Τα βιοκλιματικά σπίτια είναι ενεργειακώς αυτόνομα σπίτια, τα οποία έχουν χαμηλό κόστος συντήρησης, καθώς αξιοποιούν το φυσικό περιβάλλον (ήλιος-αέρας-υπέδαφος-νέα υλικά). Έτσι, διάφορες λειτουργίες, όπως είναι η θέρμανση, η ψύξη, ο εξαερισμός, ο δροσισμός, ο φωτισμός (κλπ), λαμβάνουν χώρα σε αυτό το σπίτι δίχως επιπλέον οικονομική επιβάρυνση.
Δεδομένα του Υπουργείου Ανάπτυξης αναφέρουν ότι τα βιοκλιματικά σπίτια έχουν ενεργειακά οφέλη που ανέρχονται ακόμη και στο 80%, συγκριτικά με τα παλιά ή/και με τα συμβατικά κτίρια. Τα σπίτια αυτά βασίζονται σε έναν βιοκλιματικό σχεδιασμό, έναν σχεδιασμό δηλαδή εσωτερικών και εξωτερικών χώρων, βάσει της μικρής κλίμακας της εκάστοτε περιοχής, αποσκοπώντας στην παροχή θερμικής και οπτικής άνεσης μέσα από την εκμετάλλευση των φυσικών περιβαλλοντικών φαινομένων.
Η βιοκλιματική αρχιτεκτονική είναι ένας από τους πλέον σημαντικούς παράγοντες της οικολογικής δόμησης, η οποία προσανατολίζεται στον έλεγχο και τη διαχείριση περιβαλλοντικών παραμέτρων στο επίπεδο των κτιριακών μονάδων, διεξάγοντας μελέτες βάσει των παρακάτω κατευθύνσεων:
- Διεξαγωγή μελέτης του δομημένου περιβάλλοντος και των προβλημάτων, τα οποία προκύπτουν από τον σχεδιασμό κτιρίων.
- Διερεύνηση και τελική επιλογή εκείνων των δομικών υλικών, δίνοντας έμφαση τόσο στις θερμικές και οπτικές τους ιδιότητες, όσο και στον βαθμό επικινδυνότητας της δραστικότητάς τους.
Στον ελλαδικό χώρο, ο κτιριακός τομέας είναι υπεύθυνος για το 40% της τελικής κατανάλωσης ενέργειας (θερμική, ηλεκτρική), η οποία εξαιτίας του υψηλού κόστους της έχει ως συνέπεια τόσο την επιβάρυνση του χρήστη όσο και την ατμοσφαιρική ρύπανση, κυρίως με διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Εντούτοις οι πρακτικές εφαρμογές του βιοκλιματικού σχεδιασμού αυξάνονται ολοένα και περισσότερο τόσο σε εθνικό όσο και σε διεθνές επίπεδο. Μάλιστα, αρκετά κράτη έχουν προχωρήσει στην θέσπιση και την εφαρμογή μίας σχετικής νομοθεσίας, βάσει της οποίας πραγματοποιούνται ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη οικιστικών συνόλων και μεμονωμένων κτιρίων.
Πιο αναλυτικά, στο ελληνικό κράτος ένα βιοκλιματικό σπίτι μπορεί να εξοικονομήσει μέχρι και το 30% της ενέργειας, συγκριτικά με ένα συμβατικό κτίριο. Αξιοσημείωτο είναι ότι η εξοικονόμηση μπορεί να ανέλθει μέχρι και στο 80% συγκριτικά με ένα παλαιότερο αμόνωτο κτίριο. Η εξοικονόμηση αυτή δεν αφορά μόνο το ετήσιο ενεργειακό κόστος, αλλά περιλαμβάνει και το ποσοστό μείωσης του μεγέθους των ηλεκτρομηχανολογικών εγκαταστάσεων.
Ακόμη, παρατηρούνται οφέλη σε περιβαλλοντικό και κοινωνικό επίπεδο, καθώς μειώνονται οι εκπεμπόμενοι ρύποι και βελτιώνεται έτσι η ποιότητα ζωής. Πιο συγκεκριμένα, τα οφέλη είναι πολυάριθμα και αφορούν την θερμική προστασία των κτιρίων όλον τον χρόνο, με την εφαρμογή των κατάλληλων τεχνικών στο κτιριακό κέλυφος (θερμομόνωση, αεροστεγάνωση των ανοιγμάτων, σκίαση). Παράλληλα, βασικό συστατικό για το βιοκλιματικό σχεδιασμό είναι η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας, όχι μόνο για τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων, αλλά και για το φυσικό φωτισμό καθ’όλη τη διάρκεια του χρόνου.
