Ενέργεια και άνεση σχολικών κτιρίων στις κλιματικές ζώνες της Κύπρου

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ενεργειακή απόδοση και εσωτερική, κυρίως θερμική άνεση, των σχολικών κτιρίων δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, ανά κλιματική περιοχή στην Κύπρο. Η ενεργειακή αξιολόγηση με στόχο τη βέλτιστη αναβάθμιση των κτιρίων και την εξοικονόμηση ενεργειακών καταναλώσεων μελετάται στη συνέχεια της έρευνας. Η διατριβή στοχεύει επίσης στην πληρέστερη καταγραφή και αξιολόγηση του κτιριακού αποθέματος και των ενεργειακών αναγκών και καταναλώσεων των σχολικών κτιρίων μέσα από τη βιοκλιματική ανάλυση στις τρεις κλιματικές περιοχές, παράλια, ενδοχώρα και ορεινά. Στη συνέχεια γίνεται συνοπτική αναφορά στα κεφάλαια στα οποία διαρθρώνεται η διατριβή. Το πρώτο μέρος αναφέρεται στο γενικό πλαίσιο της διατριβής. Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει το θεωρητικό πλαίσιο με περιγραφή των γενικών χαρακτηριστικών της Κύπρου καθώς και της ενεργειακής πολιτικής του νησιού. Γίνεται αναφορά στις εξελίξεις στον τομέα της ενεργειακής απόδοσης κτιρίων και μια πρώτη εισαγωγή στα εκπαιδευτικά κτίρια της Κύπρου. Τέλος παρουσιάζεται ο σκοπός και ο στόχος της μελέτης. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση του ερευνητικού πεδίου της διατριβής. Διεξάγεται αρχικά μια ιστορική αναδρομή σχετική με τη δόμηση των σχολικών κτιρίων και στη συνέχεια γίνεται εισαγωγή στην ενεργειακή απόδοση των σχολείων. Οι ερευνητικές μελέτες χωρίζονται σε αυτές που έγιναν στην Κύπρο και την Ελλάδα αλλά και στο διεθνές σκηνικό. Παρουσιάζεται ο συσχετισμός της εσωτερικής άνεσης και της ενεργειακής κατανάλωσης των σχολικών κτιρίων. Αναλύονται οι μέθοδοι διεξαγωγής ενεργειακής επιθεώρησης και θερμικής άνεσης που χρησιμοποιούνται ευρύτερα στη βιβλιογραφία και στη συνέχεια οι επεμβάσεις που προτείνονται από τους ερευνητές για ενεργειακή αναβάθμιση και άνεση. Στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσσεται η μεθοδολογία της διατριβής και γίνεται λεπτομερής ανάλυση για κάθε στάδιο της έρευνας. Παρουσιάζονται οι μέθοδοι, τα εργαλεία και τα λογισμικά που χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή της έρευνας σε όλα τα στάδια της μελέτης. Συνέχεια έχει το δεύτερο μέρος της διατριβής το οποίο αφορά την έρευνα υφιστάμενης κατάστασης των σχολείων δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης της Κύπρου. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κατασκευαστικά και λειτουργικά στοιχεία των σχολείων με στόχο την πρώτη καταγραφή του σχολικού κτιριακού αποθέματος μέσης εκπαίδευσης της Κύπρου. Στόχος είναι η εύρεση των χαρακτηριστικών των τυπικών σχολικών κτιρίων ανά κλιματική περιοχή. Προσδιορίζοντας το τυπικό σχολικό κτίριο μέσης εκπαίδευσης οι έρευνες που ακολουθούν θα ανταποκρίνονται ευρύτερα στο σχολικό απόθεμα. Παράλληλα με την καταγραφή και για να διαφανεί ο ουσιαστικός λόγος της παρούσας μελέτης διεξάγεται μια πιλοτική έρευνα εννιά σχολικών κτιρίων στο πέμπτο κεφάλαιο. Η πιλοτική έρευνα χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αφορά τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και την ενεργειακή απόδοση των εννιά σχολικών κτιρίων και το δεύτερο μέρος την εσωτερική περιβαλλοντική ποιότητα (θερμική, ακουστική, οπτική και ποιότητα αέρα) των σχολείων που επηρεάζει την άνεση, την υγεία αλλά και την παραγωγικότητα των χρηστών του. Στόχος είναι να διαφανεί η υφιστάμενη ενεργειακή κατάσταση των σχολείων μέσω προσομοιώσεων με το λογισμικό iSBEMcy και οι συνθήκες άνεσης που επικρατούν μέσω έρευνας ερωτηματολογίων. Με αυτό τον τρόπο εντοπίζονται τα προβλήματα τα οποία αναμένεται να καλύψει η διατριβή στη συνέχεια εστιάζοντας στα τυπικά σχολικά κτίρια. Έπειτα παρουσιάζεται το τρίτο μέρος της διατριβής το οποίο αφορά τη βιοκλιματική και ενεργειακή ανάλυση των τυπικών σχολικών κτιρίων στις τρεις κλιματικές περιοχές της Κύπρου και την ιεράρχηση των βέλτιστων στρατηγικών και τεχνικών ενεργειακής αναβάθμισης. Το έκτο κεφάλαιο αφορά τη βιοκλιματική ανάλυση των τριών κλιματικών περιοχών με τη μέθοδο Olgyay. Βασισμένη στην βιοκλιματική μελέτη γίνεται αξιολόγηση επάρκειας της ηλιακής ακτινοβολίας για παθητική θέρμανση στις τρεις κλιματικές περιοχές οι οποίες φαίνεται να ικανοποιούνται σε μεγάλο βαθμό από την υπάρχουσα ηλιακή ακτινοβολία. Στη συνέχεια του κεφαλαίου οι βιοκλιματικοί χάρτες μετατρέπονται για πρώτη φορά σε πολυωνυμικές εξισώσεις 2ου βαθμού. Δημιουργείται ένα μοντέλο γρήγορου υπολογισμού των παθητικών θερμικών αναγκών της κάθε κλιματικής περιοχής. Οι πολυωνυμικές εξισώσεις που ονομάζονται «bioforms» είναι η πρόταση μιας απλοποιημένης τεχνικής κατάλληλης για την προκαταρκτική μελέτη του βιοκλιματικού σχεδιασμού των κτιρίων. Στο έβδομο κεφάλαιο και δεδομένων των στρατηγικών ενεργειακής αναβάθμισης κτιρίων που εντοπίστηκαν από τη βιοκλιματική ανάλυση γίνεται η μελέτη τριών τυπικών σχολείων της Κύπρου, ένα σε κάθε κλιματική περιοχή. Με το λογισμικό iSBEMcy προσομοιώνονται σενάρια ενεργειακής αναβάθμισης των σχολείων και βάσει των αποτελεσμάτων εξοικονόμησης ενέργειας ταξινομούνται οι βέλτιστες τεχνικές ενεργειακής αναβάθμισης ανά κλιματική περιοχή. Όλα τα προηγούμενα αποτελέσματα και συμπεράσματα επαληθεύονται στο τελευταίο μέρος της μελέτης. Η ενεργειακή απόδοση και τα αποτελέσματα που προέκυψαν καθώς και η θερμική άνεση των σχολικών κτιρίων επαληθεύονται στα κεφάλαιο οκτώ και εννιά. Η ενεργειακή απόδοση επαληθεύεται με τη χρήση ενός επιπλέον λογισμικού (Energy Plus) και προσομοίωση ενός τυπικού σχολείου. Καθώς τα αποτελέσματα τους συγκλίνουν επαληθεύεται η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων της διατριβής. Η θερμική άνεση επαληθεύεται με έρευνες ερωτηματολογίων, βάσει του προτύπου ASHRAE 55, και επιτόπου μετρήσεις στο ίδιο επίσης τυπικό σχολείο. Στόχος της επαλήθευσης είναι να αποδειχτεί η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων ώστε αυτά να μπορούν να αξιοποιηθούν από την ευρύτερη ερευνητική κοινότητα. Τέλος παρουσιάζεται η σύνοψη των συμπερασμάτων που προέκυψαν από την ανάλυση των επιμέρους κεφαλαίων, ενώ παράλληλα δίνονται και οι μελλοντικοί στόχοι βάσει των ερωτημάτων και αναγκών που ενέκυψαν στο σύνολο της διατριβή.