Ενεργειακή & περιβαλλοντική αποτύπωση κτιρίων του τριτογενούς τομέα στην Ελλάδα και μελέτη της ενεργειακής τους αναβάθμισης σε συνδυασμό με τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής

Abstract

Buildings play a key role towards a sustainable future because their design, construction and operation are significant contributors to the environment, the society and the economy, the three pillars of sustainability. In Europe, the building stock represents 25 billion square meters, out of which 25% are buildings in the non-residential (NR) sector. The grim reality about the EU buildings is that three out of four are energy inefficient because they are quite old (40% were built before 1960), consume a lot (50% of total natural resources, 45% of total energy consumption and 16% of total water consumption) and produce greenhouse gases and waste (30% of greenhouse gas emissions and 40% of waste production). Moreover, these buildings do not provide the comfort and quality of life expected by their users [Trachte S., et. al., 2014].The energy efficiency of buildings is critical and plays a key role in the long-term strategy to reduce greenhouse gas emissions for the European Union (EU), as well as to achieve other objectives of the European Green Deal, such as zero pollution or resource efficiency. Thus, decisions about the design, the construction as well as operation of buildings have significant environmental and economic implications. Investing in energy efficient buildings and adopting green practices in the construction sector can make a significant contribution to tackling climate change and creating a more sustainable energy future. In Greece, there are about 690,000 whole-buildings with NR exclusive-use, which represent 21% of the national building stock [22] and about 15% of the total building floor area [23]. Based on the latest Hellenic Buildings’ Census [22], most of the NR buildings are retail & offices (57%), schools (19%), hotels (16%) and hospitals (8%). In Greece, and to a large extent in Europe, there are no updated analytical data on the consumption of buildings in the tertiary sector, nor corresponding data on the effectiveness of various energy saving interventions. Given the limited information on construction characteristics, installed systems for different services and energy use, the first objective of this work is to gain a better understanding of the existing condition of Hellenic non-residential buildings. The data are derived from two different approaches. The first and most widely used data source is the Building Energy Performance Certificates (EPCs), which are collected in the national electronic repository (building cert) and include data on the energy behavior of the building, its energy rating, the used energy sources and carbon dioxide emissions. The second and most rarely used data source is from energy audits of existing Hellenic NR buildings located across the country, resembling the spatial distribution of the national building stock, submitted to building cert for issuing EPCs, which are more difficult to access than the EPCs records. Energy inspection records include detailed, primary data on buildings, but do not include energy calculation results. This work focuses on whole-buildings i.e. buildings with an exclusive non-residential use (e.g. office, hospital), since they are considered more representative. By December 2019, around 1820000 EPCs had been issued, out of which only 42200 for whole buildings in the NR sector. A first level quality control of the collected data is applied by the responsible authority, but for this work, an additional two-step cleansing procedure is also applied to the available data in order to increase confidence in the data and to ensure the reliability of the results. These general steps are also recommended for similar studies, especially the ones dealing with data from EPCs and building energy audits. After the quality control of the data, the number of EPCs is 28792, which consist the EPC Base (2019). Similarly, up to December 2016, the available building energy audits for whole buildings in the tertiary sector were about 24000, limited down to 2445 after the quality control procedure remained, which constitute the EE Base (2016).The detailed mapping of building characteristics is derived from the analysis of the EU Base (2016) data. Initially, the buildings are classified into a typology which is in line with the existing Hellenic residential buildings TABULA typology. The classification approach focuses on the energy performance assessment. On this basis, the typology concept is based on energy related building parameters, with the main criteria being the building exclusive use, the age (period of construction) and the location (climate zone) of the building. As a result, the Hellenic NR building typology includes a total of 372 different classes, resulting from the combination 31 building uses, 3 building construction periods and 4 climate zones. As the available buildings do not cover all