Παθητικά- Ενεργητικά Συστήματα
Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τη θέρμανση και τον δροσισμό των κτιρίων γίνεται με τη βοήθεια κυρίως δύο τεχνολογικών συστημάτων, των παθητικών και των ενεργητικών συστημάτων. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια κατακτά ολοένα και περισσότερο έδαφος και το υβριδικό σύστημα.
Πιο αναλυτικά, τα παθητικά συστήματα έχουν να κάνουν με την εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας δίχως να κάνουν χρήση υψηλής τεχνολογίας και μηχανικών μέσων. Η εφαρμογή αυτών των συστημάτων βασίζεται στη φυσική ροή της θερμικής ενέργειας, εκμεταλλεύοντας το σύνολο των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών του κτιρίου και χρησιμοποιώντας τα δομικά στοιχεία του κελύφους (τοίχους, δάπεδα, οροφές, δώμα) για τη συλλογή της ηλιακής ενέργειας και την αποθήκευση της θερμότητας. Τα παθητικά συστήματα μπορούν να διακριθούν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με το σκοπό χρήσης και εφαρμογής τους:
- Παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης
- Παθητικά συστήματα και τεχνικές φυσικού δροσισμού
- Συστήματα και τεχνικές φυσικού φωτισμού
Τα ενεργητικά συστήματα προϋποθέτουν τη χρήση μηχανικών μέσων, από απλής έως και υψηλής τεχνολογίας (αντλίες, εναλλάκτες θερμότητας, ανεμιστήρες κ.ά.). Παράλληλα, η χρήση τους προϋποθέτει ένα σύνολο σύνθετων μηχανισμών συλλογής, μεταφοράς και αποθήκευσης της θερμότητας, προϊόν της δεσμευμένης ηλιακής ακτινοβολίας. Σε κάθε περίπτωση, προκειμένου να προκύψουν τα αναμενόμενα οφέλη κατά τη συνολική διάρκεια του έτους, πρέπει τα συστήματα αυτά να συνδυαστούν κατά τη λειτουργία τους (Αξαρλή, 2009).
Βασικές Τεχνικές Βιοκλιματικού Σχεδιασμού
Οι πλέον γνωστές και αποδεκτές εφαρμοζόμενες τεχνικές του βιοκλιματικού σχεδιασμού διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες:
Προσανατολισμός. Το πλέον ορθό σχήμα για ένα κτίριο, όσο αναφορά την ενέργεια, είναι εκείνο, όπου εντοπίζονται μικρές θερμικές απώλειες κατά τη χειμερινή περίοδο, ενώ τα ηλιακά οφέλη είναι τα μικρότερα δυνατά κατά τη θερινή περίοδο. Ακόμη, αξίζει να σημειωθεί ότι σημαντικό ρόλο παίζει και το μικρόκλιμα σε κάθε πλευρά του κτιρίου.
Πιο αναλυτικά, είθισται η βόρεια πλευρά να είναι και η πλέον ψυχρότερη, καθώς δεν είναι αποδέκτης άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ παράλληλα χειμερινοί άνεμοι προσανατολίζονται προς βόρεια κατεύθυνση. Η ανατολική και δυτική πρόσοψη δέχονται την ίδια ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας, με τη δυτική πλευρά να παραμένει πιο θερμότερη, λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας συναρτήσει των υψηλών μεσημβρινών θερμοκρασιών του αέρα. Η νότια πλευρά είναι και η πιο φωτεινή και η πιο ζεστή, ούσα αποδέκτης της ηλιακής ακτινοβολίας καθ’όλη τη διάρκεια της ημέρας.
Εντούτοις οι χώροι με λιγότερες απαιτήσεις ως προς την θερμοκρασιακή άνεση πρέπει να τοποθετούνται βόρεια, λειτουργώντας έτσι ως φράγμα για τις θερμικές απώλειες, ρυθμίζοντας, με αυτόν τον τρόπο, την αλληλεπίδραση των θερμαινόμενων χώρων και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Ο πλέον ορθός προσανατολισμός για τη διάταξη των ανοιγμάτων σε ένα κτίριο είναι ο νότιος. Εστιάζοντας στον ελλαδικό χώρο, το βέλτιστο σχήμα για την μέγιστη -δυνατή- εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι επιμηκυμένο κατά τον άξονα Ανατολής-Δύσης, ωστόσο, οποιαδήποτε πιθανή μικρή απόκλιση κατά περίπου 20ο, δεν λειτουργεί καταλυτικά στην τελική απόδοση νότια προσανατολισμένων ανοιγμάτων (Παπαμανώλης, 2015).
