Urban microclimate analysis and its effect on the buildings energy performance
Authors: Τσόκα Στέλλα 
Published: September 2021

H παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει μια νέα μεθοδολογία, η οποία λαμβάνει υπόψη την επίδραση του μικροκλίματος στις κτιριακές ενεργειακές απαιτήσεις σε ετήσια βάση, με παράλληλη βελτιστοποίηση του υπολογιστικού κόστους. Πιο συγκεκριμένα, η προτεινόμενη μεθοδολογία στοχεύει στη δημιουργία τυπικών κλιματικών αρχείων, απαραίτητων για τις δυναμικές ενεργειακές προσομοιώσεις, τα οποία λαμβάνουν υπόψιν τις ιδιαιτερότητες του τοπικού μικροκλίματος της εκάστοτε περιοχής μελέτης, συναρτήσει της μορφολογίας και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της. Η υπολογιστική μέθοδος εφαρμόζεται σε 4 αστικές περιοχές της Θεσσαλονίκης με διαφορετικές μικροκλιματικές παραμέτρους, λόγω των διαφορετικών μορφολογικών χαρακτηριστικών τους. Η υπολογιστική διαδικασία βασίζεται στην διασύνδεση τριών εργαλείων: (α) του μοντέλου μικροκλίματος ENVI-met, (β) του στοχαστικού μοντέλου παρεμβολής Meteonorm και (γ) του μοντέλου δυναμικής ενεργειακής προσομοίωσης κτιρίων EnergyPlus. ΜΙκροκλιματικές προσομοιώσεις πραγματοποιούνται με το μοντέλο ENVI-met για τις 4 επιλεγμένες περιοχές μελέτης και για 12 αντιπροσωπευτικές μέρες (μία για κάθε μήνα του έτους). Στη συνέχεια, οι υπολογισθείσες μικροκλιματικές παράμετροι κάθε περιοχής μελέτης εξάγονται από το ENVI-met και οι μέσες ημερήσιες τιμές αυτών εισάγονται στο στοχαστικό μοντέλο παρεμβολής Meteonorm ώστε να δημιουργηθούν τα αντιπροσωπευτικά για κάθε περιοχή, ωριαία κλιματικά αρχεία (Urban Specific Weather Datasets, USWDs). Παράλληλα με την ανάπτυξη των USWDs, δημιουργείται ένα επιπλέον ωριαίο κλιματικό αρχείο, ένα "κλιματικό αρχείο αναφοράς " (Reference Weather Dataset RWD) που αντιστοιχεί σε μια θέση αναφοράς μετεωρολογικού σταθμού στη Θεσσαλονίκη. Σε αντίθεση με τα USWDs, το δημιουργούμενο αρχείο αναφοράς θα μπορούσε θεωρητικά να χρησιμοποιηθεί για κάθε περιοχή μελέτης μέσα στην πόλη καθώς δε λαμβάνονται υπόψη συγκεκριμένες μικροκλιματικές συνθήκες. Οι παραγόμενες χρονοσειρές οι οποίες αντιστοιχούν σε αντιπροσωπευτικά έτη για κάθε μία αστική περιοχή μελέτης (USWDs) και το κλιματικό αρχείο αναφοράς (RWD), χρησιμοποιούνται ως δεδομένο εισαγωγής για τις δυναμικές ενεργειακές προσομοιώσεις τυπικών κτιριακών μονάδων με το εργαλείο δυναμικής προσομοίωσης κτιρίων EnergyPlus. Οι υπολογισμοί των ψυκτικών και θερικών ενεργειακών απαιτήσεων αφορούν κτιριακές μονάδες 1ου και 3ου ορόφου μέσα σε κάθε περιοχής μελέτης ενώ παράλληλα εξετάστηκαν οι περιπτώσεις μονωμένου και αμόνωτου κελύφους. Η συγκριτική αξιολόγηση των ετήσιων ενεργειακών απαιτήσεων θέρμανσης και ψύξης όλων των εξεταζόμενων κτιριακών μονάδων ανέδειξε την επιρροή των μικροκλιματικών συνθηκών στην εκτίμηση της ενεργειακής απόδοσης κτιρίων. Οι ετήσιες απαιτήσεις θέρμανσης των εξεταζόμενων αμόνωτων και μονωμένων κτιριακών μονάδων προέκυψαν χαμηλότερες όταν οι τοπικές συνθήκες λήφθησαν υπόψη αντί των κλιματικών παραμέτρων του αρχείου αναφοράς, γεγονός που ωστόσο αντισταθμίζεται από τη σημαντική άνοδο των ψυκτικών αναγκών καλοκαίρι. Σημαντικές διαφορές στις ετήσιες ανάγκες θέρμανσης και ψύξης παρατηρήθηκαν επίσης μεταξύ των κτιριακών μονάδων του 1ου και 3ου ορόφου, που βρίσκονται στο ίδιο κτίριο κάθε περιοχής μελέτης, λόγω των διαφορετικών ηλιακών κερδών. Μεταξύ των 4 περιοχών μελέτης, οι μικρότερες απαιτήσεις θέρμανσης εντοπίζονται για τις κτιριακές μονάδες που δέχονται τα μεγαλύτερα ποσά ηλιακής ακτνοβολίας ενώ το καλοκαίρι, οι μικρότερες ψυκτικές απαιτήσεις παρατηρήθηκαν στις κτιριακές μονάδες που σκιάζονται διαρκώς λόγω της αυξημένης παρουσίας φυτεύσεων.