possible combinations of the Hellenic NR typology, the buildings in the base are finally distributed in 239 classes of the typology. For each of these building types, the typical characteristics of the building envelope and HVAC systems that characterise the existing situation are defined. The analysis of the data shows that the buildings have high thermal losses, which have a negative impact on their thermal performance. Furthermore, about one third of the buildings do not have a basic heating and/or cooling system installed, and the performance of the installed systems is below the recommended values. These, combined with the low percentages of buildings with solar panels and the almost zero percentages of buildings with photovoltaic systems, confirm the existence of a large potential for energy savings. The energy behavior of buildings is initially derived from the analysis of the data of the EPC Base (2019). The allocation of buildings to the types of the Greek typology is not possible, as the information on the period of construction of the building is not available in the energy certificates of 2019. The analysis of the data shows that the main energy source for NR buildings is electricity, while oil takes second place. The average primary energy consumption of buildings is 494.0 kWh/m2, about 20 % higher than that of buildings in the residential sector, and the average carbon dioxide emissions are 158.1 kgCO2 /m2, 50 % higher than in the residential sector. However, the energy efficiency of NR buildings is better than that of residential buildings, with one third of buildings being classified in energy class -D, while 50 % of them are classified in the last energy class -H. In an effort to investigate the energy behavior per type of Greek typology, the files of the EE Base (2016) are used with the official national calculation engine (TEE-KENAK), in order to calculate their energy behavior. The comparison of the primary energy from the data of the two different approaches, after first limiting the EPCs to those issued until the end of 2016 (EPC Base (2016)), shows that the primary energy performance indicators do not show statistically significant differences for the majority of the building uses. Finally, the available data on the actual energy use of buildings in the EE Base (2016) are analyzed, evaluated and compared with the corresponding calculated values, in a first attempt to quantify the gap of calculated and actual energy use in buildings, based on a straight forward comparison of final and primary energy use for various energy carriers and services. The next step is to derive empirical correction factors that relate the actual energy use with the normative calculated energy (actual / calculated energy). Although this is a very small sample, some preliminary findings have been derived. Overall, the results indicate a lower actual primary and final energy use than calculated (prebound effect), which can be attributed to the actual operating conditions that differentiate from the assumed values used in the calculations (e.g. fewer operating hours. The second objective of this study is to investigate the impact of climate change by the end of the century on the expected energy performance of buildings both in the existing situation and after retrofit scenarios. The first step is to generate future meteorological data, using the regional climate model - RCA4, for two representative concentration pathways (an average scenario - RCP4.5 and the worst case scenario -RCP8.5) and for two periods in the near (2050) and distant (2090) future. Future meteorological data (outdoor air temperature, specific humidity and total solar radiation in the horizontal) are generated for sixty-two Greek cities scattered throughout the country. For the calculations, the EE Base (2016) files are used with the official national calculation engine (TEE-KENAK) and with updated primary energy conversion factors and CO2 emissions for electricity, which have been estimated in the framework of this work. According to the model predictions, the annual temperature and specific humidity are expected to increase, while on the contrary, the monthly solar radiation will not be significantly affected. The annual demand for heating is expected to decrease, while on the contrary, the demand for cooling is expected to increase. The last step is the analysis of building retrofit scenarios, both individual and combined, including interventions on the building envelope, electromechanical systems, installation of solar panels for DHW and photovoltaic systems, in order to evaluate the resulting energy savings in the near and distant future (using the updated primary energy conversion and CO2 emission factors for electricity). From the envelope interventions the primary energy savings can reach up to 60% and the CO2 emission reduction up to 90%. The reduction rates for interventions in the HVAC systems are much higher, reaching 98 % and 100 % respectively, almost eliminating primary energy and CO2 emissions.