Σκίαση. Σημαντικό ρόλο στον σχεδιασμό ενός κτιρίου παίζει και η σκίαση. Στόχος της σκίασης είναι να προσφέρει έλεγχο στην ποσότητα της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας από τα ανοίγματα. Η συμβολή της σκίασης είναι μεγάλη, καθώς εξοικονομεί σημαντικό ποσοστό ενέργειας για τη θέρμανση και για τη ψύξη του κτιρίου, στη δημιουργία συνθηκών θερμικής άνεσης, ενώ, παράλληλα, ρυθμίζει και την ένταση και την ποιότητα του φυσικού φωτισμού, μειώνοντας τις πιθανότητες θαμπώματος. Ο τύπος και οι διαστάσεις του συστήματος προβλέπονται από ορισμένους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων του προσανατολισμού, της θέσης των ανοιγμάτων, αλλά και άλλων παραγόντων, όπως:
- της διασφάλισης της λειτουργίας των ανοιγμάτων (οπτική επικοινωνία, φυσικός αερισμός, φυσικός φωτισμός),
- του συνόλου των δυσμενών επιδράσεων του συστήματος στο άνοιγμα και στον ηλιοπροστατευόμενο χώρο,
- της σταθερότητας, του κύκλου ζωής, και της δυνατότητας χειρισμού, και
- της αρχικής κοστολόγησης της κατασκευής και των δαπανών συντήρησης
Τα συστήματα ηλιοπροστασίας διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, τα κινητά και τα σταθερά. Από τη μία, τα σταθερά σκίαστρα έχουν τη μορφή κάποιας προέκτασης της πλάκας, κατακόρυφων και οριζόντιων προεξοχών, αλλά και οριζόντιου προστεγάσματος από σκυρόδεμα ή/και από κάποιο μέταλλο στο ύψος του παράθυρου. Από την άλλη, τα κινητά σκίαστρα παίρνουν τη μορφή πρόσθετων ηλιοπροστατευτικών διατάξεων, κατασκευασμένων από ελαφριά υλικά (μέταλλο, αλουμίνιο, πλαστικό, ξύλο), οι οποίες, μάλιστα, μπορούν, χειροκίνητα ή αυτόματα, να περιστρέφονται κατά την τροχιά του ήλιου. Επιπροσθέτως, οι εξωτερικοί χώροι πρασίνου, με τη βοήθεια του άμεσου σκιασμού που ενδέχεται να επιτυγχάνεται από δέντρα, όπως και με την βοήθεια της χαμηλότερης βλάστησης, η οποία, χάρη στο πράσινο χρώμα που κυριαρχεί, μειώνει σημαντικά το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο έδαφος, ενώ βελτιώνει και τις συνθήκες για φυσικό αερισμό. Με αυτόν τον τρόπο, οι εξωτερικοί χώροι συμβάλλουν στην παροχή ενός ηλιοπροστασίαστου κτιρίου (Ηλιάκης, 2015).
Αερισμός. Ένα επαρκές σύστημα εξαερισμού κρίνεται μείζονος σημασίας για τη δημιουργία ενός υγιούς περιβάλλοντος. Το σύστημα εξαερισμού συμβάλλει σημαντικά στην εισαγωγή φρέσκου αέρα, μέσα από την απομάκρυνση των αέριων ρύπων και της υγρασίας από τους εσωτερικούς χώρους. Παράλληλα, ένα επαρκές και αποτελεσματικό σύστημα εξαερισμού συμβάλλει, εξίσου, και στην εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς είθισται να συνδέεται με τη θέρμανση και τον κλιματισμό των χώρων ενός κτιρίου.
Ο φυσικός αερισμός επιτυγχάνεται με τις παρακάτω τεχνικές:
- Διαμπερής φυσικός αερισμός, ο οποίος επιτυγχάνεται με τον πλέον ορθό σχεδιασμό των ανοιγμάτων στο κέλυφος και στις εσωτερικές τοιχοποιίες. Θυρίδες, οι οποίες εντοπίζονται στα άνω και κάτω τμήματα των διαχωριστικών εσωτερικών τοίχων επιτρέπουν τη διέλευση και την κίνηση του αέρα στους εσωτερικούς χώρους, καθώς και την απομάκρυνση της συσσωρευμένης θερμικής ενέργειας.
