτέλεσμα του φαινομένου της ΑΘΝ, οι βαθμοημέρες θέρμανσης και ψύξης στην πόλη είναι κατά 19,20% λιγότερες και 9% περισσότερες από αυτές της εξοχικής περιοχής, αντίστοιχα. •Η ενέργεια που απαιτείται για ψύξη στην εξοχική περιοχή είναι μικρότερη από αυτήν που απαιτείται στην αστική, σε ποσοστό που κυμαίνεται από ~5% έως 7,55%. Η μείωση παρατηρείται και όταν τα κτίρια έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Κ.Θ.Κ. και όταν έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Κ.ΕΝ.Α.Κ.•Η εφαρμογή του Κ.ΕΝ.Α.Κ. σε αντικατάσταση του Κ.Θ.Κ. οδηγεί σε μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας για ψύξη σε όλους τους συνδυασμούς χρήσης κτιρίων και είναι μεγαλύτερη όταν χρησιμοποιούνται ως κατοικίες. Η μείωση κυμαίνεται από 19,73% έως 3,73% στην αστική περιοχή και από 19,66% έως 2,75% στην εξοχική περιοχή.•Η εφαρμογή του Κ.ΕΝ.Α.Κ. σε αντικατάσταση του Κ.Θ.Κ. οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση σε όλους τους συνδυασμούς χρήσεων κτιρίου και είναι μεγαλύτερη για μη οικιστικές χρήσεις. Η μείωση κυμαίνεται από 54,90% έως 28,29% στην αστική περιοχή και από 47,97% έως 30,37% στην εξοχική περιοχή.Λέξεις κλειδιά: Αστική Θερμική Νησίδα (ΑΘΝ), Βαθμοώρες θέρμανσης (HDH), Βαθμοημέρες θέρμανσης (HDD), Βαθμοώρες ψύξης (CDH), Βαθμοημέρες ψύξης (CDD), μικροκλίμα, παράκτια πόλη, θερμοκρασίες αέρα περιβάλλοντος, Πάτρα, ενεργειακή εξομοίωση, K.EN.A.K., Κ.Θ.Κ.