Τα κτίρια διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο για ένα βιώσιμο μέλλον, διότι ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η λειτουργία τους συμβάλλουν σημαντικά στο περιβάλλον, την κοινωνία και την οικονομία. Στην Ευρώπη το κτιριακό απόθεμα αντιπροσωπεύει 25 δισεκατομμύρια τετραγωνικά μέτρα, εκ των οποίων το 25% είναι κτίρια του τριτογενούς τομέα. Τα κτίρια αυτά είναι αρκετά παλιά (το 40% έχουν χτιστεί πριν από το 1960), απαιτούν πολλούς φυσικούς πόρους (50% των συνολικών φυσικών πόρων, 45% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας και 16% της συνολικής κατανάλωσης νερού) και παράγουν αέρια του θερμοκηπίου και απόβλητα (30% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και 40% της παραγωγής αποβλήτων). Επιπλέον, τα κτίρια αυτά δεν προσφέρουν την άνεση και την ποιότητα ζωής που αναμένουν οι χρήστες τους [Trachte S., et al., 2014]. Η ενεργειακή αποδοτικότητα των κτιρίων είναι κρίσιμη και διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στη μακροπρόθεσμη στρατηγική για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου για την Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ), καθώς και για την επίτευξη άλλων στόχων της Ευρωπαϊκής Πράσινης Συμφωνίας, όπως η μηδενική ρύπανση ή η αποδοτικότητα των πόρων. Έτσι, οι αποφάσεις που λαμβάνονται για τον σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία των κτιρίων έχουν ευρείες περιβαλλοντικές και οικονομικές επιπτώσεις. Η επένδυση σε ενεργειακά αποδοτικά κτίρια και η υιοθέτηση «πράσινων» πρακτικών στον κατασκευαστικό κλάδο μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και στη δημιουργία ενός πιο βιώσιμου ενεργειακού μέλλοντος. Στην Ελλάδα, και σε μεγάλο βαθμό στην Ευρώπη, δεν υπάρχουν επικαιροποιημένα αναλυτικά δεδομένα για τις καταναλώσεις των κτιρίων του τριτογενούς τομέα, ούτε αντίστοιχα δεδομένα για την αποτελεσματικότητα των διαφόρων επεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας. Ο πρώτος στόχος της παρούσας εργασίας είναι να μελετήσει αφενός τα χαρακτηριστικών των Ελληνικών κτιρίων του τριτογενούς τομέα (κέλυφος και Η/Μ συστήματα) και αφετέρου την ενεργειακή τους απόδοση. Τα δεδομένα προέρχονται από δυο διαφορετικές προσεγγίσεις. Η πρώτη και ευρύτερα χρησιμοποιούμενη πηγή δεδομένων είναι τα Πιστοποιητικά Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (ΠΕΑ), τα οποία συγκεντρώνονται στην επίσημη βάση των πιστοποιητικών της πλατφόρμας buildingcert και περιλαμβάνουν δεδομένα για την ενεργειακή συμπεριφορά του κτιρίου, την ενεργειακή του κατάταξη, τις πηγές ενέργειας και τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Η δεύτερη και πιο σπάνια χρησιμοποιούμενη πηγή δεδομένων είναι τα αρχεία ενεργειακών επιθεωρήσεων που υποβάλλονται στην πλατφόρμα buildingcert για την έκδοση πιστοποιητικών ενεργειακής απόδοσης και τα οποία είναι πιο δύσκολα προσβάσιμα σε σχέση με τα αρχεία των ΠΕΑ. Τα αρχεία ενεργειακών επιθεωρήσεων περιλαμβάνουν αναλυτικά, πρωτογενή δεδομένα για τα κτίρια, αλλά δεν περιλαμβάνουν αποτελέσματα ενεργειακών υπολογισμών.