- Καμινάδες (ή πύργος αερισμού), της οποίας η λειτουργία βασίζεται στην αξιοποίηση του φαινομένου του φυσικού ελκυσμού, καθώς ο θερμός αέρας παρουσιάζει ανοδική κίνηση, και ως εκ τούτου, δημιουργείται ρεύμα στο εσωτερικό των χώρων, μεταφέροντας τη θερμότητα μέσα στο κτίριο.
- Υβριδικός αερισμός (ή ανεμιστήρες οροφής), ο οποίος προτιμάται σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει έντονο ρεύμα αέρα γύρω από το εκάστοτε κτίριο.
- Ηλιακή καμινάδα, η οποία λειτουργεί βάσει του φαινομένου Venturi και χρησιμοποιείται για τον αερισμό και την απομάκρυνση της υγρασίας από τους εσωτερικούς χώρους. Το τελικό αποτέλεσμα από την ηλιακή καμινάδα προκύπτει χάρη στην υψηλή θερμοκρασία του αέρα μέσα στην καμινάδα, όπου και ενισχύεται σημαντικά το φαινόμενο του φυσικού ελκυσμού και κατά συνέπεια, ανανεώνεται ο αέρας μέσα στους χώρους. Βάσει του παραπάνω μηχανισμού, η ηλιακή μονάδα διασφαλίζει τη διαρκή ανανέωση του εσωτερικού αέρα, για αυτό και ενδείκνυται για περιοχές υψηλής σχετικά υγρασίας κατά την περίοδο του καλοκαιριού.
- Αεριζόμενο κέλυφος, το οποίο αναφέρεται στη διαδικασία κατασκευής διπλού κελύφους στην οροφή ή στους εξωτερικούς τοίχους του εκάστοτε κτιρίου, όπου κινείται ο αέρας του εξωτερικού χώρου (Παπαμανώλης, 2015).
Φυσικός Φωτισμός. Ο φυσικός φωτισμός συμβάλλει σημαντικά στην διασφάλιση της οπτικής άνεσης μέσα στο εκάστοτε κτίριο, καθώς και στην εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας. Εντούτοις ο φυσικός φωτισμός συμβάλλει σημαντικά στην ευρύτερη βελτίωση των συνθηκών διαβίωσης μέσα στους χώρους, όπου και επιτρέπει τον συνδυασμό φωτός, θέας, δυνατότητας αερισμού, αξιοποίησης και ρύθμισης της εισερχόμενης ηλιακής ενέργειας. Προκειμένου να διασφαλιστεί η οπτική άνεση, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού με την χρήση των πλέον κατάλληλων συστημάτων και τεχνικών, τα οποία εξασφαλίζουν στους εσωτερικούς λειτουργικούς χώρους επαρκή ποσότητα (στάθμη φωτισμού), αλλά και ομαλή κατανομή, αποφεύγοντας σημαντικές διαφοροποιήσεις της στάθμης. Αυτές οι διαφοροποιήσεις μπορούν να οδηγήσουν στην εκδήλωση του φαινομένου της «θάμβωσης» με σημείο αναφοράς την εργασία που διενεργείται μέσα στους χώρους. Η επάρκεια και η κατανομή του φωτισμού είναι προϊόντα των γεωμετρικών στοιχείων του χώρου και των ανοιγμάτων, αλλά και των φωτομετρικών χαρακτηριστικών των αδιαφανών επιφανειών, ως προς το χρώμα και την υφή και των υαλοπινάκων, ως προς τη φωτοδιαπερατότητα και την ανακλαστικότητα (Κοσμόπουλου, 2008).
Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειες. Κατά τον βιοκλιματικό σχεδιασμό προτιμώνται, ως επί το πλείστον, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας, της γεωθερμίας και της βιομάζας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειες παρέχουν στο εκάστοτε κτίριο ηλεκτρισμό, ζεστό νερό και θέρμανση/ψύξη με αποτελεσματικότητα (Res Dissemination, 2001).