Μέχρι τον Δεκέμβριο του 2019 είχαν εκδοθεί περίπου 1820000 ενεργειακά πιστοποιητικά από τα οποία μόνο 42200 αφορούν ολόκληρα κτίρια του τριτογενούς τομέα. Μετά τον ποιοτικό έλεγχο των δεδομένων, προκειμένου να αυξηθεί η εμπιστοσύνη στα δεδομένα και να διασφαλιστεί η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων, τα ΠΕΑ είναι 28792 και αποτελούν τη Βάση ΠΕΑ (2019). Αντίστοιχα, μέχρι και τον Δεκέμβριο του 2016, τα διαθέσιμα ενεργειακών επιθεωρήσεων κτιρίων για ολόκληρα κτίρια τριτογενούς τομέα ήταν περίπου 24000, ενώ μετά τον ποιοτικό έλεγχο παρέμειναν 2445, τα οποία αποτελούν τη Βάση ΕΕ(2016). Η αναλυτική χαρτογράφηση των χαρακτηριστικών των κτιρίων προκύπτει από την ανάλυση των δεδομένων της Βάσης ΕΕ(2016). Αρχικά γίνεται η ταξινόμηση των κτιρίων σε μια τυπολογία με βασικά κριτήρια την αποκλειστική χρήση, την ηλικία (περίοδος κατασκευής) και την τοποθεσία (κλιματική ζώνη) του κτιρίου. H Ελληνική τυπολογία κτιρίων τριτογενούς τομέα περιλαμβάνει συνολικά 372 τύπους, όμως καθώς τα διαθέσιμα κτίρια δεν καλύπτουν όλους τους δυνατούς συνδυασμούς της τυπολογίας, τα κτίρια της βάσης κατανέμονται σε 239 τύπους. Για κάθε έναν από αυτούς τους τύπους κτιρίων, καθορίζονται τα τυπικά χαρακτηριστικά του κελύφους και των Η/Μ συστημάτων που χαρακτηρίζουν την υφιστάμενη κατάσταση. Από την ανάλυση των δεδομένων προκύπτει ότι τα κτίρια έχουν μεγάλες θερμικές απώλειες, που επηρεάζουν την αρνητικά της θερμική τους απόδοση. Επίσης περίπου το ένα τρίτο των κτιρίων δεν έχουν εγκατεστημένο βασικό σύστημα θέρμανσης ή/ και ψύξης, ενώ οι αποδόσεις των εγκατεστημένων συστημάτων είναι χαμηλότερες από τις συνιστώμενες τιμές. Αυτά σε συνδυασμό με τα χαμηλά ποσοστά κτιρίων με ηλιακούς συλλέκτες και τα σχεδόν μηδενικά ποσοστά κτιρίων με φωτοβολταϊκά, επιβεβαιώνουν την ύπαρξη μεγάλου δυναμικού εξοικονόμησης ενέργειας. Η ενεργειακή συμπεριφορά των κτιρίων αρχικά προκύπτει από την ανάλυση των δεδομένων της Βάσης ΠΕΑ(2019). Η κατανομή των κτιρίων στους τύπους της Ελληνικής τυπολογίας δεν είναι δυνατή, καθώς στα ενεργειακά πιστοποιητικά του 2019 δεν είναι διαθέσιμη η πληροφορία της χρονικής περιόδου κατασκευής του κτιρίου. Από την ανάλυση των δεδομένων προκύπτει ότι η βασική πηγή ενέργειας για τα κτίρια του τριτογενούς τομέα είναι η ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το πετρέλαιο καταλαμβάνει τη δεύτερη θέση. Η μέση κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας για τα κτίρια του τριτογενούς τομέα είναι 494.0 kWh/m2, περίπου 20 % υψηλότερη από την αντίστοιχη των κτιρίων του οικιακού τομέα., όπως και οι μέσες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα είναι 158.1 kgCO2/m2, υψηλότερες κατά 50 % σε σχέση με τις εκπομπές του οικιακού τομέα. Παρόλα αυτά, η ενεργειακή απόδοση των κτιρίων του τριτογενούς τομέα είναι καλύτερη από αυτή των κατοικιών, καθώς το ένα τρίτο των κτιρίων κατατάσσονται στην ενεργειακή κλάση –Δ, ενώ το 50 % των οποίων κατατάσσονται στην τελευταία ενεργειακή κατηγορία –Η. Σε μια προσπάθεια να διερευνηθεί η ενεργειακή συμπεριφορά ανά τύπο της Ελληνικής τυπολογίας, τα αρχεία της Βάσης ΕΕ(2016) χρησιμοποιούνται με τον υπολογιστικό πυρήνα του επίσημου εθνικού λογισμικού ΤΕΕ-Κ.Εν.Α.Κ., ώστε να γίνουν εκ νέου οι υπολογισμοί της ενεργειακής συμπεριφοράς των κτιρίων και να προσδιοριστούν οι δείκτες επίδοσης ανά τυπολογία κτιρίου. Από τη σύγκριση της πρωτογενούς ενέργειας από τα δεδομένα των δυο διαφορετικών προσεγγίσεων, αφού πρώτα τα ΠΕΑ περιορίζονται σε αυτά που εκδόθηκαν έως το τέλος του 2016 (Βάση ΠΕΑ (2016)), προκύπτει ότι οι δείκτες επίδοσης της πρωτογενούς ενέργειας δεν εμφανίζουν στατιστικά σημαντικές διαφοροποιήσεις για την πλειονότητα των χρήσεων κτιρίων. Τέλος, τα διαθέσιμα δεδομένα σχετικά με την