Φυτεμένο Δώμα. Το φυτεμένο δώμα είναι μία από τις παλαιότερες τεχνικές που προτιμώνται κατά τον βιοκλιματικό σχεδιασμό. Αναλυτικότερα, ένα φυτεμένο δώμα αποτελείται από ένα στρώμα βλάστησης, το οποίο πάνω σε μία επίπεδη οροφή. Το δώμα αυτό μπορεί να συμβάλλει στη δημιουργία ψυκτικού αποτελέσματος τόσο γύρω από το κτίριο όσο και μέσα στο κτίριο, προσφέροντας θερμική προστασία κατά τη θερινή, αλλά και κατά τη χειμερινή περίοδο, καθώς αποτελεί μέσο θερμικής μόνωσης. Μάλιστα, σε μεγάλες αστικές πόλεις, κατά τη θερινή περίοδο, όπου η ατμόσφαιρα μπορεί να χαρακτηρίζεται ως αποπνικτική, η πράσινη κάλυψη των οροφών επηρεάζει το μικροκλίμα, οδηγώντας στη μείωση του ποσοστού των τοξικών ρύπων της ατμόσφαιρας, καθώς και του ποσοστού κατανάλωσης ενέργειας για ψύξη, ένα ποσοστό που ανέρχεται μέχρι και στο 30% (Παπαμανώλης, 2015).
Μόνωση-Θερμική Αδράνεια. Η μόνωση και η θερμική αδράνεια συμβάλλουν στη δέσμευση της θερμότητας στο εσωτερικό του εκάστοτε κτιρίου, και ως εκ τούτου, συμβάλλει στη μείωση των θερμικών απωλειών κατά την περίοδο του χειμώνα και τη μείωση των ηλιακών κερδών κατά την περίοδο του καλοκαιριού. Ακόμη, με αυτό τον τρόπο, παρατηρούνται αυξημένα επίπεδα θερμικής αδράνειας, δηλαδή παρατηρείται μία ιδιαίτερη άμυνα του κτιρίου στις εξωτερικές μεταβολές της θερμοκρασίας. Τέτοια παραδείγματα είναι οι τοίχοι μάζας, οι τοίχοι θερμικής αποθήκευσης και οι τοίχοι Trombe. Παρόλα αυτά, η κατασκευή ενός βιοκλιματικού κτιρίου είναι ελαφρώς πιο δαπανηρή συγκριτικά με ένα παλαιό ή συμβατικό κτίριο. Σε κάθε περίπτωση, όμως, η εξοικονόμηση ενέργειας επιφέρει πολλαπλάσιο κέρδος από το αρχικό κόστος κατασκευής ενός βιοκλιματικού κτιρίου μακροπρόθεσμα. Εντούτοις τα οφέλη είναι ενεργειακά, οικονομικά και περιβαλλοντικά. Ωστόσο, προκειμένου να επιτευχθούν όλα τα παραπάνω, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η προσεκτική μελέτη και ο κατάλληλος σχεδιασμός, οι αρχές του οποίου πρέπει να εφαρμόζονται καθ’όλη τη διάρκεια της κατασκευής δίχως αποκλίσεις (Παπαμανώλης, 2015).
Μηχανή του Χρόνου
Τα βιοκλιματικά σπίτια δεν είναι μία ανακάλυψη του 20ου αιώνα. Τα βιοκλιματικά σπίτια φαίνεται να χρονολογούνται την περίοδο 450-479 π.Χ., στην αρχαία Ελλάδα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το «Ηλιακό Σπίτι» του φιλόσοφου Σωκράτη. Αναδύεται, λοιπόν, ότι από την αρχαιότητα υπήρχε ένα μεγάλο ενδιαφέρον στην βιοκλιματική αρχιτεκτονική, προκειμένου να εξασφαλίζεται η προστασία του κτιρίου από το κρύο κατά τη χειμερινή περίοδο, αλλά και ο φυσικός δροσισμός κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου. Συγκεκριμένα, οι αρχαίοι Έλληνες φρόντιζαν να κατασκευάζουν τον βόρειο τοίχο του κτιρίου με μεγαλύτερο πάχος σε σχέση με τους υπόλοιπους τοίχους, ενώ προτιμούσαν τις εισόδους ανατολικά ή νότια. Τέλος, οι αρχαίοι κατασκευαστές έδιναν μεγάλη σημασία και στη φύτευση δέντρων και φυτών, για να διασφαλίσουν την απαιτούμενη σκίαση.
«…γιατί το μέλλον θα είναι είτε πράσινο, είτε τίποτα…»
-Bob Brown