πραγματική ενεργειακή χρήση των κτιρίων στη Βάση ΕΕ(2016), αναλύονται, αξιολογούνται και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες υπολογισμένες τιμές, σε μια πρώτη προσπάθεια να καλυφθεί το χάσμα μεταξύ υπολογισμένης και πραγματικής ενεργειακής χρήσης και να δημιουργηθούν εμπειρικοί διορθωτικοί συντελεστές ανά χρήση κτιρίου, πηγή ενέργειας και τελική χρήση ενέργειας. Είναι γεγονός ότι πρόκειται για ένα πολύ μικρό δείγμα δεδομένων, αλλά ακόμη και έτσι τα αποτελέσματα της ανάλυσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια πρώτη εικόνα της ενεργειακής συμπεριφοράς των κτιρίων του τριτογενούς τομέα. Συνολικά, τα αποτελέσματα για όλα τα κτίρια, υποδεικνύουν ένα φαινόμενο πρόδρασης (prebound effect) δηλαδή χαμηλότερη πραγματική χρήση ενέργειας από την υπολογιζόμενη τόσο για την τελική όσο και για την πρωτογενή ενέργεια), το οποίο μπορεί να αποδοθεί στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας που διαφέρουν από τις υποτιθέμενες τιμές που χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς (π.χ. λιγότερες ώρες λειτουργίας). Ο δεύτερος στόχος της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής μέχρι το μέχρι το τέλος του αιώνα στην αναμενόμενη ενεργειακή απόδοση των κτιρίων τόσο στην υφιστάμενη κατάσταση, όσο και μετά από σενάρια αναβάθμισης. Το πρώτο βήμα είναι η παραγωγή μελλοντικών μετεωρολογικών δεδομένων, με τη χρήση του περιοχικού κλιματικού μοντέλου - RCA4, για δύο σενάρια κλιματικών αντιπροσωπευτικών μονοπατιών συγκέντρωσης (ένα μέσο σενάριο - RCP4.5 και το δυσμενέστερο σενάριο -RCP8.5) και για δύο περιόδους στο κοντινό (2050) και στο μακρινό (2090) μέλλον. Τα μελλοντικά μετεωρολογικά δεδομένα (θερμοκρασία εξωτερικού αέρα, ειδική υγρασία και ολική ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο) παράγονται για εξήντα δύο ελληνικές πόλεις που είναι διασκορπισμένες σε όλη τη χώρα. Για τους υπολογισμούς χρησιμοποιούνται πάλι τα αρχεία της Βάσης ΕΕ(2016) με τον υπολογιστικό πυρήνα του επίσημου εθνικού λογισμικού ΤΕΕ-Κ.Εν.Α.Κ. και με επικαιροποιημένους συντελεστές μετατροπής πρωτογενούς ενέργειας και εκπομπών CO2 για την ηλεκτρική ενέργεια, οι οποίοι έχουν υπολογιστεί στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Σύμφωνα με τις προβλέψεις του μοντέλου, η ετήσια θερμοκρασία και η ειδική υγρασία αναμένεται να αυξηθούν, ενώ αντίθετα, η μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία δεν θα επηρεαστεί σημαντικά και με βάση αυτά η ετήσια απαίτηση για θέρμανση των κτιρίων αναμένεται να μειωθεί, ενώ αντίθετα η απαίτηση για ψύξη να αυξηθεί. Το τελευταίο βήμα είναι η μελέτη σεναρίων αναβάθμισης των κτιρίων, μεμονωμένων και συνδυασμών, που περιλαμβάνουν επεμβάσεις στο κέλυφος, στα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα, εγκατάσταση ηλιακών συλλεκτών για ΖΝΧ και φωτοβολταϊκών, ώστε να αξιολογηθεί η προκύπτουσα εξοικονόμηση ενέργειας στο κοντινό και μακρινό μέλλον (χρησιμοποιώντας τους επικαιροποιημένους συντελεστές μετατροπής πρωτογενούς ενέργειας και εκπομπών CO2 για την ηλεκτρική ενέργεια). Από τις επεμβάσεις στο κέλυφος η εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας μπορεί να φτάσει μέχρι 60%, ενώ η μείωση των εκπομπών CO2 μέχρι 90%. Τα ποσοστά μείωσης για τις επεμβάσεις στα Η/Μ συστήματα είναι πολύ μεγαλύτερες και φτάνουν το 98 % και 100 % αντίστοιχα, μηδενίζοντας σχεδόν την πρωτογενή ενέργεια και τις εκπομπές CO2.